Grafen je nanomateriál složený pouze z uhlíku, ve kterém se atomy spojují dohromady a vytvářejí hexagonální struktury.
Je to nejlepší známý krystal a díky svým vlastnostem je velmi žádoucí. Tento materiál je lehký, vodivý z elektřiny, tuhý a vodotěsný.
Použitelnost grafenu je v několika oblastech. Nejznámější jsou: stavební konstrukce, energetika, telekomunikace, medicína a elektronika.
Od té doby, co byl objeven, zůstal grafen středem zájmu výzkumu. Studium žádostí o tento materiál mobilizuje instituce a investice v milionech eur. Vědci z celého světa se tedy stále snaží vyvinout levnější způsob, jak jej vyrábět ve velkém měřítku.
Pochopení toho, co je grafen
Grafen je alotropní forma uhlíku, kde uspořádání atomů tohoto prvku tvoří tenkou vrstvu.
Tento allotrope je dvourozměrný, to znamená, že má pouze dvě měření: šířku a výšku.
Pro představu o velikosti tohoto materiálu odpovídá tloušťka listu papíru superpozici 3 milionů vrstev grafenu.
Ačkoli se jedná o nejtenčí materiál izolovaný a identifikovaný člověkem, jeho rozměr je v řádu nanometrů. Je lehký a silný, schopný vést elektřinu lépe než kovy, jako je měď a křemík.
Uspořádání, které atomy uhlíku předpokládají ve struktuře grafenu, dělá v něm velmi zajímavé a žádoucí vlastnosti.
Aplikace grafenu
Mnoho společností a výzkumných skupin po celém světě publikuje výsledky prací zahrnujících aplikace pro grafen. Níže uvádíme hlavní.
| Pitná voda | Membrány formované grafenem jsou schopné odsolovat a čistit mořskou vodu. |
|---|---|
| Emise CO2 | Grafenové filtry jsou schopné snížit emise CO2 separací plynů vytvářených průmyslovými podniky a podniky, které budou odmítnuty. |
| detekce nemoci | Mnohem rychlejší biomedicínské senzory jsou založeny na grafenu a mohou detekovat nemoci, viry a další toxiny. |
| Konstrukce | Stavební materiály, jako je beton a hliník, jsou díky přidání grafenu lehčí a pevnější. |
| Krása | Barvení vlasů nastříkáním grafenu, jehož doba trvání by byla přibližně 30 praní. |
| Mikrozařízení | Čipy ještě menší a silnější díky nahrazení křemíku grafenem. |
| Energie | Solární články mají díky použití grafenu lepší flexibilitu, větší transparentnost a nižší výrobní náklady. |
| Elektronika | Baterie s lepším a rychlejším ukládáním energie se mohou dobít až za 15 minut. |
| Mobilita | Kola mohou mít pevnější pneumatiky a rámy o hmotnosti 350 gramů pomocí grafenu. |
Struktura grafenu
Struktura grafenu je tvořena sítí uhlíků spojených v šestiúhelnících.
Uhlíkové jádro je tvořeno 6 protony a 6 neutrony. 6 elektronů atomu je distribuováno ve dvou vrstvách.
Na valenční vrstva existují 4 elektrony, s touto skořápkou až 8. Aby tedy uhlík získal stabilitu, musí provést 4 spojení a dosáhnout elektronické konfigurace vzácného plynu, jak je uvedeno v pravidle oktetu.
Atomy v grafenové vazbě kovalentní vazby, tj. existuje sdílení elektronů.
Vazby uhlík-uhlík jsou nejsilnější vazby v přírodě a každý uhlík se spojuje s dalšími 3 ve struktuře. Proto je hybridizace atomu sp2, což odpovídá 2 jednoduchým a jedné dvojné vazbě.
Ze 4 uhlíkových elektronů jsou tři sdílené se sousedními atomy a jeden, který tvoří vazbu. , pomáhá například grafenu být dobrým vodičem elektřiny, protože má v materiálu více „svobody“.
Vlastnosti grafenu
| Světlo | Čtvereční metr váží pouhých 0,77 miligramů. Grafenový aerogel je asi 12krát lehčí než vzduch. |
|---|---|
| Flexibilní | Může se rozšířit až na 25% své délky. |
| Dirigent | Jeho proudová hustota je vyšší než měď. |
| Odolný | Roztahuje se za chladu a smršťuje se za tepla. Většina látek působí opačně. |
| Voděodolný | Síť tvořená uhlíky neumožňuje ani průchod atomu helia. |
| Odolný | Asi 200krát silnější než ocel. |
| Průsvitný | Absorbuje pouze 2,3% světla. |
| Tenký | Milionkrát tenčí než lidský vlas. Jeho tloušťka je pouze jeden atom. |
| Tvrdý | Nejtvrdší známý materiál, ještě víc než diamant. |
Historie a objev grafenu
Termín grafen byl poprvé použit v roce 1987, ale byl oficiálně uznán až v roce 1994 União de Química Pure and Applied.
Toto označení vzniklo na křižovatce grafit s příponou -ene, odkazující na dvojnou vazbu látky.
Od padesátých let minulého století hovořil Linus Pauling ve svých třídách o existenci tenké vrstvy uhlíku složené ze šestiúhelníkových prstenců. Philip Russell Wallace také popsal některé důležité vlastnosti této struktury před lety.
