¿Por qué el grafito es blando y resbaladizo?

El grafito es un importante material de carbono, ampliamente utilizado en la vida y la industria. Sus características blandas y resbaladizas no sólo sientan las bases de las aplicaciones básicas, sino que también ayudan a la ciencia de los materiales a explorar la relación entre las micropropiedades y las macropropiedades. Esto proporciona apoyo teórico para aplicaciones innovadoras de vanguardia.

Análisis de la estructura cristalina del grafito

La disposición de los átomos de carbono del grafito

El grafito tiene un cristal estratificado estructura, con cada capa de átomos de carbono dispuesta en una red hexagonal compacta bidimensional. Cada átomo de carbono del plano está conectado a los tres átomos de carbono circundantes mediante un enlace covalente con una longitud de enlace de aproximadamente 0,142 nm y un ángulo de enlace de 120°. Este enlace covalente es altamente direccional y estable, formando un esqueleto plano sólido. Esto proporciona una excelente estabilidad mecánica y química a la capa de grafito, dificultando el desplazamiento relativo de los átomos de carbono de la capa. Y manteniendo la integridad de la estructura plana.

Fuerza entre capas

Los átomos de carbono entre la capa de grafito y la capa se mantienen por una débil fuerza de Van der Waals, y no se forma ningún enlace covalente. Las fuerzas de van der Waals son fuerzas intermoleculares resultantes de diversas interacciones dipolares de las moléculas. La fuerza de van der Waals entre las capas intermedias de grafito es de 4-7 kJ/mol, mucho menor que la del enlace covalente, de unos 346kJ/mol. Esta diferencia de energía hace que las capas de grafito se unan de forma laxa, y que cada capa tenga la posibilidad de movimiento relativo. Ésta es la base estructural de su propiedad de deslizamiento suave.

Interpretación de las propiedades blandas del grafito desde una perspectiva microscópica

Deslizamiento entre capas bajo fuerza externa

Cuando el grafito está sometido a fuerzas externas, las fuerzas de van der Waals entre las capas son difíciles de contrarrestar la influencia de estas fuerzas externas. Debido a la débil fuerza de van der Waals, bajo la acción de pequeñas fuerzas externas, puede producirse fácilmente el deslizamiento relativo entre las capas. El átomo de carbono puede deslizarse suavemente entre sí bajo el empuje de la fricción. Este tipo de deslizamiento entre capas a nivel micro se refleja directamente en el nivel macro como textura blanda. Y es fácil que cambie de forma bajo la acción de fuerzas externas.

Factores de la estructura cristalina relacionados con la dureza

La dureza de un material depende esencialmente de la resistencia de su estructura cristalina a las fuerzas externas. En el caso del grafito, aunque los enlaces covalentes de las capas le confieren una gran estabilidad mecánica en el plano. Las débiles fuerzas de van der Waals entre las capas se convierten en el eslabón débil clave que determina su dureza global. Frente a las fuerzas externas, no puede dispersar y resistir eficazmente las fuerzas externas mediante una gama completa de fuertes interacciones entre los átomos. Como un cristal con una distribución uniforme de enlaces covalentes en tres dimensiones (como el diamante). Por el contrario, es más probable que se deslice entre las capas, lo que se traduce en una menor dureza general. Según el estándar de dureza de Mohs, su dureza es de sólo 1-2, muy inferior a la de la mayoría de los materiales minerales comunes. Esto refleja plenamente la influencia decisiva de su estructura cristalina en la dureza.

Debate sobre el mecanismo de formación de la suavidad

Relación entre el deslizamiento de la capa y la fricción

La suavidad del grafito se debe directamente a su fácil deslizamiento entre capas. Cuando dos superficies están en contacto y en movimiento relativo, si hay grafito, el deslizamiento entre capas del grafito puede reducir significativamente la fricción directa entre las superficies. Si no hay grafito, los microconvexos y cóncavos de la superficie del objeto engranarán entre sí, lo que provocará una mayor fricción.Cuando se utiliza como lubricante, el movimiento relativo de la superficie del objeto se transforma en deslizamiento entre capas de grafito. Debido a las débiles fuerzas de Van der Waals entre las capas, la resistencia necesaria para superar este deslizamiento es muy pequeña. De este modo se reduce en gran medida el coeficiente de fricción. Tras aplicar grafito a determinadas superficies metálicas, el coeficiente de fricción puede reducirse a 1/3-1/2 del original. Esto demuestra plenamente su excelente efecto en la reducción de la fricción.

