الكربون عنصر سحري. كونه لبنة بناء أساسية، فهو بمثابة الهيكل العظمي لجميع الكائنات الحية على الأرض، وهو أهم عنصر في جسم الإنسان. المواد الكربونية تتميز المواد الكربونية بقدرتها الفريدة على الجمع بين الأضداد والوحدة. فهي رقيقة كالشعرة، وخفيفة كالريشة، وأقوى من الفولاذ. تتميز المواد الكربونية بقدرتها على العزل والموصلية، فهي عازلة للحرارة وموصلة لها، كما أنها تمتص الضوء وتنفذه بالكامل. هذا التنوع يجعل المواد الكربونية دائمة التغير وفريدة من نوعها في خصائصها وتطبيقاتها.
الفرق بين الفحم النباتي والكربون
يشير الكربون إلى مواد، وهي مواد صلبة يتكون عنصرها الرئيسي من الكربون. المواد الكيميائية التركيب غير نقي ويحتوي غالبًا على شوائب أخرى، مثل الفحم، أسود فاحم، الكوك، الخ.
يشير الكربون إلى العنصر، ويتم استخدام الكلمات المتعلقة بذرات الكربون وعناصر الكربون، مثل الكربيد، وشبكة الكربون المستوية، والكربونات، وما إلى ذلك.
تصنيف المواد الكربونية
المواد الكربونية تتمتع هذه المواد بتاريخ عريق وتنوع واسع، ويمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات: مواد الكربون التقليدية (الكربون الكلاسيكي)، ومواد الكربون الخاصة (الكربون الخاص)، ومواد الكربون النانوية (الكربون النانوي). يُشار إلى مواد الكربون النانوية ومواد الكربون الخاصة مجتمعةً باسم مواد الكربون الجديدة، كما هو موضح في الشكل أدناه.
الكربون المنشط
الكربون المنشط هو نوع من الكربون مُعالَج خصيصًا ليتمتع ببنية مسامية متطورة ومساحة سطح واسعة. يتميز بقدرة امتصاص عالية ومساحة سطح نوعية عالية. يتميز ببنية مسامية داخلية متطورة، وكثافته الظاهرية منخفضة. يُستخدم الكربون المنشط على نطاق واسع في تنقية المياه، وإزالة الكبريت، ونزع النتروجين، واستعادة المذيبات، والامتصاص الطارئ، وإزالة الزئبق. كما يُستخدم كعامل محفز أو داعم في تحضير الغازات وإصلاحها.
الفوليرين
الفوليرين جزيء أجوف يتكون بالكامل من الكربون. يمكن أن يكون له أشكال كروية، أو إهليلجية، أو أسطوانية، أو أنبوبية. يتميز الفوليرين بخصائص نقل إلكتروني جيدة، ويمكن استخدامه كمادة مستقبلة في الخلايا الشمسية العضوية. يتميز الفوليرين القابل للذوبان في الماء بخصائص أكسدة، ويمكنه إنتاج أشكال مختلفة من أنواع الأكسجين التفاعلية. يُعد الفوليرين مُحسِّسًا ضوئيًا قويًا، حيث يمكنه تحويل الأكسجين ثلاثي الحالة إلى أكسجين نشط أحادي الحالة. يتميز الفوليرين بخصائص مضادة للتجاعيد، ومبيضة، ومضادة للالتهابات، ومُرمِّمة. لا يُسبب أي ضرر يُذكر لجسم الإنسان.
أنابيب الكربون النانوية
أنابيب الكربون النانوية هي مواد نانوية أحادية البعد. تتميز بقوة عالية، وموصلية كهربائية، وموصلية حرارية. تُستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل مركبات الطاقة الجديدة، والمنتجات الرقمية ثلاثية الأبعاد، وأشباه الموصلات، والبنية التحتية للطاقة. يأتي الطلب التجاري الرئيسي على أنابيب الكربون النانوية من بطاريات الليثيوم والبلاستيك الموصل. يأتي أكثر من 80% من هذا الطلب من صناعة بطاريات الليثيوم.
الماس النانوي
الماس النانوي هو مادة ماسية بمقياس النانومتر. يشترك في بعض الخصائص الممتازة مع الماس السائب، مثل مقاومة التآكل والتوصيل الحراري. يُستخدم الماس النانوي عادةً كطلاءات لمواد مثل المعادن والمطاط والبلاستيك والزجاج. كما يُستخدم كمواد تشحيم ومواد طحن دقيقة. استخدم الباحثون الماس النانوي لقمع نمو الشجيرات في بطاريات الليثيوم، مما يضمن استقرار تشغيلها. للماس النانوي تطبيقات واعدة في انبعاث مجال الكاثود البارد، والأقطاب الكهروكيميائية، والنوافذ البصرية، والاتصالات الكمومية، وتوصيل الأدوية.
الكربون المسامي
يتميز الكربون المسامي بأحجام مسام متنوعة. ويمكن فهمه على أنه مادة كربونية ذات تراكيب مسامية متنوعة. يتميز الكربون المسامي بثبات كيميائي عالي، ومقاومة للتآكل الحمضي والقلوي، وموصلية كهربائية عالية. وهو منخفض التكلفة ويُستخدم على نطاق واسع في فصل الغازات، وتنقية المياه، والتحفيز الكيميائي، وتحلية المياه بالطاقة الشمسية الحرارية. كما يُستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي كمواد حماية حرارية مع عزل حراري متكامل ومقاومة.
الجرافين
الجرافين مادة كربونية ثنائية الأبعاد. تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة قرص العسل. وهو العنصر الهيكلي الأساسي لأشكال الكربون الأخرى، مثل الجرافيت والماس وأنابيب الكربون النانوية والفوليرينات. يتميز الجرافين بخصائص بصرية وكهربائية وميكانيكية ممتازة، وله إمكانات هائلة في مجالات مثل علم المواد، ومعالجة النانو الدقيقة، والطاقة، والتطبيقات الطبية الحيوية. يُعتبر الجرافين مادة ثورية للمستقبل.