Mengapa Grafit Lembut dan Licin?

Grafit adalah bahan karbon yang penting, yang banyak digunakan dalam kehidupan dan industri. Karakteristiknya yang lembut dan licin tidak hanya menjadi dasar untuk aplikasi dasar, tetapi juga membantu ilmu pengetahuan material untuk mengeksplorasi hubungan antara sifat mikro dan makro. Hal ini memberikan dukungan teoretis untuk aplikasi inovatif yang mutakhir.

Analisis struktur kristal grafit

Susunan atom karbon grafit

Grafit memiliki kristal berlapis strukturdengan setiap lapisan atom karbon tersusun dalam jaringan dua dimensi heksagonal yang ringkas. Setiap atom karbon dalam bidang tersebut terhubung ke tiga atom karbon di sekitarnya melalui ikatan kovalen dengan panjang ikatan sekitar 0,142 nm dan sudut ikatan 120°. Ikatan kovalen ini sangat terarah dan stabil, membentuk kerangka bidang yang kokoh. Hal ini memberikan stabilitas mekanis dan kimiawi yang sangat baik pada lapisan grafit, sehingga menyulitkan pergeseran relatif atom karbon dalam lapisan. Dan kemudian mempertahankan integritas struktur bidang.

Kekuatan interlayer

Atom karbon di antara lapisan grafit dan lapisan dipertahankan oleh gaya van der Waals yang lemah, dan tidak ada ikatan kovalen yang terbentuk. Gaya van der Waals adalah gaya antarmolekul yang dihasilkan dari berbagai interaksi dipol molekul. Gaya van der Waals antara zat antara grafit adalah 4-7 kJ/mol, yang jauh lebih rendah daripada ikatan kovalen sekitar 346kJ/mol. Perbedaan energi ini membuat lapisan grafit berikatan secara longgar, dan setiap lapisan memiliki kemungkinan untuk bergerak secara relatif. Ini adalah dasar struktural dari sifat selip lunaknya.

Interpretasi sifat lunak grafit dari perspektif mikroskopis

Interlayer yang meluncur di bawah kekuatan eksternal

Apabila grafit dikenai gaya eksternal, gaya van der Waals di antara lapisan sulit untuk melawan pengaruh gaya eksternal ini. Karena gaya van der Waals yang lemah, di bawah aksi gaya eksternal yang kecil, pergeseran relatif di antara lapisan dapat dengan mudah terjadi. Atom karbon dapat tergelincir dengan mulus satu sama lain di bawah dorongan gesekan. Jenis pergeseran antar-lapisan pada level mikro ini secara langsung tercermin pada level makro sebagai tekstur yang lembut. Dan mudah untuk mengubah bentuk di bawah aksi kekuatan eksternal.

Faktor struktur kristal yang terkait dengan kekerasan

Kekerasan suatu bahan pada dasarnya bergantung pada ketahanan struktur kristalnya terhadap kekuatan eksternal. Untuk grafit, meskipun ikatan kovalen pada lapisan memberikan stabilitas mekanis yang kuat pada bidangnya. Gaya van der Waals yang lemah di antara lapisan-lapisan menjadi tautan lemah utama yang menentukan kekerasannya secara keseluruhan. Dalam menghadapi kekuatan eksternal, ia tidak dapat secara efektif membubarkan dan menahan kekuatan eksternal melalui berbagai interaksi yang kuat di antara atom-atom. Seperti kristal dengan distribusi ikatan kovalen yang seragam dalam tiga dimensi (seperti berlian). Sebaliknya, lebih mungkin tergelincir di antara lapisan, sehingga menghasilkan kekerasan yang lebih rendah secara keseluruhan. Menurut standar kekerasan Mohs, kekerasannya hanya 1-2, yang jauh lebih rendah daripada bahan mineral pada umumnya. Hal ini sepenuhnya mencerminkan pengaruh yang menentukan dari struktur kristalnya pada kekerasan.

Diskusi tentang mekanisme pembentukan kehalusan

Hubungan antara selip lapisan dan gesekan

Kehalusan grafit secara langsung disebabkan oleh kemudahannya meluncur di antara berbagai lapisan. Apabila dua permukaan bersentuhan satu sama lain dan bergerak secara relatif, jika terdapat grafit, maka, pergeseran antar lapisan grafit dapat secara signifikan mengurangi gesekan langsung di antara permukaan. Jika tidak ada grafit, mikro-cembung dan cekung pada permukaan benda akan menyatu satu sama lain, menghasilkan gesekan yang lebih besar, saat menggunakannya sebagai pelumas, gerakan relatif permukaan benda diubah menjadi meluncur di antara lapisan grafit. Karena lemahnya gaya van der Waals di antara lapisan, maka hambatan yang diperlukan untuk mengatasi pergeseran ini sangat kecil. Dengan demikian, ini sangat mengurangi koefisien gesekan. Setelah mengaplikasikan grafit pada permukaan logam tertentu, koefisien gesekan dapat dikurangi hingga 1/3-1/2 dari aslinya. Hal ini sepenuhnya membuktikan efeknya yang istimewa dalam mengurangi gesekan.

