Grafenas — kas tai yra? Savybės, privalumai ir pritaikymai

Grafenas – kas tai? Atraskite 2D anglies savybes, privalumus ir pritaikymus: nuo nanotechnologijų ir elektronikos iki superkondensatorių ir pažangios medžiagų inžinerijos.

Grafenas yra viena iš anglies formų. Kaip ir deimantai bei grafitas, anglies formos (arba alotropai) turi skirtingas kristalines struktūras, o tai lemia skirtingas jų savybes. Grafenas yra pagrindinė 2D (dvimatė) forma iš daugelio 3D alotropų, tokių kaip grafitas, anglis, fulerenas ir anglies nanovamzdeliai.

Terminą grafenas, kaip grafito ir priesagos "-enas" derinį, sukūrė Hannsas-Peteris Boehmas, 1962 m. aprašęs viensluoksnes anglies folijas. Grafenas - tai tarsi korio korys arba "vištos vielos" struktūra, sudaryta iš anglies atomų ir jų ryšių. Grafitas - tai daug grafeno lakštų, sudėtų vienas ant kito.

Trys milijonai grafeno lakštų, sudėtų į grafitą, būtų tik vieno milimetro storio.

2010 m. Nobelio fizikos premija paskirta serui Andre Geimui ir serui Konstantinui Novoselovui "už novatoriškus eksperimentus, susijusius su dvimatės medžiagos grafenu".

Grafenas superkondensatoriai yra vienas iš galimų pritaikymo būdų.

Kas yra grafenas ir jo pagrindinė struktūra

Grafenas yra vientisas viensluoksnis anglies atomų tinklas, išsidėstęs heksagonine (šešiakampių) tvarka — dažnai lyginamas su bičių koriu. Vieno grafeno sluoksnio storis atitinka vos vieno atomo skersmenį (~0,335 nm tarp sluoksnių grafite), todėl jis priskiriamas prie 2D medžiagų.

Pagrindinės fizikinės ir cheminės savybės

• Mechaninės savybės: labai didelis tvirtumas ir elastingumas — Youngo modulis ≈ 1 terapaskalis (TPa), tempimo stipris iki ~130 GPa (idealiomis sąlygomis).
• Elektrinės savybės: puiki laidumo savybė; grafenas elgiasi kaip pusimetalis su Dirac’o konusais energijos spektre, o nešėjų mobilumas gali būti labai aukštas (eksperimentuose — iki dešimčių ar šimtų tūkstančių cm2/V·s užtikrintuose bandiniuose).
• Šiluminės savybės: itin didelis šilumos laidumas — vertės ribojasi keliais tūkstančiais W/m·K (eksperimentinės reikšmės skiriasi priklausomai nuo mėginio ir sąlygų).
• Optinės savybės: vienas grafeno sluoksnis yra labai skaidrus — sugeria apie 2,3 % matomos šviesos (t. y. praleidžia ~97,7 %), todėl tinka skaidrioms laidžioms plėvelėms.
• Paviršiaus plotas: labai didelis specifinis paviršiaus plotas (~2630 m2/g teorinė vertė), kas svarbu energijos kaupimo bei katalizės pritaikymams.
• Cheminis aktyvumas: grynas grafenas yra cheminiu požiūriu gana inertiškas, tačiau jo paviršius galima funkcionalizuoti pridedant chemines grupes arba defektus.

Gamybos metodai

Yra keli pagrindiniai grafeno gavimo būdai, skirtingi pagal mastą, kokybę ir kainą:

• Mechaninė eksfoliacija („lipniosios juostos“ metodas) — istorinis ir laboratorijose populiarus metodas, leidžiantis gauti itin kokybišką vieno sluoksnio grafeną, bet neefektyvus pramoniniam mastui.
• Chemikalinė garų nusodinimo (CVD) ant metalinių katalizatorių (pvz., vario) — plačiai naudojamas industrijoje, leidžia paruošti didelio ploto lakštus tinkamus elektronikai ir plėvelėms.
• Epitelinis augimas ant SiC — aukštos temperatūros apdorojimas, kai grafenas susidaro iš anglies turinčio SiC paviršiaus.
• Skystos fazės eksfoliacija ir grafeno oksido redukcija — tinka didesnei gamybai ir kompozitams; gaunami lakštai dažnai turi daugiau defektų arba oksiduotas paviršiaus grupes.

