Grafeen on ainult süsinikust koosnev nanomaterjal, milles aatomid ühenduvad ja moodustavad kuusnurksed struktuurid.
See on parim teadaolev kristall ja selle omadused muudavad selle väga soovitavaks. See materjal on kerge, elektrit juhtiv, jäik ja veekindel.
Grafeeni rakendatavus on mitmes valdkonnas. Tuntumad on: tsiviilehitus, energeetika, telekommunikatsioon, meditsiin ja elektroonika.
Alates avastamisest on grafeen jäänud uurimistöö keskmeks. Selle materjali taotluste uurimine mobiliseerib asutusi ja investeeringuid miljonitesse eurodesse. Nii et kogu maailma teadlased üritavad välja töötada odavama viisi selle suuremahuliseks tootmiseks.
Grafeeni mõistmine
Grafeen on süsiniku allotroopne vorm, kus selle elemendi aatomite paigutus moodustab õhukese kihi.
See allotroop on kahemõõtmeline, see tähendab, et sellel on ainult kaks mõõtmist: laius ja kõrgus.
Selle materjali suuruse kohta ettekujutuse saamiseks vastab paberilehe paksus 3 miljoni grafeeni kihi pealekandmisele.
Kuigi see on inimese poolt eraldatud ja tuvastatud kõige õhem materjal, on selle mõõtmed suurusjärgus nanomeetrid. See on kerge ja tugev, võimeline juhtima elektrit paremini kui metallid nagu vask ja räni.
Korraldus, mille süsinikuaatomid grafeeni struktuuris omandavad, teeb sellest väga huvitavad ja soovitavad omadused.
Grafeeni rakendused
Paljud ettevõtted ja uurimisrühmad üle kogu maailma avaldavad grafeeni rakendustega seotud töö tulemusi. Vaadake peamisi allpool.
| Joogivesi | Grafeeniga moodustatud membraanid on võimelised merevett puhastama ja puhastama. |
|---|---|
| CO heide2 | Grafeenfiltrid suudavad vähendada CO heitkoguseid2 eraldades tööstuste ja ettevõtete poolt tekitatavad gaasid, mis lükatakse tagasi. |
| haiguse avastamine | Palju kiiremad biomeditsiinilised andurid põhinevad grafeenil ja suudavad tuvastada haigusi, viirusi ja muid toksiine. |
| Ehitus | Ehitusmaterjalid, nagu betoon ja alumiinium, muudetakse grafeeni lisamise teel kergemaks ja tugevamaks. |
| Ilu | Juuste värvimine grafeeni pihustamisega, mille kestus oleks umbes 30 pesukorda. |
| Mikroseadmed | Hakked veelgi väiksemad ja tugevamad tänu räni asendamisele grafeeniga. |
| Energia | Grafeeni kasutamisel on päikesepatareidel parem paindlikkus, suurem läbipaistvus ja madalamad tootmiskulud. |
| Elektroonika | Parema ja kiirema energiasalvestusega akud võivad laadida kuni 15 minutit. |
| Liikuvus | Jalgratastel võivad grafeeni abil olla kindlamad rehvid ja raamid, mis kaaluvad 350 grammi. |
Grafeeni struktuur
Grafeeni struktuur koosneb süsinikuvõrgust, mis on ühendatud kuusnurkades.
Süsiniku tuum koosneb 6 prootonist ja 6 neutronist. Aatomi 6 elektroni jaotatakse kahte kihti.
Kell valentsikiht seal on 4 elektroni, kusjuures see kest hoiab kuni 8. Seetõttu peab süsinik stabiilsuse saavutamiseks looma 4 ühendust ja jõudma väärisgaasi elektroonilisse konfiguratsiooni, nagu on öeldud okteti reeglis.
Grafeenis olevad aatomid seonduvad kovalentsed sidemedsee tähendab elektronide jagamist.