Teprve nedávno, v roce 2004, byl grafen izolován fyziky Andre Geim a Konstantin Novoselov na univerzitě v Manchesteru a lze jej hluboce znát.
Studovali grafit a pomocí techniky mechanické exfoliace se jim podařilo izolovat vrstvu materiálu pomocí lepicí pásky. Tento úspěch udělil dvojici v roce 2010 Nobelovu cenu.
Důležitost grafenu pro Brazílii
Brazílie má jednu z největších zásob přírodního grafitu, materiálu, který obsahuje grafen. Grafitové přírodní rezervy dosahují 45% z celkového počtu na světě.
Ačkoli je výskyt grafitu pozorován na celém brazilském území, využívané zásoby se nacházejí v Minas Gerais, Ceará a Bahia.
S bohatou surovinou také Brazílie investuje do výzkumu v této oblasti. První laboratoř v Latinské Americe zaměřená na výzkum grafenu se nachází v Brazílii na Universidade Presbiteriana Mackenzie v São Paulu, která se jmenuje MackGraphe.
Výroba grafenu
Grafen lze připravit z karbidu, uhlovodíku, uhlíkové nanotrubice a grafitu. Posledně jmenovaný je nejpoužívanější jako výchozí materiál.
Hlavní metody výroby grafenu jsou:
- Mechanická mikroexfoliace: Grafitový krystal má vrstvy grafenu odstraněné pomocí pásky, které jsou naneseny na substráty obsahující oxid křemičitý.
- Chemická mikroexfoliace: uhlíkové vazby jsou oslabeny přidáním činidel, což částečně rozbíjí síť.
- chemická depozice par: tvorba grafenových vrstev uložených na pevných nosičích, jako je povrch kovového niklu.
Cena grafenu
Obtížnost syntézy grafenu v průmyslovém měřítku znamená, že hodnota tohoto materiálu je stále velmi vysoká.
Ve srovnání s grafitem je jeho cena tisíckrát vyšší. Zatímco 1 kg grafitu se prodává za 1 dolar, 150 g grafenu se prodává za 15 000 dolarů.
Zajímavosti o grafenu
- Projekt Evropské unie, pojmenovaný Vlajková loď grafenu, vyčlenilo přibližně 1,3 miliardy eur na výzkum související s grafenem, aplikacemi a vývojem výroby v průmyslovém měřítku. Na tomto projektu se podílí asi 150 institucí ve 23 zemích.
- První kufr vyvinutý pro cestování vesmírem má ve svém složení grafen. Jeho spuštění je naplánováno na rok 2033, kdy NASA plánuje uskutečnit expedice na Mars.
- Borofen je novým konkurentem grafenu. Tento materiál byl objeven v roce 2015 a je považován za vylepšenou verzi grafenu, který je ještě pružnější, odolnější a vodivější.
Grafen v Enem
V testu Enem 2018 jedna z otázek Přírodní vědy a jejich technologie bylo o grafenu. Zkontrolujte níže komentované řešení tohoto problému.
Grafen je alotropická forma uhlíku skládající se z rovinné vrstvy (dvourozměrného pole) zhutněných atomů uhlíku, které jsou silné pouze jednoho atomu. Jeho struktura je šestihranná, jak je znázorněno na obrázku.
V tomto uspořádání mají atomy uhlíku hybridizaci
a) sp lineární geometrie.
b) sp2 rovinné trigonální geometrie.
c) sp3 střídal se sp-hybridizovanými uhlíky lineární geometrie.
d) sp3d rovinné geometrie.
e) sp3d2 s šestihrannou rovinnou geometrií.
správná alternativa: b) sp2 rovinné trigonální geometrie.
K uhlíkové alotropii dochází kvůli její schopnosti tvořit různé jednoduché látky.
Vzhledem k tomu, že má 4 elektrony ve valenčním plášti, je uhlík čtyřmocný, to znamená, že má tendenci vytvářet 4 kovalentní vazby. Tyto vazby mohou být jednoduché, dvojité nebo trojité.
V závislosti na vazbách, které uhlík vytváří, se prostorová struktura molekuly mění v uspořádání, které nejlépe pojme atomy.
K hybridizaci dochází, když existuje kombinace orbitalů a pro uhlík to může být: sp, sp2 a sp3, v závislosti na typu volání.
Počet hybridních orbitalů je součtem sigma (σ) vazeb, které uhlík vytváří, protože vazba nehybridizuje.
- sp: 2 sigma odkazy
- sp2: 3 sigma odkazy
- sp3: 4 sigma odkazy
Znázornění alotropu grafenu v koulích a tyčkách, jak je znázorněno na obrázku v otázce, neprokazuje skutečné vazby látky.
Podíváme-li se však na část obrazu, zjistíme, že existuje jeden uhlík, představující kouli, spojující se se třemi dalšími uhlíky, které tvoří strukturu jako trojúhelník.
Pokud uhlík potřebuje 4 vazby a je vázán na 3 další uhlíky, pak je jedna z těchto vazeb dvojnásobná.
Protože má grafen jednu dvojnou a dvě jednoduché vazby, má sp hybridizaci2 a následně trigonální rovinnou geometrii.
Další známé alotropní formy uhlíku jsou: grafit, diamant, fulleren a nanotrubice. Ačkoli jsou všechny alotropy vyrobeny z uhlíku, mají odlišné vlastnosti, vyplývající z jejich různých struktur.
Přečtěte si také: Chemistry in Enem a Chemické otázky v Enem.
