Aký je rozdiel medzi grafénom a grafitom?
Pozoruhodný chemický prvok, uhlík, je ten, ktorý sa pohodlne nachádza na čísle 6 v štrnástej skupine druhej periódy periodickej tabuľky chemických prvkov. Od staroveku ľudia poznali diamant a grafit, dve z viac ako deviatich doteraz objavených alotropných modifikácií tohto prvku. Mimochodom, práve uhlík má v porovnaní s inými látkami najväčší počet alotropných modifikácií známych modernej vede.
Alotropia znamená možnosť existencie toho istého chemického prvku v prírode vo forme dvoch alebo viacerých jednoduchých látok, takzvaných alotropných foriem alebo alotropných modifikácií, ktoré spôsobujú rozdiely v týchto látkach tak v štruktúre, ako aj vo vlastnostiach. Takže uhlík má 8 takýchto základných foriem: diamant, grafit, lonsdaleit, fullerény (C60, C540 a C70), amorfný uhlík a jednostenné nanorúrky.
Medzi týmito formami uhlíka sú úplne odlišné vlastnosti a charakter: mäkké a tvrdé, priehľadné a nepriehľadné, lacné a drahé látky. Porovnajme však dve podobné modifikácie uhlíka — grafit a grafén.
Všetci poznáme graffiti už zo školy.Tuha obyčajnej ceruzky je presne grafitová. Na dotyk je dosť mäkký, klzký a mastný, kryštály sú doštičky, vrstvy atómov sú umiestnené nad sebou, preto sa pri trení napríklad o papier ľahko odlupujú jednotlivé lupienky vrstvenej kryštálovej štruktúry grafitu , pričom na papieri zanecháva charakteristickú tmavú stopu.
Grafit dobre vedie elektrický prúd, jeho odpor je v priemere 11 Ohm * mm2 / m, ale vodivosť grafitu nie je rovnaká kvôli prirodzenej anizotropii jeho kryštálov. Vodivosť pozdĺž rovin kryštálu je teda stokrát vyššia ako vodivosť v týchto rovinách. Hustota grafitu je od 2,08 do 2,23 g / cm3.
V prírode sa grafit tvorí pri vysokých teplotách vo vyvrelých a vulkanických horninách, v skarnoch a pegmatitoch. Vyskytuje sa v kremenných žilách s minerálmi v hydrotermálnych strednoteplotných polymetalických ložiskách. Je široko rozšírený v metamorfovaných horninách.
Od roku 1907 sa tak na ostrove Madagaskar vytvorili najväčšie svetové zásoby prírodného vločkového grafitu. Ostrov pozostáva z prekambrických metamorfovaných hornín, ktoré vystupujú na povrch v horskom teréne s hypsometrickými značkami 4 000 – 4 600 stôp. Grafit sa tu nachádza v páse dlhom 400 míľ a dominuje horám vo východnej časti stredu ostrova.
Grafén, na rozdiel od grafitu, nemá objemnú kryštálovú štruktúru; má dvojrozmernú hexagonálnu kryštálovú mriežku s hrúbkou iba jedného atómu. V takejto alotropickej modifikácii sa uhlík prirodzene vôbec nevyskytuje, ale dá sa teoreticky získať umelo. Môžeme povedať, že rovina zámerne oddelená od viacvrstvovej objemovej kryštálovej štruktúry grafitu bude práve tento grafén.
Vedci spočiatku nedokázali získať grafén vo forme jednoduchého dvojrozmerného filmu, kvôli nestabilite hmoty v tejto forme. Na substráte z oxidu kremičitého (kvôli väzbe s dielektrickou vrstvou) však bolo stále možné získať grafén s hrúbkou jedného atómu: v roku 2004 ruskí vedci Andrey Geim a Konstantin Novoselov z Univerzity v Manchestri uverejnili správu v časopise Science o získavaní grafénu týmto spôsobom.
A aj dnes sú také jednoduché metódy získavania grafénu pre výskum, ako je mechanické odlupovanie uhlíkovej monovrstvy z objemného grafitového kryštálu pomocou lepiacej pásky (a podobné metódy), opodstatnené.
Vedci veria, že vďaka ich pokroku sa čoskoro objaví nová trieda nanoelektroniky na báze grafénu, kde tranzistory s efektom poľa budú mať hrúbku menšiu ako 10 nm. Faktom je, že mobilita elektrónov v graféne je taká vysoká (10 000 cm2 / V * s), že sa dnes javí ako najsľubnejšia alternatíva konvenčného kremíka.
Vysoká mobilita nosiča je schopnosť elektrónov a dier extrémne rýchlo reagovať na účinok aplikovaných elektrických polí, a to je mimoriadne dôležité pre tranzistory s efektom poľa, základnú operačnú jednotku modernej elektroniky.
Perspektívami je aj vytvorenie rôznych biologických a chemických senzorov, ako aj tenkých vrstiev pre fotovoltaické zariadenia a dotykové obrazovky. Napriek tomu všetkému je tepelná vodivosť grafénu 10-krát vyššia ako tepelná vodivosť medi a toto kritérium je pre elektroniku vždy veľmi dôležité.