Руденіт
Руденіт (англ. Rudenite, рос. Руденит) — надщільна алотропна форма вуглецю з двошаровою алмазоподібною структурою.
Новий надщільний двошаровий алмазоподібний вуглецевий алотроп вперше був представлений українськими та російськими вченими на конференції по карбону (Троїцьк, РФ) в 2015 році[1]. Існування цього унікального матеріалу в 2018 році було підтверджене незалежною групою американських, французьких та італійських вчених[2]. Після ретельного вивчення властивостей та структури цього вуглецевого алотропу було запропоновано надати йому назву руденіт на честь професора А. Д. Рудя.[3]
Вуглець має алотропи, різні структурні модифікації одного хімічного елемента. Алотропи мають різні фізичні та хімічні властивості. Одним з алотропів вуглецю є руденіт. Руденіт, надщільна вуглецева плівка товщиною 100 пікометрів яку утворюють дві алмазоподібні площини гексагональної структури.
На фото a наведено пряме пікоскопічне зображення руденіту[3], вид з боку, отримане шляхом денситометрії електронної хмарки з роздільною здатністю 10 пікометрів. Внутрішні (не валентні) вкладені одна в одну електронні орбіталі з великою густиною електронних хмарок — це кулі білого кольору. Кожен з чотирьох валентних електронів створює ковалентні сигма-зв'язки sp³-гібридізації, як у структурі алмазу: три — в площині (зелений колір) та один — між площинами (блакитний колір). Відповідно до масштабної лінійки, відстань між площинами складає 100 пікометрів. Простір між двошаровими структурами має чорний колір через нульову густину електронної хмарки.
Для порівняння на фото b наведено зображення шарів кристалічного графіту[4], вид з боку. Атоми вуглецю мають рожевий колір, що відповідає великій густини електронної хмарки в центрі атома. Сусідні атоми вуглецю в площині шару пов'язують сигма-зв'язки, що утворені в результаті перекриття sp2-орбіталей, на зображенні мають зелений колір. Відповідно до масштабної лінійки, атоми в площині розташовані на відстані біля 140 пікометрів. Відстань між шарами складає 340 пікометрів. Простір між шарами в основному має чорний колір, — електронна хмара відсутня. Але від кожного атома вуглецю, в той чи інший бік, тягнеться пелюсток слабкого пі-зв'язку, який пов'язує один шар з іншим. На фото ясно видно, що, на відміну від руденіту, в графіті міжшарові зв'язки не є гібридними, бо вони тягнуться від одного атома, але до іншого не доходять. Руденіт, надщільна плівка з двох шарів плоского гексагонального графену.
Кристалічна структура руденіту, молекулярного кристала молекул С-С, наведена на малюнку. На малюнку a наведена просторова кульково-сірникова 3D модель руденіту, вид згори. Два паралельних шара гексагональної структури розташовані на відстані 100 пм. Кожен атом вуглецю створює чотири сильні ковалентні сигма-зв'язки sp³-гібридізації, як у структурі алмазу: три — в площині та один — між площинами.
Через надзвичайно малу відстань між молекулами С-С руденіт має щільність у 1,3 рази більшу за алмаз. Для прикладу, найкоротша відстань між двома сусідніми атомами вуглецю в алмазі складає 154 пм, в графіті — 140 пм. Безкоштовна хімічна база даних ChemSpider, від Королівського хімічного товариства, містить відомості про понад 40 мільйонів хімічних сполук, їх властивості та пов'язану з ними інформацію. Унікальність руденіту полягає в тому, що жодна з відомих хімічних сполук не має такої маленької відстані між атомами. Через це руденіт є надщільним (superdense)[3] та надтвердим (ultrahard)[2] матеріалом у світі.
Руденіт можна використовувати для екранів захисту від випромінювання і для батарей великої ємності[4]. Розрахунки показують, що конденсатор з руденіту розміром 1 кубічний сантиметр буде мати ємність 8 000 фарад. Він може нести заряд 100 кВт·год що досить, щоб автомобіль Tesla проїхав 500 км.[джерело?]
- ↑ Rud, A.D.; Kornienko, N.E.; Kiryan, I.M.; Kirichenko, A.N.; Kucherov, O.P. (2016). Local-allotropic structures of carbon (PDF). Thesis "Carbon: the fundamental problems of science, materials science, technology". Troitsk. (англ.)
- ↑ а б Gao, Yang; Tengfei, Hi; Cellini, Filippo; Berger, Claire; de Heer, Walter A .; Tosatti, Erio; Riedo, Elisa; Bongiorno, Angelo (2018). Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer grapheme. Nature Nanotechnology (13): 133–138. doi:10.1038/s41565-017-0023-9.
- ↑ а б в Kucherov, O. P.; Rud, A. D. (2018). Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 674 (1): 40—47. doi:10.1080/15421406.2019.1578510.
- ↑ а б Кучеров, А.П.; Лавровский, С.Е. (2018). Пикоскопия - прямая визуализация молекул (PDF). Інформаційні технології та спеціальна безпека (№ 4): 12—41. Архів оригіналу (PDF) за 16 квітня 2021. Процитовано 20 квітня 2021.(рос.)