Ze struktur węglowych, których makrocząsteczki zbudowane prawie wyłącznie z atomów węgla zaliczamy:

• grafen;
• fulereny;
• włókna węglowe;
• nanorurki;
• pochodne karbinu.

Według klasycznej definicji wyłącznie pochodne karbinu nazwać można polimerami. Zostaną jednak omówione także pozostałe struktury węglowe z uwagi na ich właściwości i zastosowania, które stawiają je w jednym szeregu z polimerami.

Włókno węglowe

Włókno węglowe (włókno karbonizowane ; ang. carbon fibre, CF) jest to włókno składające się praktycznie w całości z rozciągniętych struktur węglowych, pochodna grafitu. Otrzymuje się je przez pirolizę poliakrylonitrylu, czyli ogrzewanie do temperatury \( 600^°C \), a następnie \( 1300^°C \). Rys. 1 przedstawia strukturę wstążki węglowej – włókna z pozostałymi na brzegach atomami azotu.

Właściwości

• mała gęstość (rzędu 1,6 \( \frac{g}{cm^3} \));
• wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł Younga;
• wysoka wytrzymałość zmęczeniowa oraz wytrzymałość na pełzanie;
• dobrze tłumią drgania, bardzo odporne na ścieranie, mają również dużą stabilność wymiarową;
• mała przewodność cieplna w niskich temperaturach;
• odporne na nagłe zmiany temperatury oraz działanie wielu ośrodków chemicznych;
• dobra przewodność elektryczna.

Zastosowanie

• elementy samolotów poddanych dużemu obciążeniu: stateczniki, skrzydła, hamulce aerodynamiczne, części kadłuba, łopatki wirników śmigłowców;
• konstrukcja zbiorników ciśnieniowych oraz dysz silników rakietowych;
• kompozyty o dobrym przewodnictwie elektrycznym – lekkie, niemagnetyczne przewodniki prądu do odprowadzania elektryczności statycznej, ekranowanie pól elektromagnetycznych.

Nanorurki węglowe

Nanorurki węglowe (ang. carbon nano tubes, CNT) to cylindryczne molekuły, składające się ze zwiniętych arkuszy jednowarstwowych atomów węgla – grafenu. Mogą być jednościenne o średnicy mniejszej niż 1 nanometr (nm) lub wielościenne, składające się z kilku połączonych koncentrycznie nanorurek o średnicy sięgającej ponad 100 nm. Ich długość może osiągać kilka mikrometrów, a nawet milimetrów [1]. Rys. 2 przedstawia dwa typy nanorurek węglowych.

Nanorurki węglowe produkowane są za pomocą wyładowań łukowych, laserowej ablacji grafitu i chemicznego osadzania par (CVD).

Właściwości

• mechaniczna wytrzymałość na rozciąganie nawet 400 razy wyższa niż stali;
• gęstość sześciokrotnie mniejsza niż stali ( \( 1,3 - 1,4 \frac{g}{cm^3} \));
• przewodność cieplna lepsza niż diamentu;
• średnica od ok. 1 nm do 100 nm;
• stabilne chemicznie, niezwykle odporne na korozję;
• puste wnętrze, które można wypełnić innymi nanomateriałami, oddzielając je i osłaniając od otaczającego środowiska.

Zastosowanie

• wyroby sportowe (ramy rowerowe, rakiety tenisowe, kije hokejowe, kije i piłki golfowe, narty, kajaki; strzałki sportowe);
• żeglarstwo (maszty, kadłuby i inne części łodzi żaglowych);
• tekstylia antystatyczne i przewodzące prąd, kamizelki kuloodporne, tekstylia wodoodporne i trudnopalne;
• motoryzacja, aeronautyka i przestrzeń kosmiczna – kompozyty konstrukcyjne;
• inżynieria przemysłowa – powłoki łopat wirników turbin wiatrowych, ramiona robotów przemysłowych;
• ekranowanie przed ładunkami elektrostatycznymi oraz przed promieniowaniem za pomocą nanopianek i aerożeli na bazie CNT;
• nanoatrament stosowany w elektronice drukowanej, jak przezroczyste elektrody;
• znaczniki RFID (Radio-frequency identification) – systemy (zdalnej) identyfikacji radiowej, tranzystory cienkowarstwowe, urządzenia emitujące światło i ogniwa słoneczne;
• rusztowania w inżynierii tkanki kostnej i tworzenia kości, nośniki leków.

Karbin

Liniowy łańcuch atomów węgla o hybrydyzacji sp; przyjmuje się, że co drugie wiązanie jest potrójne lub wszystkie są podwójne.

(1)

(2)

Karbin został zsyntezowany w 2016 r. [2], lecz już wcześniej przewidziano jego właściwości.
Karbin przewyższa każdy inny znany materiał, w tym diament, dzięki swoim wyjątkowym właściwościom mechanicznym, takim jak sztywność właściwa, wytrzymałość i moduł sprężystości. Wykazuje również wysoką przewodność cieplną, znacznie przewyższającą grafen. Ze względu na wysoką reaktywność chemiczną węgla, synteza długiego karbinu jest niezwykle trudna przy użyciu konwencjonalnych technik, takich jak metoda wyładowania łukowego, ablacja laserowa oraz synteza elektrochemiczna i powierzchniowa. Najlepszym środowiskiem do wzrostu liniowych łańcuchów węglowych jest wewnętrzna przestrzeń nanorurek węglowych.

Właściwości

Zastosowanie

• gąbki do przechowywania wodoru;
• czujniki gazu;
• cięcie metali;
• wiele innych potencjalnych zastosowań.

Pojedyncze nitki karbinu mogą się splątywać, jak nici DNA, istnieje więc hipotetyczne zastosowanie tego materiału w produkcji sztucznych tkanek, czy sztucznych połączeń nerwowych [3].
Rys. 3 przedstawia sposób splątania pojedynczych nici karbinu w strukturę podobną do struktury DNA.