Grafen

Grafen, jeho výroba, vlastnosti a aplikace v elektronice atd.

Grafen je nejpevnější materiál na Zemi. 300krát pevnější než ocel. List grafenu o ploše jednoho metru čtverečního a tloušťce pouhého jednoho atomu je schopen pojmout předmět o hmotnosti 4 kilogramy. Grafen, stejně jako ubrousek, lze ohýbat, rolovat a natahovat. Papírový ubrousek se vám trhá v rukou. To se s grafenem nestane.

Popis grafenu. Struktura grafenu. Objev grafenu:

Grafen (angl. graphene) je dvourozměrná alotropní forma uhlíku, ve které atomy spojené v hexagonální krystalové mřížce tvoří vrstvu silnou jeden atom. Atomy uhlíku v grafenu jsou navzájem spojeny vazbami sp2. Grafen doslova představuje hmotu, list, látku.

Jméno grafen pochází z „grafitu“ a přípony „-ene“, což odráží skutečnost, že grafitický alotrop uhlíku obsahuje četné dvojné vazby.

Každý atom uhlíku v grafenové fólii je vázán ke svým třem nejbližším sousedům vazbami σ a přispívá jedním elektronem do vodivostního pásu, který se táhne přes celý list. Tyto vodivé pásy dělají z grafenu polokov s neobvyklými elektronickými vlastnostmi.

Grafenové listy se naskládají a vytvoří grafit s mezirovinnou vzdáleností 0,335 nm (3,35 Á).

Perfektní grafen sestává výhradně z šestihranných buněk. Přítomnost pentagonálních a heptagonálních buněk povede k různým typům defektů.

Uhlík má mnoho alotropů. Některé z nich, např. diamant и grafit , jsou známy již dlouhou dobu, zatímco jiné byly objeveny relativně nedávno (před 10-15 lety) – fullereny и uhlíkové nanotrubice . Nutno podotknout, že grafit, známý po mnoho desetiletí, je stoh grafenových plátů, tzn. obsahuje několik grafenových rovin.

Grafen má také odrůdy. Například, dvouvrstvý grafen. Je to typ grafenu tvořený dvěma těsně vedle sebe umístěnými vrstvami grafenu. Vrstvy grafenu jsou umístěny ve vzdálenosti menší než 1 nm od sebe. Elektrony z jedné vrstvy grafenu mohou tunelovat do další vrstvy.

Grafen díky své krystalové struktuře a elektronům ve vazbách sp 2 má jedinečné vlastnosti, které umožňují jeho použití v různých oblastech. Předpokládá se, že grafen může být vynikající náhradou křemíku, zejména v polovodičovém průmyslu, a dalších chemických prvků.

Grafen byl prvním získaným elementárním dvourozměrným krystalem ( dvourozměrný materiál ), ale následně byly získány další materiály, např. plumben , silicenu , fosforen , Germanen atd.

READ
Jak natřít již natřenou dřevěnou podlahu?

Grafen byl přijat dva britští vědci ruského původu, Konstantin Novoselov a Andrey Geim, pracující na univerzitě v Manchesteru. Za „pokročilé experimenty s dvourozměrným materiálem – grafenem“ byli Konstantin Novoselov a Andrei Geim oceněni Nobelovou cenou v roce 2010. K získání grafenu vědci použili improvizované materiály – kus grafitu a obyčejnou pásku. Vědci na lepicí pásku nanesli malé množství grafitu, poté ji nalepili a mnohokrát pásku odlepili, přičemž pokaždé látku oddělili (odloupli) napůl. Vědci tyto akce prováděli, dokud ze vzorku grafitu nezůstala pouze jedna, poslední, průhledná vrstva – grafen, který byl přenesen na substrát. Tato metoda výroby grafenu se nazývá metoda „exfoliace“.

Počet publikací a patentů věnovaných grafenu přesáhl 10 000.

Sloučeniny grafenu:

Na bázi grafenu byly získány nové látky: oxid grafenu, hydrid grafenu (nazývaný grafan) a fluorografen (produkt reakce grafenu s fluorem).

Oxid grafenu je derivátem grafenu. Poměr C:O se pohybuje od 2,1 do 2,9.

Grafan je hydrogenovaný derivát grafenu (hydrogenovaný grafen). Je to dvourozměrný materiál, ve kterém je jeden atom uhlíku vázán na jeden atom vodíku a tři atomy uhlíku. Jeho chemický vzorec (≡CH)n.

