Пиролитический углерод — это материал, похожий на графит , но с некоторой ковалентной связью между графеновыми слоями из-за несовершенств его производства.
Пиролитический углерод является искусственным веществом и, как полагают, не встречается в природе. [1] Обычно его получают путем нагревания углеводорода почти до температуры его разложения и кристаллизации графита ( пиролиз ).
Одним из методов является нагревание синтетических волокон в вакууме с получением углеродных волокон .
Он используется в высокотемпературных приложениях, таких как носовые обтекатели ракет , ракетные двигатели, тепловые экраны, лабораторные печи, в армированном графитом пластике , покрытии частиц ядерного топлива и в биомедицинских протезах .
Образцы пиролитического графита обычно имеют одну плоскость спайности , подобно слюде , поскольку графеновые листы кристаллизуются в плоскостном порядке, в отличие от [ необходимо разъяснение ] пиролитического углерода, который образует микроскопические хаотично ориентированные зоны. Из-за этого пиролитический графит проявляет несколько необычных анизотропных свойств. Он более теплопроводен вдоль плоскости спайности, чем пиролитический углерод, что делает его одним из лучших доступных планарных теплопроводников.
Пиролитический графит образует мозаичные кристаллы с контролируемой мозаичностью до нескольких градусов.
Пиролитический графит также более диамагнитен ( χ = −4×10 −4 ) по отношению к плоскости спайности, демонстрируя наибольший диамагнетизм (по весу) среди всех диамагнетиков при комнатной температуре. Для сравнения [ сомнительно – обсудить ] , пиролитический графит имеет относительную проницаемость 0,9996, тогда как висмут имеет относительную проницаемость 0,9998 ( таблица ).
Немногие материалы можно заставить устойчиво левитировать над магнитным полем постоянного магнита. Хотя магнитное отталкивание очевидно и легко достигается между любыми двумя магнитами, форма поля заставляет верхний магнит отталкиваться вбок, а не оставаться поддерживаемым, делая устойчивую левитацию невозможной для магнитных объектов (см. теорему Ирншоу ). Однако сильно диамагнитные материалы могут левитировать над мощными магнитами.
Благодаря доступности редкоземельных постоянных магнитов, разработанных в 1970-х и 1980-х годах, сильный диамагнетизм пиролитического графита делает его удобным демонстрационным материалом для этого эффекта.
В 2012 году исследовательская группа в Японии продемонстрировала, что пиролитический графит может реагировать на лазерный свет или достаточно мощный естественный солнечный свет, вращаясь или перемещаясь в направлении градиента поля. [2] [3] Магнитная восприимчивость углерода ослабевает при достаточном освещении, что приводит к несбалансированному намагничиванию материала и перемещению при использовании определенной геометрии.
Недавно было высказано предположение, что пиролитический углерод может быть объяснением загадочных «спиц» в кольцах Сатурна. Из-за процесса химического осаждения из паровой фазы метановый газ при высоких температурах (1400 К) мог быть преобразован в пиролитический углерод. Обильные силикаты в кольце B Сатурна могли выступать в качестве субстрата для осаждения пиролитического углерода. Поскольку пиролитический углерод является высокодиамагнитным, зерна силиката, покрытые пиролитическим углеродом, могут левитировать выше и ниже плоскости кольца из-за экваториального магнитного поля Сатурна. Когда солнечный свет попадает на эти зерна, покрытые пиролитическим углеродом, они теряют электроны из-за фотоэлектрического эффекта и становятся парамагнитными и притягиваются обратно к основной кольцевой структуре, поскольку теперь они притягиваются экваториальным магнитным полем Сатурна. Видимость «спиц» зависит от угла падения солнечного света на кольца и угла, под которым наблюдатель наблюдает за кольцами. (Ссылка https://arxiv.org/abs/2303.07197).
Поскольку на нем не образуются сгустки крови, часто рекомендуется выстилать протез, контактирующий с кровью, этим материалом, чтобы снизить риск тромбоза . Например, он находит применение в искусственных сердцах и искусственных сердечных клапанах . Стенты кровеносных сосудов , напротив, часто выстилаются полимером, имеющим гепарин в качестве боковой группы, полагаясь на действие препарата для предотвращения свертывания. Это, по крайней мере, отчасти из-за хрупкости пиролитического углерода и большого количества постоянной деформации , которую стент претерпевает во время расширения.
Пиролитический углерод также используется в медицине для покрытия анатомически правильных ортопедических имплантатов, также известных как заменители суставов . В этом применении он в настоящее время продается под названием «PyroCarbon». Эти имплантаты были одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США для использования в кисти для замены пястно-фаланговых (суставных) суставов. Их производят две компании: Tornier (BioProfile) и Ascension Orthopedics. [6] 23 сентября 2011 года Integra LifeSciences приобрела Ascension Orthopedics. Пиролитические углеродные имплантаты компании использовались для лечения пациентов с различными формами остеоартрита. [7] [8] В январе 2021 года Integra LifeSciences продала свою ортопедическую компанию Smith+Nephew за 240 миллионов долларов. [9]
FDA также одобрило замену межфаланговых суставов PyroCarbon в рамках исключения из гуманитарного списка устройств . [10]