Quali sono gli allotropi del carbonio?

Il carbonio, grazie alle sue proprietà uniche di legame chimico, ha gli allotropi più stabili di qualsiasi elemento. Alcuni allotropi del carbonio, come la grafite e il diamante, sono presenti in natura; altri, come i nanotubi, devono essere fabbricati in laboratorio. L’abbondanza e la versatilità del carbonio lo rendono uno dei materiali più studiati nella ricerca sulle nanotecnologie e i suoi allotropi hanno una vasta gamma di proprietà utili, come l’elevata resistenza alla trazione e gli alti punti di fusione.

Il carbonio amorfo e la grafite sono i due allotropi più comuni e costituiscono la maggior parte dei composti naturali del carbonio come carbone e fuliggine. Il carbonio amorfo non ha una struttura cristallina particolare, come la maggior parte dei vetri. Gli atomi di carbonio nella grafite sono disposti in strati; ogni strato ha forti legami che lo tengono insieme, ma gli strati non si legano fortemente e possono essere facilmente cancellati l’uno dall’altro. La pura grafite pirolitica, in cui gli strati sono tutti disposti sullo stesso piano, è un materiale estremamente forte e resistente al calore utilizzato in ambienti ad alto stress e ad alta temperatura. La grafite conduce elettricità e può essere utilizzata come moderatore per i reattori nucleari.

Il diamante, l’altro allotropo naturale del carbonio, ha una struttura cristallina rigida e intrecciata. Il diamante è una delle sostanze più dure conosciute e viene utilizzato nell’industria per macinare e tagliare i materiali. La trasparenza e la durata del diamante lo rendono molto apprezzato come pietra preziosa e l’attività di gioielleria ha trasformato l’estrazione di diamanti in un’industria multimiliardaria. Il diamante può essere prodotto sinteticamente da altri allotropi, ma richiede temperature e pressioni estremamente elevate per formarsi.

Altri allotropi più esotici includono buckyball, nanotubi e nanoschiuma di carbonio. Questi si trovano naturalmente nella fuliggine e sono stati trovati in almeno una nebulosa planetaria, sebbene possano anche essere creati sinteticamente. I Buckyball sono reti chiuse di atomi di carbonio a forma di palla, che formano pentagoni ed esagoni interconnessi. I nanotubi di carbonio condividono la stessa struttura della grafite, ma invece di avere una pila di strati, un nanotubo si avvolge e si lega a se stesso, formando un lungo cilindro. I nanotubi di carbonio hanno una resistenza alla trazione molto elevata, che li rende attraenti come nuovi materiali da costruzione, sebbene non siano altrettanto resistenti sotto compressione.