لماذا الجرافيت ناعم وزلق؟

الجرافيت مادة كربون مهمة، تُستخدم على نطاق واسع في الحياة والصناعة. لا ترسي خصائصه الناعمة والزلقة الأساس للتطبيقات الأساسية فحسب، بل تساعد أيضًا علم المواد على استكشاف العلاقة بين الخصائص الدقيقة والكليّة. وهذا يوفر الدعم النظري للتطبيقات المبتكرة المتطورة.

تحليل التركيب البلوري للجرافيت

ترتيب ذرات الكربون في الجرافيت

يحتوي الجرافيت على بلورة متعددة الطبقات الهيكلمع ترتيب كل طبقة من ذرات الكربون في شبكة سداسية مضغوطة ثنائية الأبعاد. وترتبط كل ذرة كربون في المستوى بذرات الكربون الثلاث المحيطة بها بواسطة رابطة تساهمية بطول رابطة يبلغ حوالي 0.142 نانومتر وزاوية رابطة تبلغ 120 درجة. هذه الرابطة التساهمية ذات اتجاه وثبات عالٍ، وتشكل هيكلاً عظمياً مستوياً صلباً. ويعطي ذلك ثباتًا ميكانيكيًا وكيميائيًا ممتازًا في طبقة الجرافيت، مما يجعل من الصعب إزاحة ذرات الكربون نسبيًا في الطبقة. ومن ثم الحفاظ على سلامة الهيكل المستوي.

القوة البينية

يتم الحفاظ على ذرات الكربون بين طبقة الجرافيت والطبقة بواسطة قوة فان دير فال الضعيفة، ولا تتشكل أي رابطة تساهمية. وقوى فان دير فال هي قوى بين جزيئية ناتجة عن تفاعلات ثنائية القطب مختلفة للجزيئات. وتبلغ قوة فان دير فال بين طبقات الجرافيت الوسيطة 4-7 كيلوجول/مول، وهي أقل بكثير من الرابطة التساهمية التي تبلغ حوالي 346 كيلوجول/مول. هذا الفرق في الطاقة يجعل طبقات الجرافيت ترتبط بشكل رخو، ولكل طبقة إمكانية الحركة النسبية. وهذا هو الأساس الهيكلي لخاصية الانزلاق اللين لها.

تفسير الخصائص اللينة للجرافيت من منظور مجهري

انزلاق الطبقة البينية تحت قوة خارجية

عندما يتعرّض الجرافيت لقوى خارجية، يصعب على قوى فان دير فالس بين الطبقات مواجهة تأثير هذه القوى الخارجية. وبسبب قوة فان دير فال الضعيفة، يمكن أن يحدث الانزلاق النسبي بين الطبقات بسهولة تحت تأثير قوى خارجية صغيرة. يمكن أن تنزلق ذرة الكربون بسلاسة إلى بعضها البعض تحت تأثير الاحتكاك. وينعكس هذا النوع من الانزلاق بين الطبقات على المستوى الجزئي بشكل مباشر على المستوى الكلي كنسيج ناعم. ومن السهل تغيير الشكل تحت تأثير القوى الخارجية.

عوامل التركيب البلوري المتعلقة بالصلابة

تعتمد صلابة المادة بشكل أساسي على مقاومة بنيتها البلورية للقوى الخارجية. بالنسبة إلى الجرافيت، على الرغم من أن الروابط التساهمية في الطبقات تعطي ثباتًا ميكانيكيًا قويًا في المستوى. فإن قوى فان دير فال الضعيفة بين الطبقات تصبح الحلقة الضعيفة الرئيسية التي تحدد صلابته الكلية. وفي مواجهة القوى الخارجية، لا يمكنها تفريق ومقاومة القوى الخارجية بفعالية من خلال مجموعة كاملة من التفاعلات القوية بين الذرات. مثل البلورة ذات التوزيع المنتظم للروابط التساهمية في ثلاثة أبعاد (مثل الماس). في المقابل، من المرجح أن تنزلق بين الطبقات، مما يؤدي إلى صلابة إجمالية أقل. وفقًا لمعيار موس للصلابة، تبلغ صلابته 1-2 فقط، وهو أقل بكثير من معظم المواد المعدنية الشائعة. وهذا يعكس تماماً التأثير الحاسم لتركيبها البلوري على الصلابة.

مناقشة حول آلية تكوين النعومة

العلاقة بين انزلاق الطبقة والاحتكاك

ترجع نعومة الجرافيت مباشرةً إلى سهولة انزلاقه بين الطبقات. عندما يكون سطحان متلامسان مع بعضهما البعض وفي حركة نسبية، إذا كان الجرافيت موجودًا، فإن انزلاق الجرافيت بين الطبقات يمكن أن يقلل بشكل كبير من الاحتكاك المباشر بين السطوح. إذا لم يكن هناك جرافيت، فإن المحدب والمقعر الدقيق على سطح الجسم سوف يتشابك مع بعضه البعض، مما يؤدي إلى احتكاك أكبر، وعند استخدامه كمادة تشحيم، تتحول الحركة النسبية لسطح الجسم إلى انزلاق بين طبقات الجرافيت. ونظرًا لضعف قوى فان دير فال بين الطبقات، تكون المقاومة اللازمة للتغلب على هذا الانزلاق صغيرة جدًا. وبالتالي تقلل إلى حد كبير من معامل الاحتكاك. بعد تطبيق الجرافيت على أسطح معدنية معينة، يمكن تقليل معامل الاحتكاك إلى 1/3-1/2 من الأصل. وهذا يثبت تمامًا تأثيره الممتاز في تقليل الاحتكاك.

