Uhlík se v přírodní formě vyskytuje na Zemi v podobě diamantu a tuhy, které stojí na opačných pólech stupnice tvrdosti.
Tvrdost je odpor minerálu vůči vniknutí cizího tělesa bez vzniku lomu. Závisí na pevnosti vazeb v krystalové struktuře, je výrazně ovlivňována poruchami v krystalové mřížce. Pro určení tvrdosti v běžné praxi používáme Mohsovu stupnici tvrdosti (mastek, sůl kamenná, kalcit, fluorit, apatit, ortoklas/živec, křemen, topas, korund a diamant). Tato stupnice je jen orientační (poměrná, nikoli absolutní). Určování stupně tvrdosti nerostu provádíme tak, že hrotem nerostu, který je zařazen ve stupnici, rýpeme do plochy zkoumaného nerostu. Sledujeme, zda v nerostu byla nebo nebyla zanechána stopa. Z výsledku pak můžeme posoudit tvrdost zkoumaného minerálu.
Novou formou krystalického uhlíku je Q-uhlík, který je tvrdší a jasnější než přírodní diamanty. Navíc při dodání malého množství energie září díky vyletujícím elektronům. Q-uhlík má řadu unikátních vlastností. Vzniká z amorfního uhlíku, kterým je potažen substrát ze safírového plátku. Uhlík je pak vystaven laserovému pulzu trvajícímu 200 ns. Během pulsu se teplota zvýší na 3727 °C a pak se prudce sníží. To vše probíhá za atmosférického tlaku. Změnou substrátu nebo vlnové délky laseru docílili vědci vzniku Q-uhlíku s různou mikrostrukturou.
Fullereny představují třetí krystalickou formu uhlíku, která se skládá z kulovitých molekul C60 uspořádaných do kubické plošně centrované (při teplotě 250 K) nebo do prosté kubické mřížky (při teplotě 220 K). Poprvé byly klastry (shluky) C60 pozorovány v roce 1985 v parách uvolněných z grafitu ohřívaného pulsním laserem. Poté se ukázalo, že tvar klastru je typu ikosaedru, který má kulovitý tvar, jehož povrch je tvořen 20 šestiúhelníky a 12 pětiúhelníky, které mají v rozích atomy uhlíku. V roce 1990 se Krätschmerovi podařilo rozpustit páry uhlíku obsahující klastry C60 v benzenu, který původně bezbarvý se zbarvil do červena. Tak vznikla možnost připravit krystalický C60. Molekuly C60 získaly jméno podle podoby s projekty architekta Buckminstera Fullera – fullereny. Sloučeniny C60 s dalšími prvky se označují jako fullerity. Zajímavou vlastností některých fulleritů je supravodivost. Existují i klastry s jiným počtem atomů uhlíku, např. C70, který má tvar podobný ragbyovému míči.
Fulleren C60.
Zdroj: commons.wikimedia.ogr. Under Creative Commons.
Grafen je tvořený jedinou nebo maximálně dvěma vrstvami atomů uhlíku uspořádaných do pravidelné šestiúhelníkové struktury. Jeho tloušťka je milionkrát menší než lidský vlas. Grafen je materiál s velkou pevností, pružností, ohebností, elektrickou vodivostí, dokonalou průhledností a kromě toho dokáže efektivněji pohlcovat kinetickou energii než ocel. Dvouvrstvová struktura grafenu se chová jako polovodič, který může být ovládán elektrických polem. IBM v roce 2008 zkonstruovala tranzistor z grafenu. Za přípravu grafenu a realizaci řady pokusů v roce 2004 byli o šest let později oceněni Nobelovou cenou za fyziku André Geim a Konstantin Novoselov, oba ruského původu pracující v Manchesteru. Metoda, kterou k získání grafenu použili se jmenuje exfoliace a není to nic jiného než strhávání tenkých grafitových vrstev pomocí obyčejné lepící pásky. O grafenu se ale ve vědeckých kruzích mluvilo už dřív. Linus Pauling a Philip Russell Wallace už ve 40. letech teoreticky předpověděli jeho existenci.
Struktura grafenu.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Grafen má velké technické uplatnění. Čínští vědci z Univerzity aeronautiky a astronautiky v Nankingu zjistili, že působením mořské vody a grafenu je možné vyrábět elektrický proud. Pokud je souvislá kapička mořské vody tažená rovnoběžně s rovinou grafenu, pak při jejím pohybu dochází i k pohybu iontů, které obsahuje. To vyvolá elektrostatickou nerovnováhu a s tím spojené měřitelné elektrické napětí. To je ale velmi malé (0,3 V). S dalším použitím grafenu přišli američtí vědci z Univerzity of Michigan. Vyvinuli miniaturní multispektrální infračervený detektor světla vyrobený ze dvou vrstev grafenu oddělených izolující vrstvou, který je tak malý, že je možné jej umístit na kontaktní čočku. Detektor funguje i jako termovize a dokáže zachytit tepelné záření. V americké Národní laboratoři Oak Ridge zjistili, jak s pomocí porézní membrány z grafenu odsolit mořskou vodu. Porézní membránou totiž projdou jen molekuly vody. A proč ještě není všechno okolo nás vyrobeno z grafenu? Důvodem je jeho astronomická cena – v roce 2008 vyšel centimetr čtvereční na stotisíc dolarů. Od té doby s vývojem nových technologií jeho cena klesá.
Uhlíková nanopěna vznikla poté, co v australské národní laboratoři v Cambeře vystavili uhlíkový terčík v argonové atmosféře působení výkonného laserového pulsního systému. Nanopěna má překvapivě feromagnetické vlastnosti. Nanopěna existuje při nižších teplotách. Při pokojové teplově efekt nanopěny mizí. Uvažuje se o využití nanopěny v medicíně.