Süsinik-süsinik sidemed on kõige tugevamad looduses leiduvad sidemed ja iga süsinik liitub struktuuris ülejäänud 3-ga. Seetõttu on aatomi hübridisatsioon sp2, mis vastab 2 üksikule ja ühele kaksiksidemele.
Neljast süsiniku elektronist jagunevad kolm naaber aatomitega ja üks moodustab sideme. , aitab grafeenil olla näiteks hea elektrijuht, kuna sellel on materjalis rohkem "vabadust".
Grafeeni omadused
| Valgus | Ruutmeeter kaalub vaid 0,77 milligrammi. Grafeeni aerogeel on õhust umbes 12 korda kergem. |
|---|---|
| Paindlik | See võib laieneda kuni 25% pikkusest. |
| Dirigent | Selle voolutihedus on suurem kui vasel. |
| Vastupidav | Külmaga paisub ja kuumuses kahaneb. Enamik aineid toimib vastupidiselt. |
| Veekindel | Süsinike moodustatud võrk ei võimalda isegi heeliumi aatomi läbimist. |
| Vastupidav | Umbes 200 korda terasest tugevam. |
| Läbipaistev | Neelab valgust ainult 2,3%. |
| Õhuke | Miljon korda õhem kui inimese juuksed. Selle paksus on ainult üks aatom. |
| Raske | Tuntum materjal, isegi rohkem kui teemant. |
Grafeeni ajalugu ja avastamine
Mõistet grafeen kasutati esmakordselt 1987. aastal, kuid União de Química Pure and Applied tunnustas seda ametlikult alles 1994. aastal.
See tähis tekkis Iisraeli ristmikul grafiit järelliitega -ene, viidates aine kaksiksidemele.
Alates 1950. aastatest rääkis Linus Pauling oma klassides õhukese süsinikukihi olemasolust, mis koosneb kuusnurksetest rõngastest. Philip Russell Wallace kirjeldas aastaid tagasi ka selle struktuuri mõningaid olulisi omadusi.
Alles hiljuti, 2004. aastal, eraldasid grafeeni Manchesteri ülikooli füüsikud Andre Geim ja Konstantin Novoselov grafeeni ja seda saab sügavalt tunda.
Nad uurisid grafiiti ja mehaanilise koorimise tehnikat kasutades õnnestus kleeplindi abil materjalikiht isoleerida. See saavutus andis paarile 2010. aastal Nobeli preemia.
Grafeeni tähtsus Brasiilia jaoks
Brasiilias on üks suurimaid loodusliku grafiidi varusid, mis sisaldab grafeeni. Grafiidi loodusvarad ulatuvad 45% -ni kogu maailmast.
Ehkki grafiidi esinemist täheldatakse kogu Brasiilia territooriumil, on kasutatavad varud Minas Gerais, Ceará ja Bahia.
Rohke tooraine korral investeerib Brasiilia ka piirkonna teadusuuringutesse. Ladina-Ameerika esimene labor, mis on pühendatud grafeeniga seotud uuringutele, asub Brasiilias, Universidade Presbiteriana Mackenzie linnas São Paulos, nimega MackGraphe.
Grafeeni tootmine
Grafeeni saab valmistada karbiidist, süsivesinikest, süsinik-nanotorust ja grafiidist. Viimast kasutatakse kõige enam lähteainena.
Grafeeni tootmise peamised meetodid on:
- Mehaaniline mikrokoorimine: Grafiitkristallil on lindiga eemaldatud grafeenikihid, mis ladestuvad ränioksiidi sisaldavatele aluspindadele.
- Keemiline mikrokoorimine: süsinikusidemed nõrgenevad reagentide lisamise teel, purustades osaliselt võrgu.
- keemiline aurustamine: tahketele alustele, näiteks metallist nikli pinnale ladestunud grafeenikihtide moodustumine.
Grafeeni hind
Tööstusliku grafeeni sünteesimise raskused tähendavad, et selle materjali väärtus on endiselt väga kõrge.
