Carbonio vitreo

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Crogioli in carbonio vitreo.

Il carbonio vitreo (o carbonio vetroso) è un carbone non grafitico che combina le proprietà del vetro e della ceramica con quelle della grafite.

Le proprietà più importanti sono la resistenza ad alte temperature, l'elevata resistenza ad agenti chimici e l'impermeabilità a gas e liquidi. Il carbonio vitreo è largamente usato come materiale per elettrodi in elettrochimica, così come crogiuolo per alte temperature e come componente nella realizzazione di protesi.

Produzione[modifica | modifica sorgente]

Il carbonio vitreo fu per la prima volta prodotto nei laboratori della Compagnia Elettrica Generale del Regno Unito nei primi anni '60 usando cellulosa come materiale di partenza. Poco tempo dopo in Giappone fu prodotto un materiale simile da resine fenoliche. La preparazione del carbonio vitreo sottopone i precursori organici a una serie di trattamenti termici a temperature superiori ai 3000 °C. Tale materiale fu a lungo sotto investigazione per componenti per sistemi di detonazione nucleare e alcuni brevetti che proteggevano il materiale furono rescissi (per interessi di sicurezza nazionale) negli anni '60

Struttura[modifica | modifica sorgente]

La struttura del carbonio vitreo è stato a lungo materia di dibattito. I primi modelli dal punto di vista elettronico assumevano che entrambi gli stati di legame sp2 e sp3 fossero presenti, ma è adesso maggiormente ritenuto che il carbonio vitreo è completamente a configurazione sp2. Più recenti ricerche hanno suggerito che tale materiale abbia una struttura relazionata con il fullerene[1]. Dal punto di vista strutturale il carbonio vitreo presenta una forma a nastri intrecciati come mostrato in figura al lato.

Struttura a nastri intrecciati, la più accreditata per il carbonio vitreo

Il carbonio vitreo non va confuso con il carbonio amorfo come dichiara la IUPAC: "il carbonio con caratteristiche vitree non può essere descritto come carbonio amorfo in quanto consiste in un elemento a struttura bidimensionale e non esibisce legami mancanti. Esso è soggetto a fratture concoidali".

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Vista del carbonio vitro al MET.

Il carbonio vitreo presenta una resistenza ad alte temperature sotto gas vuoto o gas protettivi fino a 3000 °C, una estrema resistenza alla corrosione e impermeabilità a gas e liquidi, nessuna bagnatura nella fusione, elevata durezza e rigidità, bassa densità, alta qualità di superficie, bassa espansione termica, elevata resistenza a termoshock, buona conduttività elettrica, isotropia delle caratteristiche fisiche e chimiche e biocompatibilità.

Modello della microstruttura del carbonio vitreo.

La ripresa qui accanto al microscopio elettronico a trasmissione (MET) mostra cristalli grafitici, che circondano piccoli pori dall'ampiezza di 1nm. Il MET ritrae solo piani grafitici che si trovano orientati nella direzione del fascio di elettroni.

Il modello a sinistra illustra la microstruttura del carbonio vitreo. Le connessioni cosistono in grafite cristallina con strati delle dimensioni di 4-10 fogli grafitici. Diverso il caso del carbone attivo i pori non sono legati l'un l'altro, per cui questo materiale non presenta porosità o la diffusione delle dimensioni dei pori chiusi è limitata. Sono, dopo la lavorazione, intorno 1 e 5 nm. Macroscopicamente il carbonio vitreo appare isotropo. Il modello chiarisce la scarsa densità rispetto alla grafite, l'elevata durezza e rigidità e l'isotropia del materiale.

La lavorazione meccanica è possibile solo con arnesi metallici molto duri (P10) e macchine senza gioco, ma la lavorazione con dischi taglienti rotanti al contrario è impossibile.

Proprietà elettrochimiche[modifica | modifica sorgente]

Un elettrodo fatto di carbonio vitreo (GCE) in soluzione acquosa è ritenuto un elettrodo inerte per la riduzione dello ione ossonio[2]:

H3O+(aq) + e-  \rm \stackrel{GCE} {\rightleftharpoons} H\cdot(aq)   Eo = −2.10 V verso a 25 °C

Reazione comparabile su platino:

H3O+(aq) + Pt(s) + e-  \rightleftharpoons Pt:H(s)   Eo = 0.000 V verso NHE a 25 °C

La differenza di 2.1 V è attribuita alle proprietà del platino nel formare un legamo covalente Pt-H.[2]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Fullerene-related structure of commercial glassy carbons, P.J.F. Harris, 2003.
  2. ^ a b D.T. Sawyer, A.Sobkowiak, J.L. Roberts Jr., "Electrochemistry for Chemists, Second Edition", John Wiley & Sons, Inc., 1995.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]