Kuo skiriasi grafenas ir grafitas?

Nepaprastas cheminis elementas, anglis yra tas, kuris patogiai yra 6-oje periodinės cheminių elementų lentelės antrojo periodo keturioliktoje grupėje. Nuo seniausių laikų žmonės žinojo deimantą ir grafitą – dvi iš daugiau nei devynių iki šiol atrastų šio elemento alotropinių modifikacijų. Beje, būtent anglis turi didžiausią, palyginti su kitomis medžiagomis, šiuolaikiniam mokslui žinomų alotropinių modifikacijų skaičių.

Allotropija reiškia galimybę gamtoje egzistuoti tas pats cheminis elementas dviejų ar daugiau paprastų medžiagų, vadinamųjų alotropinių formų arba alotropinių modifikacijų, pavidalu, dėl kurių šios medžiagos skiriasi tiek struktūra, tiek savybėmis. Taigi, anglis turi 8 tokias pagrindines formas: deimantas, grafitas, lonsdaleitas, fullerenai (C60, C540 ir C70), amorfinė anglis ir vienasienis nanovamzdelis.

Tarp šių anglies formų yra visiškai skirtingų savybių ir charakterio: minkštos ir kietos, skaidrios ir nepermatomos, pigios ir brangios medžiagos. Tačiau palyginkime dvi panašias anglies modifikacijas – grafitą ir grafeną.

Mes visi esame susipažinę su graffiti nuo mokyklos laikų.Paprasto pieštuko švinas yra tiksliai grafitas. Liečiant yra gana minkštas, slidus ir riebus, kristalai plokšteliniai, atomų sluoksniai išsidėstę vienas virš kito, todėl trinant, pavyzdžiui, ant popieriaus, lengvai nusilupa atskiri sluoksniuotos kristalinės grafito struktūros dribsniai. , palikdamas būdingą tamsų pėdsaką ant popieriaus.

Grafitas gerai praleidžia elektros srovę, jo varža vidutiniškai yra 11 omų * mm2 / m, tačiau grafito laidumas nėra vienodas dėl natūralios jo kristalų anizotropijos. Taigi laidumas išilgai kristalo plokštumų yra šimtus kartų didesnis nei laidumas šiose plokštumose. Grafito tankis yra nuo 2,08 iki 2,23 g / cm3.

Gamtoje grafitas susidaro aukštoje temperatūroje magminėse ir vulkaninėse uolienose, skarnuose ir pegmatituose. Jis atsiranda kvarco venose su mineralais hidroterminėse vidutinės temperatūros polimetalinėse nuosėdose. Jis plačiai paplitęs metamorfinėse uolienose.

Taigi, nuo 1907 metų didžiausios pasaulyje natūralaus dribsnio grafito atsargos buvo sukurtos Madagaskaro saloje. Salą sudaro ikikambro metamorfinės uolienos, kylančios į paviršių kalnuotoje vietovėje su 4000–4600 pėdų hipsometriniais ženklais. Grafitas čia randamas 400 mylių ilgio juostoje ir dominuoja kalnuose rytinėje salos centro dalyje.

Grafenas, skirtingai nei grafitas, neturi tūrinės kristalinės struktūros; jame yra dvimatė šešiakampė kristalinė gardelė, kurios storis tik vienas atomas. Esant tokiai alotropinei modifikacijai, anglis visiškai neatsiranda natūraliai, tačiau teoriškai ją galima gauti dirbtinai. Galima sakyti, kad plokštuma, sąmoningai atskirta nuo daugiasluoksnės masinės grafito kristalinės struktūros, bus būtent šis grafenas.

Iš pradžių mokslininkams nepavyko gauti grafeno paprastos dvimatės plėvelės pavidalu dėl šios formos materijos nestabilumo. Tačiau ant silicio oksido substrato (dėl ryšio su dielektriniu sluoksniu) vis tiek pavyko gauti vieno atomo storio grafeną: 2004 metais rusų mokslininkai Andrejus Geimas ir Konstantinas Novoselovas iš Mančesterio universiteto paskelbė pranešimą žurnale Science. apie grafeno gavimą tokiu būdu.

Ir ir šiandien tokie paprasti grafeno gavimo metodai tyrimams, kaip anglies monosluoksnio mechaninis šveitimas iš birių grafito kristalų naudojant lipnią juostą (ir panašiais būdais), yra pateisinami.

Tyrėjai mano, kad dėl jų pažangos greitai atsiras nauja grafeno pagrindu pagamintos nanoelektronikos klasė, kurioje lauko tranzistoriai bus mažesni nei 10 nm storio. Faktas yra tas, kad elektronų mobilumas grafene yra toks didelis (10 000 cm2 / V * s), kad šiandien atrodo perspektyviausia įprastinio silicio alternatyva.

Didelis nešlio mobilumas – tai elektronų ir skylių gebėjimas itin greitai reaguoti į taikomų elektrinių laukų poveikį, o tai itin svarbu lauko tranzistoriams – pagrindiniam šiuolaikinės elektronikos veikimo blokui.

Taip pat yra perspektyvų sukurti įvairius biologinius ir cheminius jutiklius, taip pat plonas plėveles fotovoltiniams įrenginiams ir jutikliniams ekranams. Nepaisant viso to, grafeno šilumos laidumas yra 10 kartų didesnis nei vario, o elektronikai šis kriterijus visada labai svarbus.