Mitä eroa on grafeenilla ja grafiitilla?

Merkittävä kemiallinen alkuaine, hiili on sellainen, joka istuu kätevästi numerossa 6 kemiallisten alkuaineiden jaksollisen taulukon toisen jakson neljäntenätoista ryhmässä. Muinaisista ajoista lähtien ihmiset ovat tunteneet timantin ja grafiitin, kaksi tämän alkuaineen tähän mennessä löydetyistä yli yhdeksästä allotrooppisesta modifikaatiosta. Muuten, juuri hiilellä on muihin aineisiin verrattuna suurin modernin tieteen tuntema määrä allotrooppisia modifikaatioita.

Allotropia tarkoittaa saman kemiallisen alkuaineen olemassaoloa luonnossa kahden tai useamman yksinkertaisen aineen muodossa, ns. allotrooppisissa muodoissa tai allotrooppisissa modifikaatioissa, jotka aiheuttavat eroja näissä aineissa sekä rakenteessa että ominaisuuksissa. Joten hiilellä on 8 tällaista perusmuotoa: timantti, grafiitti, lonsdaleiitti, fullereenit (C60, C540 ja C70), amorfinen hiili ja yksiseinämäinen nanoputki.

Näillä hiilen muodoilla on täysin erilaisia ​​ominaisuuksia ja luonnetta: pehmeä ja kova, läpinäkyvä ja läpinäkymätön, halpoja ja kalliita aineita. Verrataan kuitenkin kahta samanlaista hiilen muunnelmaa - grafiittia ja grafeenia.

Graffiti on meille kaikille tuttu koulusta asti.Tavallisen kynän lyijykynä on täsmälleen grafiittia. Se on kosketettaessa melko pehmeää, liukasta ja rasvaista, kiteet ovat levyjä, atomikerrokset sijaitsevat toistensa päällä, joten esimerkiksi paperille hankattaessa grafiitin kerrostetun kiderakenteen yksittäiset hiutaleet irtoavat helposti. jättäen paperille tyypillisen tumman jäljen.

Grafiitti johtaa sähkövirtaa hyvin, sen resistanssi on keskimäärin 11 ohm * mm2 / m, mutta grafiitin johtavuus ei ole sama johtuen sen kiteiden luonnollisesta anisotropiasta. Näin ollen johtavuus pitkin kiteen tasoja on satoja kertoja suurempi kuin johtavuus näissä tasoissa. Grafiitin tiheys on 2,08 - 2,23 g / cm3.

Luonnossa grafiittia muodostuu korkeissa lämpötiloissa magmaisissa ja vulkaanisissa kivissä, skarneissa ja pegmatiiteissa. Sitä esiintyy kvartsilaskimoissa mineraalien kanssa keskilämpötilan hydrotermisissä polymetalliesiintymissä. Se on laajalti levinnyt metamorfisissa kivissä.

Vuodesta 1907 lähtien Madagaskarin saarella on siis kehitetty maailman suurimmat luonnonhiutalegrafiittivarat. Saari koostuu Prekambrian metamorfisista kivistä, jotka nousevat pintaan vuoristoisessa maastossa, jonka hypsometriset merkit ovat 4000-4600 jalkaa. Grafiitti löytyy täältä 400 mailia pitkästä vyöstä ja hallitsee vuoria saaren keskustan itäosassa.

Grafeenilla, toisin kuin grafiitilla, ei ole bulkkikiderakennetta; siinä on kaksiulotteinen kuusikulmainen kidehila, vain yhden atomin paksuus. Tällaisessa allotrooppisessa modifikaatiossa hiiltä ei esiinny luonnossa ollenkaan, vaan se voidaan teoriassa saada keinotekoisesti. Voimme sanoa, että grafiitin monikerroksisesta bulkkikiderakenteesta tarkoituksella erotettu taso on juuri tätä grafeenia.

Tutkijat eivät alun perin pystyneet saamaan grafeenia yksinkertaisen kaksiulotteisen kalvon muodossa aineen epävakauden vuoksi tässä muodossa. Piioksidisubstraatille (johtuen sidoksesta dielektrisen kerroksen kanssa) oli kuitenkin mahdollista saada yhden atomin paksuinen grafeeni: vuonna 2004 venäläiset tutkijat Andrey Geim ja Konstantin Novoselov Manchesterin yliopistosta julkaisivat raportin Science-lehdessä. grafeenin saamiseksi tällä tavalla.

Ja vielä nykyäänkin tällaiset yksinkertaiset menetelmät grafeenin saamiseksi tutkimusta varten, kuten hiilimonokerroksen mekaaninen kuorinta massagrafiittikiteestä teipillä (ja vastaavilla menetelmillä), ovat perusteltuja.

Tutkijat uskovat, että edistymisensä ansiosta pian syntyy uusi grafeenipohjaisen nanoelektroniikan luokka, jossa kenttätransistorit ovat alle 10 nm paksuja. Tosiasia on, että elektronien liikkuvuus grafeenissa on niin suuri (10 000 cm2 / V * s), että se näyttää olevan lupaavimpi vaihtoehto tavanomaiselle piille nykyään.

Suuri kantoaaltoliikkuvuus on elektronien ja reikien kykyä reagoida erittäin nopeasti käytettyjen sähkökenttien vaikutukseen, ja tämä on erittäin tärkeää kenttätransistoreille, nykyaikaisen elektroniikan perustoimintayksikölle.

Mahdollisuuksia on myös luoda erilaisia ​​biologisia ja kemiallisia antureita sekä ohuita kalvoja aurinkosähkölaitteisiin ja kosketusnäyttöihin. Kaikesta tästä huolimatta grafeenin lämmönjohtavuus on 10 kertaa suurempi kuin kuparin, ja tämä kriteeri on aina erittäin tärkeä elektroniikassa.