Το Graphene είναι ένα νανοϋλικό αποτελούμενο μόνο από άνθρακα, στο οποίο τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας εξαγωνικές δομές.
Είναι ο καλύτερος κρύσταλλος γνωστός και οι ιδιότητές του το καθιστούν ιδιαίτερα επιθυμητό. Αυτό το υλικό είναι ελαφρύ, αγώγιμο της ηλεκτρικής ενέργειας, άκαμπτο και αδιάβροχο.
Η δυνατότητα εφαρμογής του γραφενίου είναι σε πολλές περιοχές. Τα πιο γνωστά είναι: πολιτικές κατασκευές, ενέργεια, τηλεπικοινωνίες, ιατρική και ηλεκτρονικά.
Από τότε που ανακαλύφθηκε, το γραφένιο παρέμεινε το κέντρο ερευνητικού ενδιαφέροντος. Η μελέτη εφαρμογών για αυτό το υλικό κινητοποιεί ιδρύματα και επενδύσεις εκατομμυρίων ευρώ. Έτσι, επιστήμονες σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να αναπτύξουν έναν φθηνότερο τρόπο παραγωγής του σε μεγάλη κλίμακα.
Κατανόηση του τι είναι το γραφένιο
Το γραφένιο είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα, όπου η διάταξη των ατόμων αυτού του στοιχείου σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα.
Αυτό το αλλοτρόπο είναι δισδιάστατο, δηλαδή έχει μόνο δύο μετρήσεις: πλάτος και ύψος.
Για να πάρετε μια ιδέα για το μέγεθος αυτού του υλικού, το πάχος ενός φύλλου χαρτιού αντιστοιχεί στην υπέρθεση 3 εκατομμυρίων στρώσεων γραφενίου.
Αν και είναι το λεπτότερο υλικό που έχει απομονωθεί και αναγνωριστεί από τον άνθρωπο, η διάστασή του είναι της τάξης των νανόμετρων. Είναι ελαφρύ και δυνατό, ικανό να αποδίδει ηλεκτρική ενέργεια καλύτερα από μέταλλα όπως ο χαλκός και το πυρίτιο.
Η διάταξη που τα άτομα άνθρακα αναλαμβάνουν στη δομή του γραφενίου, καθιστά πολύ ενδιαφέροντα και επιθυμητά χαρακτηριστικά μπορούν να βρεθούν σε αυτήν.
Εφαρμογές Graphene
Πολλές εταιρείες και ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο δημοσιεύουν αποτελέσματα εργασίας που περιλαμβάνουν εφαρμογές για γραφένιο. Δείτε παρακάτω τα κύρια.
| Πόσιμο νερό | Οι μεμβράνες που σχηματίζονται από γραφένιο μπορούν να αφαλατώσουν και να καθαρίσουν το θαλασσινό νερό. |
|---|---|
| Εκπομπές CO2 | Τα φίλτρα γραφενίου μπορούν να μειώσουν τις εκπομπές CO2 διαχωρίζοντας τα αέρια που παράγονται από βιομηχανίες και επιχειρήσεις που θα απορριφθούν. |
| ανίχνευση ασθενειών | Οι πολύ ταχύτεροι βιοϊατρικοί αισθητήρες βασίζονται στο γραφένιο και μπορούν να ανιχνεύσουν ασθένειες, ιούς και άλλες τοξίνες. |
| Κατασκευή | Τα δομικά υλικά όπως το σκυρόδεμα και το αλουμίνιο είναι ελαφρύτερα και ισχυρότερα με την προσθήκη γραφενίου. |
| Ομορφιά | Χρωματισμός μαλλιών με ψεκασμό γραφενίου, η διάρκεια του οποίου θα ήταν περίπου 30 πλύσεις. |
| Μικροεφαρμογές | Τα τσιπ είναι ακόμη μικρότερα και ισχυρότερα λόγω της αντικατάστασης του πυριτίου από γραφένιο. |
| Ενέργεια | Τα ηλιακά κύτταρα έχουν καλύτερη ευελιξία, μεγαλύτερη διαφάνεια και χαμηλότερο κόστος παραγωγής με τη χρήση γραφενίου. |
| ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ | Οι μπαταρίες με καλύτερη και ταχύτερη αποθήκευση ενέργειας μπορούν να επαναφορτιστούν σε έως και 15 λεπτά. |
| Κινητικότητα | Τα ποδήλατα μπορούν να έχουν πιο σφικτά ελαστικά και πλαίσια βάρους 350 γραμμαρίων με χρήση γραφενίου. |
Δομή γραφενίου
Η δομή του γραφενίου αποτελείται από ένα δίκτυο άνθρακα συνδεδεμένων σε εξάγωνα.