Pritaikymai ir galimi naudojimo būdai

Grafeno unikalios savybės atveria daugybę potencialių pritaikymų. Pavyzdžiui:

• Elektronika: greiti tranzistoriai, laidūs ryšio takai, atominio sluoksnio jutikliai ir lanksčios elektronikos komponentai.
• Energija: superkondensatoriai, akumuliatorių ir superkondensatorių elektrodai, katalizatorių palaikymo medžiagos ir elektrodų dangos dėl didelio paviršiaus ploto ir laidumo.
• Kompozitai: polimerų, metalų ar keramikos matrikse pridėtas grafenas gali žymiai pagerinti mechanines ir elektrines savybes.
• Sensoriai: cheminiai ir biologiniai jutikliai, jautrūs mažoms koncentracijoms dėl didelio paviršiaus ir spartos signalui perduoti.
• Membranos ir filtrai: vandens valymas, jūros vandens desalinacija ir dujų atskyrimas naudojant tiksliai sukonstruotus porėtus grafeno sluoksnius.
• Medicinos pritaikymai: biosensorika, vaistų pristatymas ir biomedicininės dangos (reikalauja kruopštaus toksikologinio vertinimo).
• Optoelektronika ir šviesą praleidžiančios plėvelės: skaidrios laidžios plėvelės ekranams ar saulės elementams.
• EMI ekranavimas ir terminės dangos: dėl geros elektrinės ir šiluminės laidumo grafenas tinka elektromagnetinio trukdžių slopinimui ir šilumos valdymui.

Privalumai ir iššūkiai

Privalumai: išskirtinis santykis tarp mechaninių, elektrinių ir cheminių savybių, plonumas, lankstumas ir didelis specifinis paviršiaus plotas daro grafeną labai universalia medžiaga.

Iššūkiai: pagrindinės kliūtys — mastelio problemos (kaip pigiai ir patikimai gaminti didelius, defektų neturinčius lakštus), sunkumai su bandgapo įvedimu (grynas grafenas neturi natūralaus didelio energetinio tarpo, kas riboja jo tiesioginį naudojimą klasikinėse skaitmeninėse tranzistoriaus grandinėse), bei integracijos su esamomis gamybos technologijomis sudėtingumas. Taip pat svarbūs tolimesni tyrimai dėl ilgalaikio stabilumo ir funkcionalizacijos metodų.

Sveikata ir aplinka

Nors grafeno technologijos siūlo daug privalumų, būtina atidžiai vertinti saugumą: nanoskaidrės gali turėti nepageidaujamą poveikį aplinkai ar sveikatai, todėl reikalingi standartai, atliekų tvarkymas ir toksikologiniai tyrimai prieš plačiai diegiant naujus produktus.

Trumpai apie istoriją ir ateitį

Grafenas sulaukė didelio dėmesio po to, kai XX a. pabaigoje ir XXI a. pradžioje buvo įrodytos praktinės jo įsigijimo ir tyrinėjimo galimybės, o 2010 m. Nobelio premija įvardijo šios srities proveržį. Ateityje tikimasi, kad geresni gamybos metodai, heterostruktūros su kitomis dvimatėmis medžiagomis (pvz., h-BN, MoS2) ir naujos funkcionalizacijos technikos padidins grafeno pritaikomumą pramonėje.

Išvada: grafenas yra išskirtinė anglies alotropo forma, kurios unikalios mechaninės, elektrinės ir optinės savybės atveria plačias pritaikymo galimybes — nuo elektronikos iki energetikos ir medžiagų mokslo. Tačiau praktiniai pritaikymai priklausys nuo gebėjimo spręsti gamybos, integracijos ir saugos klausimus.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra grafenas?

K: Kaip grafenas susijęs su grafitu?

K: Kas sukūrė terminą "grafenas"?

K: Už ką seras Andre Geimas ir seras Konstantinas Novoselovas 2010 m. gavo Nobelio fizikos premiją?

K: Kokios yra grafeno panaudojimo galimybės?

K.: Kokių dar formų arba alotropų, be grafeno, turi anglis?

Paieška pagal raidę