تجسيد للانزلاق في الحياة

في الحياة اليومية، يمكننا أن نشعر بشكل بديهي بالخصائص السلسة للجرافيت من خلال مجموعة متنوعة من الظواهر. عندما تلامس اليد مسحوق الجرافيت، سيكون من الواضح أن الأصابع يصعب الإمساك بها. وهناك شعور قوي بالانزلاق. وذلك لأن بنية الطبقة في مسحوق الجرافيت تنزلق بسرعة بين الطبقات تحت اللمس. ويمنح الإصبع إحساسًا فريدًا باللمس.

بالإضافة إلى ذلك، يعد استخدام الكتابة بقلم الرصاص تجسيدًا نموذجيًا آخر للخصائص الملساء. أثناء عملية الكتابة، يكون رصاص القلم الرصاص ملامسًا لسطح الورقة. وتحت تأثير الضغط، تنزلق طبقات الجرافيت بينهما. بحيث يمكن أن تنتقل بعض طبقاته وتلتصق بالورقة، تاركةً كتابة واضحة. في هذه العملية، لا تضمن الخصائص السلسة طلاقة الكتابة فقط. ولكن أيضًا تجعل تجربة الكتابة أكثر سلاسة وراحة.

تطبيق خصائص الجرافيت الناعم

التطبيق في مجال مواد التشحيم

يتميز الجرافيت بخصائص تشحيم ممتازة ويمكنك استخدامه على نطاق واسع في مجال مواد التشحيم. في ظل الظروف القاسية مثل درجات الحرارة العالية والضغط العالي والفراغ العالي، من السهل أن تفشل مواد التشحيم السائلة العادية بسبب التبخر أو التحلل أو تغير اللزوجة. يمكن أن يشكل الجرافيت طبقة تشحيم في محركات الطيران، ودرجة الحرارة العالية الأفران ومعدات التفريغ. لأنه يتميز بخصائص كيميائية مستقرة وخصائص انزلاق الطبقات البينية تقلل من الاحتكاك والتآكل. ويمكنه تحسين كفاءة تشغيل المعدات وعمرها الافتراضي.

مبدأ تصنيع رصاص أقلام الرصاص

يعتبر رصاص أقلام الرصاص تطبيقاً نموذجياً لخصائصه. وهو مصنوع من خليط من الجرافيت و الطين بالتناسب. عند الكتابة، تنزلق طبقة الجرافيت على سطح الورق تحت تأثير الضغط. ونظرًا لقوة الترابط الضعيفة بين الطبقات، يلتصق جزء من طبقة الجرافيت بالورقة لتشكيل الكتابة. يمكن لضبط نسبة الجرافيت والصلصال أن يتحكم في صلابة وسواد رصاص القلم الرصاص. ومن ثم جعل قلم الرصاص أداة كتابة شائعة.

الخاتمة

الجرافيت ناعم وزلق بسبب بنيته البلورية الفريدة من نوعها. وتضع هذه العلاقة بين البنية المجهرية والأداء الكلي الأساس لتطبيقه. وهذا سيعزز أيضًا ابتكاره في التقنيات الناشئة في المستقبل.

الأسئلة الشائعة

لماذا الماس صلب؟

الماس والجرافيت متآصلان من الكربون، ولكن لهما بنية بلورية مختلفة. فكل ذرة كربون في الماس مرتبطة تساهمياً بذرات الكربون الأربع المحيطة بها. وتشكل بنية شبكية رباعية الأوجه ثلاثية الأبعاد. وعند الضغط عليها، تستطيع الرابطة التساهمية تشتيت القوى الخارجية ومقاومة التشوه. لذلك تكون صلابة الألماس عالية للغاية، وتبلغ صلابة موس 10.

لماذا الجرافيت موصل للكهرباء؟

وبالإضافة إلى تكوين الروابط σ، فإن ذرات الكربون في طبقة الجرافيت تحتوي أيضًا على روابط π كبيرة مترافقة. تُسهم كل ذرة كربون بإلكترون p، مكوِّنةً سحابة إلكترونية غير متمركزة يمكنها التحرك بحرية داخل الطبقة. وعندما يتم تطبيق مجال كهربائي، تتحرك الإلكترونات الحرة في اتجاه اتجاهي لتكوين تيار. والتوصيلية الجيدة تجعلها تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات.

لماذا يستخدم الجرافيت كمادة تشحيم؟

أولاً، قوة فان دير فال بين الطبقات ضعيفة، ومن السهل انزلاق الطبقة البينية. ثانيًا، الخواص الكيميائية مستقرة. عند تطبيقه، فإنه يشكل طبقة تشحيم على سطح المكون، ويستبدل الاحتكاك المباشر بالانزلاق بين الطبقات. يقلل من معامل الاحتكاك، ويمكنه الحفاظ على الأداء في بيئات كيميائية مختلفة، وله مجموعة واسعة من التطبيقات.