Ο πυρήνας του άνθρακα αποτελείται από 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια. Τα 6 ηλεκτρόνια του ατόμου κατανέμονται σε δύο στρώσεις.
Στο στρώμα σθένους υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια, με αυτό το κέλυφος να κρατάει έως και 8. Επομένως, για να αποκτήσει ο άνθρακας σταθερότητα, πρέπει να κάνει 4 συνδέσεις και να φτάσει στην ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ευγενούς αερίου, όπως αναφέρεται στον κανόνα οκτάδας.
Τα άτομα σε γραφένιο δεσμό από ομοιοπολικούς δεσμούς, δηλαδή, υπάρχει η κατανομή των ηλεκτρονίων.
Οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα είναι οι ισχυρότεροι δεσμοί που βρίσκονται στη φύση και κάθε άνθρακας ενώνει τους άλλους 3 στη δομή. Επομένως, η υβριδοποίηση του ατόμου είναι sp2, που αντιστοιχεί σε 2 μονό και έναν διπλό δεσμό.
Από τα 4 ηλεκτρόνια άνθρακα, τρία μοιράζονται με τα γειτονικά άτομα και ένα, το οποίο αποτελεί τον δεσμό. , βοηθά το γραφένιο, για παράδειγμα, να είναι καλός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας επειδή έχει περισσότερη «ελευθερία» στο υλικό.
Ιδιότητες Graphene
| Φως | Ένα τετραγωνικό μέτρο ζυγίζει μόλις 0,77 χιλιοστόγραμμα. Ένα αερογέλη γραφενίου είναι περίπου 12 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα. |
|---|---|
| Εύκαμπτος | Μπορεί να επεκταθεί έως και 25% του μήκους του. |
| Αγωγός | Η τρέχουσα πυκνότητά του είναι υψηλότερη από τον χαλκό. |
| Διαρκής | Επεκτείνεται στο κρύο και συρρικνώνεται στη θερμότητα. Οι περισσότερες ουσίες δρουν με τον αντίθετο τρόπο. |
| Αδιάβροχο | Το πλέγμα που σχηματίζεται από άνθρακες δεν επιτρέπει ούτε τη διέλευση ενός ατόμου ηλίου. |
| Ανθεκτικός | Περίπου 200 φορές ισχυρότερο από το χάλυβα. |
| Ημιδιαφανής | Απορροφά μόνο 2,3% του φωτός. |
| Λεπτός | Ένα εκατομμύριο φορές πιο λεπτό από τα ανθρώπινα μαλλιά. Το πάχος του είναι μόνο ένα άτομο. |
| Σκληρός | Το πιο δύσκολο υλικό είναι γνωστό, ακόμη περισσότερο από το διαμάντι. |
Ιστορία και ανακάλυψη του Graphene
Ο όρος γραφένιο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1987, αλλά αναγνωρίστηκε επίσημα μόνο το 1994 από το União de Química Pure and Applied.
Αυτή η ονομασία προέκυψε από τη διασταύρωση του γραφίτης με το επίθημα -ene, που αναφέρεται στον διπλό δεσμό της ουσίας.
Από τη δεκαετία του 1950, ο Linus Pauling μίλησε στα μαθήματά του για την ύπαρξη ενός λεπτού στρώματος άνθρακα, που αποτελείται από εξαγωνικούς δακτυλίους. Ο Philip Russell Wallace περιέγραψε επίσης μερικές σημαντικές ιδιότητες αυτής της δομής χρόνια πριν.
