Uhlík (chemická značka C, ) je chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organických sloučenin a tím i všech živých organismů na této planetě. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a tak silniční a železniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života, ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. V současné době bylo popsáno přibližně 10 milionů organických sloučenin.http://www.beilstein-journals.org/bjoc/home/home.htmhttp://www.stn-international.com/index.php?id=123
Formy uhlíku
Elementární uhlík Uhlík je typický nekovový chemický prvek, který se v elementárním stavu jako minerál vyskytuje v přírodě ve dvou základních alotropních modifikacích a v posledních přibližně 30 letech byly objeveny v přírodě nebo laboratorně vytvořeny modifikace další:
vlevo|100pxGrafit (tuha) je nejčastější přírodní modifikace uhlíku, jejíž struktura se skládá z vrstev tzv. grafenu, které jsou tvořeny atomy uspořádanými ve vrcholech myšlené šestiúhelníkové sítě. Na každý uhlík jsou kovalentně vázány další tři uhlíky (hybridizace sp2) a společně vytvářejí rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů (π-systém). Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí, tzv. van der Waalsových sil. Této vlastnosti se využívá např. při výrobě tužek, kde mletá tuha tvoří základní složku tyčinky určené pro psaní a kreslení. Grafit vede elektrický proud. Stabilní struktura grafitu je šesterečná (šesterečný grafit, grafit alfa) s totožně umístěnými vrstvami nad a pod vybranou základní vrstvou (struktura ABA, viz obrázek vlevo). V přírodě se v grafitu vyskytuje i příměs (laboratorně lze dosáhnout až asi 40 %) druhé, méně stabilní modifikace – romboedrického grafituRhombohedral graphite. IUPAC Compendium of Chemical Terminology, 5th ed. International Union of Pure and Applied Chemistry; 2025. Online version 5.0.0, 2025. Dostupné online (anglicky) (grafitu beta) s klencovou strukturou, který má každou třetí vrstvu posunutou do mezipoloh předchozích dvou (struktura ABC) a vyznačuje se i některými specifickými elektronickými vlastnostmi.
vlevo|100pxDiamant je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem. Na každý uhlík jsou kovalentně vázány další čtyři uhlíky (hybridizace sp3). Hmotnost diamantů se udává v karátech, největším doposud nalezeným diamantem byl Cullinan, který v surovém stavu při nálezu v JAR dosáhl váhy 3 106 karátů (621,2 gramů). Diamanty se používají pro svou tvrdost a výbornou tepelnou vodivost (až 2300 W·m−1·K−1 při pokojové teplotě a normálním izotopickém složení) v nejrůznějších řezných a vrtných nástrojích. Pro vysokou cenu bývají diamanty vyráběny synteticky.
Diafit je nově používané označení pro modifikaci uhlíku v přechodových nanostrukturách mezi mřížkou diamantu (případně lonsdaleitu) a vhodně orientovanými vrstvami grafitu. Nacházejí se v přírodních materiálech i uměle vytvořených uhlíkových kompozitech a vznikají například při dopadech meteoritů nebo v tlakově-teplotních rázových vlnách při laboratorním ozařování grafitu vysokoenergetickými laserovými pulsy. Přechody mezi doménami s hybridizací sp2 (tvořenými vrstvami grafenu) a sp3 umožňují kombinaci vyhledávaných vlastností – vysoké tvrdosti současně s vysokou lomovou houževnatostí a tažností.
vlevo|100pxLonsdaleit, též zvaný „šesterečný diamant“, je velmi řídce se vyskytující přírodní alotropní modifikací uhlíku. Jeho krystalová struktura je tvořena podobně jako u diamantu atomy uhlíku vázanými jednoduchými kovalentními vazbami se čtyřmi sousedy, krystalová soustava je však šesterečná. Původ přírodního lonsdaleitu je vysvětlován přeměnou grafitu při dopadech meteoritů.
