Кратко и по сути — сравнение типов связи и как они определяют макроскопические свойства.
1) Алмаз
- Тип связи: каждое C — в состоянии ${\text{sp}}^3$, четыре прочных сигма‑связи в тетраэдрической 3D‑сети.
- Электронная структура: широкая запрещённая зона $\approx 5.5\text{eV}$ → электронный изолятор.
- Макроскопические следствия: очень высокая твёрдость и прочность (Vickers $\sim 70-150\text{GPa}$), высокая теплопроводность (\(\kappa \sim 2000\ \text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)), прозрачность в видимом диапазоне, высокая плотность \(\rho \approx 3.51\ \text{g·cm}^{-3}\), нет пластической слоистости (ломается кристаллически по благородным плоскостям).
2) Графит
- Тип связи: каждое C — ${\text{sp}}^2$; три сигма‑связи формируют плоские шестиугольные слои, оставшийся p_z даёт делокализованную $\pi$‑сеть внутри слоёв. Между слоями — слабые ван‑дер‑Ваальсовы взаимодействия.
- Электронная структура: полуметаллическое/полосное перекрытие в плоскостях → хорошая электрическая проводимость в плоскости, слабая по нормали. Приблизительная проводимость в плоскости \(\sigma \sim 10^4\ \text{S·m}^{-1}\) (порядок величины).
- Макроскопические следствия: слоистая структура даёт лёгкое расслоение и смазочные свойства, низкая твёрдость в направлении сдвига, анизотропные свойства (тепло- и электропроводность сильно выше вдоль слоёв), тёмный/чёрный цвет, плотность \(\rho \approx 2.2\ \text{g·cm}^{-3}\).
3) Аморфный углерод (a‑C, включая ta‑C, DLC и т.п.)
- Тип связи: смесь ${\text{sp}}^2$ и ${\text{sp}}^3$ в беспорядочной сети; доля ${\text{sp}}^3$ может сильно варьировать (например, ta‑C: высокая доля ${\text{sp}}^3$, типично $\sim 70-90\%$). Наличие незаполненных (dangling) связей и кластеров ${\text{sp}}^2$.
- Электронная структура: локализованные состояния, узкая или отсутствующая строгая запрещённая зона; проводимость и оптические свойства зависят от фракции ${\text{sp}}^2$ (чем больше ${\text{sp}}^2$ — тем больше проводимость и оптическое поглощение). Примеры: оптический интервал у ta‑C может быть $\sim 1-2\text{eV}$.
- Макроскопические следствия: диапазон свойств от мягкого, пористого/поглощающего углерода до очень твёрдых покрытий (твёрдость ta‑C может достигать десятков гигапаскалей, порядка $\sim 20-80\text{GPa}$), плотность меняется с ${\text{sp}}^3$ (примерно \(\rho \sim 1.8\!-\!3.2\ \text{g·cm}^{-3}\)), электроизоляция или полупроводящее/полупроводящее поведение в зависимости от состава, значительная вариабельность и чувствительность к содержанию водорода.
Ключевые связи между микроструктурой и свойствами (коротко):
- Наличие трёхмерной сети прочных $\sigma$‑связей (${\text{sp}}^3$) → высокая твёрдость, высокая теплопроводность, изоляция (алмаз).
- Плоская ${\text{sp}}^2$‑сеть с делокализованными $\pi$‑электронами → высокая проводимость в плоскости, слоистость и лёгкое расслоение (графит).
- Смешанная и беспорядочная структура (${\text{sp}}^2$/${\text{sp}}^3$) → промежуточные и настраиваемые свойства (аморфный углерод).
Если нужно, могу привести диаграмму зависимости твёрдости/плотности/проводимости от доли ${\text{sp}}^3$ в аморфном углероде.