Fluorografen (neboli perfluorocarbon, fluorid grafenu) je fluorouhlíkový derivát grafenu. Jeho chemický vzorec je CF1 (1)

Vlastnosti a výhody grafenu:

– grafen je nejpevnější materiál na Zemi. 300krát pevnější než ocel než by byla nejpevnější ocel stejné tloušťky. List grafenu o ploše jednoho metru čtverečního a tloušťce pouhého jednoho atomu je schopen pojmout předmět o hmotnosti 4 kilogramy. Grafen, stejně jako ubrousek, lze ohýbat, rolovat a natahovat. Papírový ubrousek se vám trhá v rukou. To se s grafenem nestane.

Díky dvourozměrné struktuře grafenu se jedná o velmi pružný materiál, což umožní jeho použití například pro tkaní nití a jiných lanových konstrukcí. V tomto případě bude tenké grafenové „lano“ podobné pevnosti jako silné a těžké ocelové lano,

– za určitých podmínek grafen aktivuje další schopnost, která mu v případě poškození umožňuje „zacelovat“ „díry“ v krystalové struktuře,

grafen má vyšší elektrickou vodivost. Grafen nemá prakticky žádný odpor. Grafen má 70krát větší pohyblivost elektronů než křemík. Mobilita grafenových nábojů je tedy více než 1 000 000 cm 2 /V∙s. Rychlost elektronů v grafenu je 10 000 km/s, i když v běžném vodiči je rychlost elektronů asi 100 m/s,

READ
Jak zvýšit pevnost lepidla na dlaždice?

– má vysokou elektrickou kapacitu. Měrná energetická náročnost grafenu se blíží 65 kWh/kg. Toto číslo je 47krát vyšší než u v současnosti tak běžných lithium-iontových baterií.

má vysokou tepelnou vodivost. Je 10krát tepelně vodivější než měď. Jeho tepelná vodivost je asi 5000 W/m∙K,

– vyznačuje se úplnou optickou průhledností. Pohlcuje pouze 2,3 % světla a je opticky transparentní v širokém rozsahu ultrafialového až vzdáleného infračerveného záření.

grafenová fólie propouští molekuly vody a zároveň zadržuje všechny ostatní, což umožňuje její použití jako vodní filtr,

– nejlehčí materiál. 6x lehčí než peříčko

netečnost vůči okolí,

– absorbuje radioaktivní odpad,

díky Brownovu pohybu (tepelným vibracím) atomů uhlíku v grafenové fólii je grafenová vrstva schopna „produkovat“ elektrickou energii,

– je základem pro montáž různých nejen nezávislých dvourozměrných materiálů, ale i vícevrstvých dvourozměrných heterostruktur,

– když slaná voda protéká grafenovou fólií, je tato schopna generovat elektrickou energii přeměnou kinetické energie pohybu proudu slané vody na elektrickou energii (tzv. elektrokinetický efekt),

– grafen je hydrofobní a absolutně neprostupný (kromě vody) materiál pro kapaliny a plyny včetně agresivních sloučenin,

– chemicky neutrální, stabilní a šetrný k životnímu prostředí,

– má vysokou mobilitu nosičů náboje, která se ukazuje jako maximální ze všech známých materiálů (při stejné tloušťce), což z něj činí slibný materiál pro použití v široké škále aplikací, zejména jako budoucí základ pro nanoelektroniku a možnou náhradu křemíku v integrovaných obvodech;

– silně absorbuje světlo všech viditelných vlnových délek, což vysvětluje černou barvu grafitu. Jediný list grafenu je však díky své extrémní tenkosti téměř průhledný;

– inertní vůči kyselinám a zásadám při pokojové teplotě;

– při zmagnetování nemění své elektronické vlastnosti;

– přítomnost příměsí dopantů negativně ovlivňuje elektronické vlastnosti grafenu;

– elektronické vlastnosti grafenu výrazně ovlivňuje nosný substrát;

– má větší schopnost distribuovat rázovou sílu než jakýkoli jiný známý materiál – desetkrát více oceli na jednotku hmotnosti;

– hoří při velmi nízkých teplotách (například 350 °C nebo 620 K);

– má schopnost samočinně opravit díry ve svých listech, když je vystavena molekulám obsahujícím uhlíkJako je uhlovodíky . Bombardovány čistými atomy uhlíku, atomy se dokonale seřadí do šestiúhelníků a zcela vyplňují díry;

READ
Jak zdobit cihlové zdi?

– stále není úplné pochopení plné biokompatibility materiálů na bázi grafenu. Různé buněčné linie reagují odlišně na expozici grafenu;

– účinky grafenu na lidský organismus, zvířata a živé organismy zůstávají relativně neprobádanou oblastí.