グラファイトはなぜ柔らかく滑りやすいのか？

黒鉛は重要な炭素材料であり、生活や産業で広く使用されている。その柔らかく滑りやすい特性は、基本的な応用の基礎を築くだけでなく、材料科学がミクロとマクロの特性の関係を探求するのにも役立っている。これは、最先端の革新的なアプリケーションの理論的裏付けとなる。

グラファイトの結晶構造解析

グラファイトの炭素原子の配列

グラファイトは層状結晶である 構造炭素原子の各層は、六角形のコンパクトな二次元ネットワークに配置されている。平面内の各炭素原子は、結合長約0.142nm、結合角度120°の共有結合によって周囲の3つの炭素原子と結合している。この共有結合は非常に方向性があり安定しており、強固な平面骨格を形成している。このため、グラファイト層の機械的・化学的安定性に優れ、層内の炭素原子の相対的な移動が起こりにくい。そして、平面構造の完全性を維持する。

層間力

グラファイト層とグラファイト層の間の炭素原子は弱いファンデルワールス力によって維持され、共有結合は形成されない。ファンデルワールス力とは、分子の様々な双極子相互作用から生じる分子間力である。グラファイト中間体間のファンデルワールス力は4～7kJ/molで、共有結合の約346kJ/molよりはるかに低い。このエネルギー差により、グラファイト層は緩く結合し、各層は相対的に動く可能性を持つ。これが、ソフト・スリップ特性の構造的基盤となっている。

グラファイトのソフト物性をミクロな視点から解釈する

外力による層間滑り

グラファイトが外力を受けると、層間のファンデルワールス力は外力の影響に対抗することが難しい。ファンデルワールス力が弱いため、小さな外力が作用すると、層間の相対的な滑りが容易に起こる。炭素原子は、摩擦に押されて互いにスムーズに滑ることができる。このようなミクロレベルでの層間摺動は、マクロレベルではソフトなテクスチャーとして直接反映される。また、外力の作用により容易に形状を変化させることができる。

硬度に関係する結晶構造因子

材料の硬度は、基本的に外力に対する結晶構造の抵抗力に依存する。グラファイトの場合、層内の共有結合は面内で強い機械的安定性を与えるが、層間の弱いファンデルワールス力は、グラファイトの全体的な硬度を決める重要な弱点となる。層間の弱いファンデルワールス力が、全体的な硬度を決定する重要な弱点となる。外力に直面すると、原子間の強い相互作用をフルに発揮して外力を効果的に分散させ、抵抗することはできない。共有結合が三次元的に均一に分布している結晶（ダイヤモンドなど）のように。対照的に、層間でスリップしやすく、その結果、全体的な硬度は低くなる。モース硬度の基準では、その硬度は1～2であり、一般的な鉱物材料よりもはるかに低い。これは、硬度に対する結晶構造の決定的な影響を十分に反映している。

平滑性の形成メカニズムに関する考察

層スリップと摩擦の関係

グラファイトの滑らかさは、直接的には層間が滑りやすいことに起因する。2つの表面が互いに接触し、相対運動しているとき、グラファイトが存在すれば、グラファイトの層間摺動により、表面間の直接摩擦を大幅に減らすことができる。もしグラファイトがなければ、物体表面の微細な凸と凹が互いに噛み合い、摩擦が大きくなる。潤滑剤として使用する場合、物体表面の相対運動はグラファイト層間の滑りに変わる。層間のファンデルワールス力は弱いため、この滑りを克服するのに必要な抵抗は非常に小さい。そのため、摩擦係数が大幅に減少する。ある種の金属表面にグラファイトを塗布すると、摩擦係数は元の1/3～1/2まで低下する。これは、摩擦を低減する優れた効果を十分に証明している。

人生における滑りやすさの体現

日常生活の中で、私たちはさまざまな現象を通して黒鉛の滑らかな特性を直感的に感じることができる。黒鉛の粉を手で触ると、明らかに指がつかみにくい。そして、強い滑り感がある。これは、グラファイトパウダーの層構造が、触った感触で層間を急速にスライドするためである。そして、指に独特の触覚フィードバックを与える。

さらに、鉛筆書きの使用も、滑らかな特性のもうひとつの典型的な実施形態である。筆記中、鉛筆の芯は紙の表面と接触している。そして筆圧の作用で、黒鉛層がその間を滑る。そのため、その層の一部が紙に転写されて付着し、はっきりとした筆跡を残すことができる。この過程で、滑らかな特性は筆記の流暢さを保証するだけではない。また、書き心地もよりスムーズで快適なものとなる。

グラファイトのソフト特性の応用

潤滑油分野での応用

黒鉛は優れた潤滑特性を持ち、潤滑油の分野で広く使用することができます。高温、高圧、高真空などの過酷な条件下では、通常の液体潤滑剤は蒸発、分解、粘度変化などにより、簡単に故障してしまいます。グラファイトは、航空エンジンや高温・高圧・高真空などの環境下で潤滑膜を形成することができます。 炉 および真空装置用。安定した化学的特性を持ち、層間摺動特性が摩擦や摩耗を減らすからです。また、装置の運転効率と寿命を向上させることができます。

鉛筆の芯の製造原理

鉛筆の芯は、その特性を生かした典型的な用途である。鉛筆の芯は、グラファイト（黒鉛）と 粘土 に比例する。筆記時、黒鉛層は圧力の作用で紙の表面を滑る。層間の結合力が弱いため、黒鉛層の一部が紙に付着して筆記する。黒鉛と粘土の比率を調整することで、鉛筆の芯の硬さと黒さをコントロールすることができる。そして、鉛筆を一般的な筆記具にする。

結論

グラファイトが柔らかく滑りやすいのは、そのユニークな結晶構造のためである。この微細構造とマクロ性能の結びつきは、その応用の基礎を築くものである。また、このことは将来、新たな技術におけるイノベーションを促進する。

よくあるご質問

ダイヤモンドはなぜ硬いのか？

ダイヤモンドとグラファイトは炭素の同素体だが、結晶構造は異なる。ダイヤモンドの各炭素原子は、周囲の4つの炭素原子と共有結合している。三次元の四面体ネットワーク構造を形成している。応力がかかると、共有結合は外力を分散し、変形に耐えることができる。そのためダイヤモンドの硬度は非常に高く、モース硬度は10である。

黒鉛はなぜ電気を通すのか？

グラファイト層の炭素原子は、σ結合を形成するだけでなく、共役の大きなπ結合も持っている。各炭素原子はp電子を提供し、層内で自由に移動できる非局在化電子クラウドを形成する。電界が印加されると、自由電子は方向性を持って移動し、電流を形成する。また、導電性が良いため、エレクトロニクス分野で広く使用されている。

なぜグラファイトが潤滑油として使われるのか？

第一に、層間のファンデルワールス力が弱く、層間が滑りやすい。第二に、化学的性質が安定している。塗布すると、部品表面に潤滑膜を形成し、直接摩擦を層間摺動に置き換える。摩擦係数を下げ、異なる化学環境でも性能を維持でき、幅広い用途がある。