Fcc-uhlík s plošně centrovanými elementárními buňkami (odtud název z angl. face centered cell), někdy považovaný za variantu diamantu, jindy za novou základní alotropní modifikaci uhlíku, se vyznačuje neobvyklým typem vodivosti, kvůli které je řazen do samostatné třídy kvazivalenčních pevných látek. Povaha chemických vazeb předpokládá zápornou elektronovou afinitu a umožňuje očekávat vysokou polarizovatelnost a velmi nízkou tepelnou vodivost. Na potvrzení jeho existence (v r. 2024) se podíleli vědci z ČVUT.
Superdiamant, přesněji uhlík fáze BC8, je předpovězená kubická fáze s prostorově centrovanými elementárními buňkami, která je podobná diamantu, ale má ještě o 30 % vyšší tuhost. Její výskyt je možný jen v exotických podmínkách – studie předpokládá vznik jejích krystalů z podchlazené uhlíkové taveniny při teplotě cca 6000 K a tlacích nad 1200 GPa – čemuž v přírodě odpovídají jádra na uhlík bohatých exoplanet.
Diamondyn (česká forma „diamantyn“ není užívána) je souhrnné označení modifikací se strukturou rozvolněného diamantu, ve kterých je příčka mezi uhlíky ve vrcholech čtyřstěnů s hybridizací sp3 prodloužena přímým řetězcem dvojic uhlíků s hybridizací sp spojených trojnou vazbou (podobně jako v grafynu s takto rozvolněnou strukturou grafenu). V r. 2026 se alotrop s touto teoreticky předpovězenou strukturu podařilo syntetizovat, a to ve velmi porézní formě zvané diamondiyn (česká forma „diamantdiyn“ není užívána) s příčkami čtyř uhlíkových atomů sp mezi uhlíky sp3.
Chaoit (čaoit), též zvaný „bílý uhlík“, je velmi řídce se vyskytující přírodní alotropní modifikace uhlíku, objevená r. 1968. Jeho základní strukturní jednotkou jsou šestihrany tvořené 6 paralelními karbynovými řetězci, zapsatelnými vzorcem −(C≡C)n−. Tento nerost krystalizuje v šesterečné soustavě. Původ je jako u lonsdaleitu vysvětlován přeměnou grafitu při dopadech meteoritů, v jejichž dopadových kráterech se nachází.
vlevo|100pxGrafen je forma uhlíku, kterou tvoří jedna či několik málo vrstev rovinné sítě vzájemně propojených atomů uhlíku uspořádaných do vrcholů myšlené šestiúhelníkové sítě (hybridizace sp2). Jedná se vlastně o strukturní součást grafitu, která si vzhledem ke zvláštním fyzikálním vlastnostem, výborné tepelné vodivosti (přes 4000 W·m−1·K−1 u izotopicky čištěného grafenu) a využitelností pro mnohé elektronické a optické aplikace zasloužila vlastní název i Nobelovu cenu za fyziku v r. 2010 pro své objevitele. Předpokládá se široké uplatnění v nových generacích elektroniky, založených na spintronice. Dvouvrstvý grafen se vzájemně pootočenými vrstvami se vyznačuje exotickými a pro aplikace zajímavými vlastnostmi, které se výrazně mění s úhlem natočení (např. supravodivý stav pro tzv. magický úhel). vlevo|100pxGrafyn je společné označení pro formy uhlíku, kterou tvoří jako u grafenu jedna či několik málo vrstev rovinné sítě vzájemně propojených atomů uhlíku, které však již vzhledem k vloženým lineárním úsekům −C≡C− (hybridizace sp) nejsou uspořádány do tvaru pravidelných šestiúhelníků. Přesto si zachovávají mnohé zvláštní fyzikální vlastnosti. Mohou být takto vytvořeny grafyny různé symetrie, včetně pravoúhelníkové. Úspěšná syntéza grafynu s nejhustší strukturou, tzv. γ-grafynu, byla publikována v r. 2022. Formy grafynu s větší porézností (díky většímu počtu vložených úseků −C≡C−), např. tzv. grafdiyn, by mohly najít využití jako anody nabíjitelných baterií.