Ωστόσο, μόλις πρόσφατα, το 2004, το γραφένιο απομονώθηκε από τους φυσικούς Andre Geim και Konstantin Novoselov στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και μπορεί να είναι βαθιά γνωστό.
Μελετούσαν γραφίτη και χρησιμοποιώντας την τεχνική της μηχανικής απολέπισης κατάφεραν να απομονώσουν ένα στρώμα του υλικού χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία. Αυτό το επίτευγμα απέδωσε το βραβείο Νόμπελ στο ζευγάρι το 2010.
Σημασία του γραφενίου για τη Βραζιλία
Η Βραζιλία έχει ένα από τα μεγαλύτερα αποθέματα φυσικού γραφίτη, ένα υλικό που περιέχει γραφένιο. Τα φυσικά αποθέματα γραφίτη φτάνουν το 45% του παγκόσμιου συνόλου.
Αν και η εμφάνιση του γραφίτη παρατηρείται σε ολόκληρη την περιοχή της Βραζιλίας, τα εκμεταλλευόμενα αποθέματα βρίσκονται στο Minas Gerais, το Ceará και το Bahia.
Με άφθονη πρώτη ύλη, η Βραζιλία επενδύει επίσης στην έρευνα στην περιοχή. Το πρώτο εργαστήριο στη Λατινική Αμερική αφιερωμένο στην έρευνα με το γραφένιο βρίσκεται στη Βραζιλία, στο Universidade Presbiteriana Mackenzie στο Σάο Πάολο, που ονομάζεται MackGraphe.
Κατασκευή γραφενίου
Το γραφένιο μπορεί να παρασκευαστεί από καρβίδιο, υδρογονάνθρακα, νανοσωλήνα άνθρακα και γραφίτη. Το τελευταίο είναι το πιο χρησιμοποιημένο ως αρχικό υλικό.
Οι κύριες μέθοδοι παραγωγής γραφενίου είναι:
- Μηχανική μικρο-απολέπιση: Ένας κρύσταλλος γραφίτη έχει στρώματα γραφενίου απογυμνωμένα χρησιμοποιώντας μια ταινία, τα οποία εναποτίθενται σε υποστρώματα που περιέχουν οξείδιο του πυριτίου.
- Χημική μικρο-απολέπιση: οι δεσμοί άνθρακα αποδυναμώνουν με την προσθήκη αντιδραστηρίων, σπάζοντας εν μέρει το δίκτυο.
- χημική εναπόθεση ατμών: σχηματισμός στρωμάτων γραφενίου που εναποτίθενται σε στερεά στηρίγματα, όπως μεταλλική επιφάνεια νικελίου.
Τιμή γραφενίου
Η δυσκολία της σύνθεσης του γραφενίου σε βιομηχανική κλίμακα σημαίνει ότι η αξία αυτού του υλικού είναι ακόμη πολύ υψηλή.
Σε σύγκριση με τον γραφίτη, η τιμή του είναι χιλιάδες φορές υψηλότερη. Ενώ 1 κιλό γραφίτη πωλείται για 1 δολάριο, η πώληση 150 γραμμάρια γραφενίου γίνεται για 15.000 δολάρια.
Περιέργειες για το Graphene
- Πρόγραμμα της Ευρωπαϊκής Ένωσης, με το όνομα Σημαία της Graphene, διέθεσε περίπου 1,3 δισεκατομμύρια ευρώ για έρευνα που σχετίζεται με γραφένιο, εφαρμογές και ανάπτυξη της παραγωγής σε βιομηχανική κλίμακα. Περίπου 150 ιδρύματα σε 23 χώρες συμμετέχουν σε αυτό το έργο.
- Η πρώτη βαλίτσα που αναπτύχθηκε για διαστημικό ταξίδι έχει γραφένιο στη σύνθεσή του. Η κυκλοφορία του έχει προγραμματιστεί για το 2033, όταν η NASA σκοπεύει να πραγματοποιήσει αποστολές στον Άρη.