La encarnación de lo resbaladizo en la vida

En la vida cotidiana, podemos sentir intuitivamente las características suaves del grafito a través de diversos fenómenos. Cuando la mano toca el polvo de grafito, resulta obvio que los dedos son difíciles de agarrar. Y hay una fuerte sensación de deslizamiento. Esto se debe a que la estructura de capas del polvo de grafito se desliza rápidamente entre las capas bajo el tacto. Y proporciona al dedo una respuesta táctil única.

Además, el uso de la escritura con lápiz es otra de las aplicaciones típicas de las propiedades lisas. Durante el proceso de escritura, la mina del lápiz está en contacto con la superficie del papel. Y bajo la acción de la presión, las capas de grafito se deslizan entre ellas. De modo que algunas de sus capas pueden transferirse y adherirse al papel, dejando una escritura clara. En este proceso, las características de suavidad no sólo garantizan la fluidez de la escritura. Sino que también hacen que la experiencia de escritura sea más suave y cómoda.

Aplicación de las características blandas del grafito

Aplicación en el campo de los lubricantes

El grafito tiene excelentes propiedades lubricantes y puede utilizarse ampliamente en el campo de los lubricantes. En condiciones extremas como alta temperatura, alta presión y alto vacío, los lubricantes líquidos ordinarios fallan fácilmente debido a la evaporación, descomposición o cambio de viscosidad. El grafito puede formar una película lubricante en motores de aviación, alta temperatura hornos y equipos de vacío. Porque tiene propiedades químicas estables y las características de deslizamiento entre capas reducen la fricción y el desgaste. Y puede mejorar la eficiencia operativa y la vida útil de los equipos.

El principio de fabricación de la mina de lápiz

La mina de los lápices es una aplicación típica de sus propiedades. Se fabrica a partir de una mezcla de grafito y arcilla en proporción. Al escribir, la capa de grafito se desliza sobre la superficie del papel bajo la acción de la presión. Debido a la débil fuerza de unión entre las capas, parte de la capa de grafito se adhiere al papel para formar la escritura. Ajustando la proporción de grafito y arcilla se puede controlar la dureza y la negrura de la mina del lápiz. De este modo, el lápiz se convierte en un instrumento de escritura habitual.

Conclusión

El grafito es blando y resbaladizo gracias a su singular estructura cristalina. Esta conexión entre microestructura y macroprestaciones sienta las bases de su aplicación. Y esto también promoverá su innovación en tecnologías emergentes en el futuro.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Por qué es duro el diamante?

El diamante y el grafito son alótropos del carbono, pero tienen estructuras cristalinas diferentes. Cada átomo de carbono de un diamante está unido covalentemente a los cuatro átomos de carbono circundantes. Forman una estructura de red tetraédrica tridimensional. Cuando se somete a tensión, el enlace covalente puede dispersar las fuerzas externas y resistir la deformación. Por ello, la dureza del diamante es extremadamente alta, y la dureza Mohs es 10.

¿Por qué el grafito conduce la electricidad?

Además de formar enlaces σ, los átomos de carbono de la capa de grafito también tienen grandes enlaces π conjugados. Cada átomo de carbono aporta un electrón p, formando una nube electrónica deslocalizada que puede moverse libremente dentro de la capa. Cuando se aplica un campo eléctrico, los electrones libres se mueven en una dirección para formar una corriente. Su buena conductividad hace que se utilice ampliamente en electrónica.

¿Por qué se utiliza el grafito como lubricante?

En primer lugar, la fuerza de Van der Waals entre capas es débil, y la capa intermedia se desliza con facilidad. En segundo lugar, las propiedades químicas son estables. Cuando se aplica, forma una película lubricante en la superficie del componente y sustituye la fricción directa por el deslizamiento entre capas. Reduce el coeficiente de fricción, puede mantener el rendimiento en diferentes entornos químicos y tiene una amplia gama de aplicaciones.