Reakcí γ-grafynových vrstev při nízkých teplotách, při které jsou při zachování vrstev eliminovány trojné vazby, byla v r. 2025 vytvořená nová vrstevnatá alotropní modifikace tvořená uhlíkovými atomy s hybridizací sp2, která je odlišná od grafitu a vyznačuje se sníženou až nulovou energetickou šířkou zakázaného pásu. Mohla by umožnit budoucí zhotovení celouhlíkových elektronických čipů s výkonem nedosažitelným současnou křemíkovou technologií.
vlevo|100pxFullereny označují sférické (též elipsoidální či podobného tvaru) molekuly z jedné prostorově uzavřené vrstvy grafenu, tedy sítě uhlíkových atomů uspořádaných do šestiúhelníků, doplněných kvůli prostorovému uzavření dvanácti pětiúhelníky. Tyto molekuly jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. Zatím nejstabilnější známý fulleren je molekula, obsahující 60 uhlíkových atomů. Fullereny se uměle připravují pyrolýzou organických sloučenin laserem. Výskyt přírodních fullerenů ve vesmíru byl prokázán v r. 2010 Spitzerovým teleskopem. Za objev a studium vlastností fullerenů byla v roce 1996 udělena Nobelova cena Robertu F. Curlovi a Richardu E. Smalleymu a Haroldu W. Krotoovi.
vlevo|100pxFullerit se nazývá krystalová struktura tvořená fullereny C60. Ty lze uspořádat více způsoby – fullerit krystalizuje v krychlové soustavě (nad teplotou ~250 K v plošně centrované mřížce, pod teplotou ~220 K v prosté mřížce); uvádí se i soustava čtverečnáFullerit v mineralogické databázi Mindat.org. Výskyt přírodního fulleritu ve vesmíru byl prokázán v r. 2012 Spitzerovým teleskopem.Spitzer finds solid buckyballs in space. PhysOrg, 22. února 2012 (anglicky) Doposud nebyl uznán (v žádné ze svých krystalografických podob) Mezinárodní mineralogickou asociací jako minerál.
Podobně jako je grafen jednovrstvá či několikavrstvá část struktury grafitu se svébytnými vlastnostmi, jednovrstvá resp. několikavrstvá část fulleritu se nazývá grafulleren resp. grafullerit. Jednotky tvořené fullerenem C60 jsou v těchto alotropních modifikacích kovalentně vázány do rovinné struktury a jednotlivé vrstvy pak slabě vázané van der Waalsovými silami. Syntéza byla publikována v r. 2023. Vysoká tepelná vodivost a specifické optoelektrické vlastnosti slibují využitelnost těchto materiálů v technologických aplikacích.
Vzhledem ke slabé molekulové vazbě fullerenových jednotek fullerit nevyniká vysokou tvrdostí, stlačením však lze přetvořit do kompozitu, ve kterém se jednotlivé fulereny kovalentně propojí do amorfní struktury a výsledný materiál získá vysokou tvrdost. Příkladem je tisnumit, vytvořený v r. 1998, schopný rýt diamant.Moskevský fyzikálně-technický institut: How fullerite becomes harder than diamond. Phys.org, 21. březen 2017. Dostupné online (anglicky)
Podobnou objevenou amorfní modifikací jsou tzv. uspořádané amorfní uhlíkové klastry (OACC – z anglického ordered amorphous carbon clusters). Vytváří se z fullerenů C60 (propojených xylenovými molekulami), jejichž struktura je působením vysokého tlaku desítek GPa zborcena do kompaktní a velmi tvrdé amorfní látky, taktéž schopné rýt i diamant. Protože se vytváří při pokojové teplotě, mohla by v průmyslovém využití konkurovat syntetickým diamantům, pro jejichž výrobu jsou nutné teploty kolem 1500 °C.PERKINS Ceri: New form of carbon is so hard it can indent diamond. PhysicsWorld, 16. srpen 2012 (anglicky)