- Το Borophene είναι ο νέος ανταγωνιστής της graphene. Αυτό το υλικό ανακαλύφθηκε το 2015 και θεωρείται βελτιωμένη έκδοση του γραφενίου, που είναι ακόμη πιο ευέλικτο, ανθεκτικό και αγώγιμο.
Graphene στο Enem
Στη δοκιμή Enem 2018, μία από τις ερωτήσεις του Φυσικές επιστήμες και οι τεχνολογίες της αφορούσε το γραφένιο. Δείτε παρακάτω την σχολιασμένη επίλυση αυτού του ζητήματος.
Το Graphene είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα που αποτελείται από ένα επίπεδο φύλλο (δισδιάστατη συστοιχία) συμπιεσμένων ατόμων άνθρακα που έχουν πάχος μόνο ένα άτομο. Η δομή του είναι εξαγωνική, όπως φαίνεται στο σχήμα.
Σε αυτή τη διάταξη, τα άτομα άνθρακα έχουν υβριδισμό
α) sp γραμμικής γεωμετρίας.
β) sp2 επίπεδης τριγωνικής γεωμετρίας.
γ) sp3 εναλλάσσεται με sp-υβριδισμένους άνθρακες γραμμικής γεωμετρίας.
δ) sp3δ της επίπεδης γεωμετρίας.
ε) sp3ρε2 με εξαγωνική επίπεδη γεωμετρία.
σωστή εναλλακτική λύση: β) sp2 επίπεδης τριγωνικής γεωμετρίας.
Η αλλοτροπία άνθρακα εμφανίζεται λόγω της ικανότητάς της να σχηματίζει διαφορετικές απλές ουσίες.
Επειδή έχει 4 ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους, ο άνθρακας είναι τετρασθενής, δηλαδή τείνει να δημιουργεί 4 ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτά τα ομόλογα μπορεί να είναι μονό, διπλά ή τριπλά.
Ανάλογα με τους δεσμούς που δημιουργεί ο άνθρακας, η χωρική δομή του μορίου αλλάζει στη διάταξη που ταιριάζει καλύτερα στα άτομα.
Ο υβριδισμός συμβαίνει όταν υπάρχει ένας συνδυασμός τροχιακών, και για τον άνθρακα μπορεί να είναι: sp, sp2 και sp3, ανάλογα με τον τύπο των κλήσεων.
Ο αριθμός των υβριδικών τροχιακών είναι το άθροισμα των δεσμών sigma (σ) που δημιουργεί ο άνθρακας, καθώς ο δεσμός δεν υβριδοποιείται.
- sp: 2 σύνδεσμοι σίγμα
- sp2: 3 σύνδεσμοι σίγμα
- sp3: 4 σύνδεσμοι σίγμα
Η αναπαράσταση του αλλοτρόπου γραφενίου σε μπάλες και μπαστούνια, όπως φαίνεται στο σχήμα στην ερώτηση, δεν δείχνει τους πραγματικούς δεσμούς της ουσίας.
Αλλά αν κοιτάξουμε ένα μέρος της εικόνας, βλέπουμε ότι υπάρχει ένας άνθρακας, που αντιπροσωπεύει μια μπάλα, που συνδέεται με τρεις άλλους άνθρακες σχηματίζοντας μια δομή σαν ένα τρίγωνο.
Εάν ο άνθρακας χρειάζεται 4 δεσμούς και συνδέεται με 3 άλλους άνθρακες, τότε ένας από αυτούς τους δεσμούς είναι διπλός.
Επειδή έχει έναν διπλό και δύο μοναδικούς δεσμούς, το γραφένιο έχει υβριδισμό sp2 και, κατά συνέπεια, τριγωνική επίπεδη γεωμετρία.
Οι άλλες γνωστές αλλοτροπικές μορφές άνθρακα είναι: γραφίτης, διαμάντι, φουλλερένιο και νανοσωλήνας. Αν και όλα είναι κατασκευασμένα από άνθρακα, τα αλλοτρόπα έχουν διαφορετικές ιδιότητες, που απορρέουν από τις διαφορετικές δομές τους.
Διαβάστε επίσης: Χημεία στο Enem και Ερωτήσεις Χημείας στο Enem.
