Ποια είναι η διαφορά μεταξύ γραφενίου και γραφίτη;

Ένα αξιοσημείωτο χημικό στοιχείο, ο άνθρακας είναι αυτό που βρίσκεται βολικά στο νούμερο 6 στη δέκατη τέταρτη ομάδα της δεύτερης περιόδου του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων. Από την αρχαιότητα, οι άνθρωποι γνώριζαν το διαμάντι και τον γραφίτη, δύο από τις περισσότερες από εννέα αλλοτροπικές τροποποιήσεις αυτού του στοιχείου που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι τώρα. Παρεμπιπτόντως, είναι ο άνθρακας που έχει τον μεγαλύτερο, σε σύγκριση με άλλες ουσίες, αριθμό αλλοτροπικών τροποποιήσεων που είναι γνωστές στη σύγχρονη επιστήμη.

Η αλλοτροπία υποδηλώνει τη δυνατότητα ύπαρξης στη φύση του ίδιου χημικού στοιχείου με τη μορφή δύο ή περισσότερων απλών ουσιών, των λεγόμενων αλλοτροπικών μορφών ή αλλοτροπικών τροποποιήσεων, που προκαλούν διαφορές σε αυτές τις ουσίες τόσο στη δομή όσο και στις ιδιότητες. Άρα, ο άνθρακας έχει 8 τέτοιες βασικές μορφές: διαμάντι, γραφίτης, λονσδαλεΐτης, φουλλερένια (C60, C540 και C70), άμορφος άνθρακας και νανοσωλήνας μονού τοιχώματος.

Μεταξύ αυτών των μορφών άνθρακα υπάρχουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες και χαρακτήρας: μαλακές και σκληρές, διαφανείς και αδιαφανείς, φθηνές και ακριβές ουσίες. Ωστόσο, ας συγκρίνουμε δύο παρόμοιες τροποποιήσεις άνθρακα - γραφίτη και γραφένιο.

Όλοι γνωρίζουμε τα γκράφιτι από το σχολείο.Το προβάδισμα ενός συνηθισμένου μολυβιού είναι ακριβώς ο γραφίτης. Είναι αρκετά μαλακό, ολισθηρό και λιπαρό στην αφή, οι κρύσταλλοι είναι πλάκες, τα στρώματα των ατόμων βρίσκονται το ένα πάνω από το άλλο, επομένως όταν τρίβετε, για παράδειγμα, σε χαρτί, μεμονωμένες νιφάδες της στρωματοποιημένης κρυσταλλικής δομής του γραφίτη ξεφλουδίζονται εύκολα , αφήνοντας ένα χαρακτηριστικό σκοτεινό ίχνος στο χαρτί.

Ο γραφίτης μεταφέρει καλά το ηλεκτρικό ρεύμα, η αντίστασή του είναι κατά μέσο όρο 11 Ohm * mm2 / m, αλλά η αγωγιμότητα του γραφίτη δεν είναι η ίδια λόγω της φυσικής ανισοτροπίας των κρυστάλλων του. Έτσι, η αγωγιμότητα κατά μήκος των επιπέδων του κρυστάλλου είναι εκατοντάδες φορές υψηλότερη από την αγωγιμότητα σε αυτά τα επίπεδα. Η πυκνότητα του γραφίτη είναι από 2,08 έως 2,23 g / cm3.

Στη φύση, ο γραφίτης σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες σε πυριγενή και ηφαιστειακά πετρώματα, σε skarns και πηγματίτες. Εμφανίζεται σε φλέβες χαλαζία με ορυκτά σε υδροθερμικές ενδιάμεσες θερμοκρασίες πολυμεταλλικών κοιτασμάτων. Είναι ευρέως διαδεδομένο σε μεταμορφωμένα πετρώματα.

Έτσι, από το 1907, στο νησί της Μαδαγασκάρης έχουν αναπτυχθεί τα μεγαλύτερα αποθέματα φυσικού γραφίτη σε νιφάδες στον κόσμο. Το νησί αποτελείται από προκάμβρια μεταμορφωμένα πετρώματα που υψώνονται στην επιφάνεια σε ορεινό έδαφος με υψομετρικά σημάδια 4.000-4.600 ποδιών. Ο γραφίτης βρίσκεται εδώ σε μια ζώνη μήκους 400 μιλίων και δεσπόζει στα βουνά στο ανατολικό τμήμα του κέντρου του νησιού.

Το γραφένιο, σε αντίθεση με τον γραφίτη, δεν έχει ογκώδη κρυσταλλική δομή. Διαθέτει ένα δισδιάστατο εξαγωνικό κρυσταλλικό πλέγμα, πάχους μόνο ενός ατόμου. Σε μια τέτοια αλλοτροπική τροποποίηση, ο άνθρακας δεν εμφανίζεται καθόλου φυσικά, αλλά μπορεί θεωρητικά να ληφθεί τεχνητά. Μπορούμε να πούμε ότι ένα επίπεδο που σκόπιμα διαχωρίζεται από την πολυστρωματική χύδην κρυσταλλική δομή του γραφίτη θα είναι αυτό ακριβώς το γραφένιο.

Οι επιστήμονες αρχικά δεν μπόρεσαν να αποκτήσουν γραφένιο με τη μορφή ενός απλού δισδιάστατου φιλμ, λόγω της αστάθειας της ύλης σε αυτή τη μορφή. Ωστόσο, σε ένα υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου (λόγω του δεσμού με το διηλεκτρικό στρώμα) ήταν ακόμα δυνατό να ληφθεί γραφένιο πάχους ενός ατόμου: το 2004, οι Ρώσοι επιστήμονες Andrey Geim και Konstantin Novoselov από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ δημοσίευσαν μια έκθεση στο Science για την απόκτηση γραφενίου με αυτόν τον τρόπο.

Και ακόμη και σήμερα, τέτοιες απλές μέθοδοι απόκτησης γραφενίου για έρευνα, όπως η μηχανική απολέπιση μιας μονοστιβάδας άνθρακα από ένα χύμα κρύσταλλο γραφίτη χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία (και παρόμοιες μεθόδους), είναι δικαιολογημένες.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι χάρη στην πρόοδό τους, σύντομα θα εμφανιστεί μια νέα κατηγορία νανοηλεκτρονικών με βάση το γραφένιο, όπου τα τρανζίστορ πεδίου θα έχουν πάχος μικρότερο από 10 nm. Το γεγονός είναι ότι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων στο γραφένιο είναι τόσο υψηλή (10.000 cm2 / V * s) που φαίνεται να είναι η πιο πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στο συμβατικό πυρίτιο σήμερα.

Η υψηλή κινητικότητα φορέα είναι η ικανότητα των ηλεκτρονίων και των οπών να ανταποκρίνονται εξαιρετικά γρήγορα στην επίδραση των εφαρμοζόμενων ηλεκτρικών πεδίων, και αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, τη βασική μονάδα λειτουργίας της σύγχρονης ηλεκτρονικής.

Υπάρχουν επίσης προοπτικές για τη δημιουργία διαφόρων βιολογικών και χημικών αισθητήρων, καθώς και λεπτών μεμβρανών για φωτοβολταϊκές συσκευές και οθόνες αφής. Παρ' όλα αυτά, η θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου είναι 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλκού και αυτό το κριτήριο είναι πάντα πολύ σημαντικό για τα ηλεκτρονικά.