Perwujudan licin dalam kehidupan

Dalam kehidupan sehari-hari, secara naluri, kita bisa merasakan karakteristik grafit yang halus melalui berbagai fenomena. Apabila tangan menyentuh bubuk grafit, akan terlihat jelas bahwa jari-jari tangan sulit digenggam. Dan ada kesan kelicinan yang kuat. Hal ini karena struktur lapisan dalam bubuk grafit bergeser secara cepat di antara lapisan yang disentuh. Dan memberikan umpan-balik sentuhan yang unik pada jari.

Selain itu, penggunaan pensil untuk menulis merupakan perwujudan khas lainnya dari sifat halus. Selama proses penulisan, ujung pensil bersentuhan dengan permukaan kertas. Dan di bawah aksi tekanan, lapisan grafit bergeser di antara keduanya. Sehingga sebagian lapisannya dapat ditransfer dan dilekatkan pada kertas, meninggalkan tulisan yang jelas. Dalam proses ini, karakteristik yang mulus, tidak hanya menjamin kelancaran penulisan. Tetapi, juga membuat pengalaman menulis menjadi lebih lancar dan nyaman.

Penerapan karakteristik lunak grafit

Aplikasi di bidang pelumas

Grafit memiliki sifat pelumas yang sangat baik dan Anda dapat menggunakannya secara luas di bidang pelumas. Dalam kondisi ekstrem seperti suhu tinggi, tekanan tinggi, dan vakum tinggi, pelumas cair biasa mudah rusak karena penguapan, penguraian, atau perubahan viskositas. Grafit dapat membentuk film pelumas di mesin penerbangan, suhu tinggi tungku dan peralatan vakum. Karena memiliki sifat kimiawi yang stabil dan karakteristik geser interlayer mengurangi gesekan dan keausan. Dan itu dapat meningkatkan efisiensi dan masa pakai peralatan.

Prinsip pembuatan ujung pensil

Pensil timbal adalah aplikasi khas dari sifat-sifatnya. Terbuat dari campuran grafit dan tanah liat secara proporsional. Apabila menulis, lapisan grafit bergeser pada permukaan kertas di bawah tekanan. Karena kekuatan ikatan yang lemah di antara lapisan, sebagian lapisan grafit dilekatkan pada kertas untuk membentuk tulisan. Menyesuaikan rasio grafit dan tanah liat dapat mengontrol kekerasan dan kehitaman ujung pensil. Kemudian membuat pensil menjadi alat tulis yang umum.

Kesimpulan

Grafit bersifat lembut dan licin karena struktur kristalnya yang unik. Hubungan antara struktur mikro dan performa makro ini menjadi dasar bagi aplikasinya. Dan ini juga akan mendorong inovasinya dalam teknologi baru di masa depan.

PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN

Mengapa berlian itu keras?

Berlian dan grafit adalah alotrop karbon, tetapi memiliki struktur kristal yang berbeda. Setiap atom karbon dalam berlian terikat secara kovalen ke empat atom karbon di sekelilingnya. Membentuk struktur jaringan tetrahedral tiga dimensi. Saat diberi tekanan, ikatan kovalen dapat menyebarkan kekuatan eksternal dan menahan deformasi. Jadi kekerasan berlian sangat tinggi, dan kekerasan Mohs adalah 10.

Mengapa grafit menghantarkan listrik?

Selain membentuk ikatan σ, atom karbon dalam lapisan grafit juga memiliki ikatan π yang terkonjugasi. Setiap atom karbon menyumbangkan elektron p, membentuk awan elektron terdelokalisasi yang dapat bergerak bebas di dalam lapisan. Ketika medan listrik diterapkan, elektron bebas bergerak ke arah yang terarah untuk membentuk arus. Dan konduktivitas yang baik membuatnya banyak digunakan dalam elektronik.

Mengapa grafit digunakan sebagai pelumas?

Pertama, gaya van der Waals antar-lapisan lemah, dan antar-lapisan mudah bergeser. Kedua, sifat kimianya stabil. Saat diaplikasikan, ini membentuk lapisan pelumas pada permukaan komponen, menggantikan gesekan langsung dengan pergeseran antar lapisan. Ini mengurangi koefisien gesekan, dapat mempertahankan kinerja di lingkungan kimia yang berbeda, dan memiliki berbagai aplikasi.