Grafiidiga võrreldes on selle hind tuhandeid kordi kõrgem. Kui 1 kg grafiiti müüakse 1 dollari eest, siis 150 g grafeeni müüakse 15 000 dollari eest.
Kurioosumid grafeeni kohta
- Euroopa Liidu projekt, nimega Grafeeni lipulaev, eraldati umbes 1,3 miljardit eurot grafeeni, rakenduste ja tootmise arendamiseks tööstuslikus ulatuses. Selles projektis osaleb umbes 150 asutust 23 riigis.
- Esimese kosmosesõiduks välja töötatud kohvri koostises on grafeen. Selle käivitamine on kavandatud aastaks 2033, kui NASA kavatseb korraldada ekspeditsioone Marsile.
- Borofeen on grafeeni uus konkurent. See materjal avastati 2015. aastal ja seda peetakse grafeeni täiustatud versiooniks, olles veelgi paindlikum, vastupidavam ja juhtivam.
Grafeen Enemis
Enem 2018 testis on üks küsimustest Loodusteadused ja nende tehnoloogiad oli umbes grafeen. Kontrollige selle probleemi kommenteeritud lahendust allpool.
Grafeen on süsiniku allotroopne vorm, mis koosneb ainult ühe aatomi paksuste tihendatud süsinikuaatomite tasapinnalisest lehest (kahemõõtmeline massiiv). Selle struktuur on kuusnurkne, nagu joonisel näidatud.
Selles paigutuses on süsinikuaatomitel hübridiseerumine
a) sirge geomeetria sp.
b) sp2 tasapinnalise kolmnurga geomeetria.
c) sp3 vaheldumisi lineaarse geomeetriaga sp-hübridiseeritud süsinikega.
d) sp3d tasapinnalise geomeetria.
e) sp3d2 kuusnurkse tasapinnalise geomeetriaga.
õige alternatiiv: b) sp2 tasapinnalise kolmnurga geomeetria.
Süsinikuallotroopia tekib tänu selle võimele moodustada erinevaid lihtsaid aineid.
Kuna selle valentskoores on 4 elektroni, on süsinik neljavalentne, st tal on kalduvus luua 4 kovalentset sidet. Need võlakirjad võivad olla ühe-, kahe- või kolmekordsed.
Sõltuvalt süsiniku tekkivatest sidemetest muutub molekuli ruumiline struktuur paigutusele, mis aatomid kõige paremini mahutab.
Hübridiseerimine toimub orbitaalide kombinatsiooni korral ja süsiniku puhul võib see olla: sp, sp2 ja sp3, olenevalt kõnede tüübist.
Hübriidorbitaalide arv on süsiniku tekitatud sigma (σ) sidemete summa, kuna side ei hübridiseeru.
- sp: 2 sigmalinki
- sp2: 3 sigmalinki
- sp3: 4 sigmalinki
Grafeeni allotroobi kujutamine pallides ja pulkades, nagu on näidatud küsimuse joonisel, ei tõenda aine tõelisi sidemeid.
Kuid kui vaatame osa pildist, näeme, et on üks süsinik, mis tähistab palli, mis ühendub kolme teise süsinikuga, moodustades kolmnurga kujulise struktuuri.
Kui süsinik vajab 4 sidet ja on seotud veel 3 süsinikuga, siis on üks neist sidemetest topelt.
Kuna sellel on üks kaksik- ja kaks üksiksidet, on grafeenil sp hübridiseerumine2 ja sellest tulenevalt trigonaalne tasapinnaline geomeetria.
Teised teadaolevad süsiniku allotroopsed vormid on: grafiit, teemant, fullereen ja nanotorud. Ehkki need kõik on valmistatud süsinikust, on allotroopidel erinevad omadused, mis tulenevad nende erinevast struktuurist.
Loe ka: Keemia Enem ja Keemia küsimused Enem.
