Grafeeni on vain hiilestä koostuva nanomateriaali, jossa atomit sitoutuvat toisiinsa muodostaen kuusikulmaisia rakenteita.
Se on hienoin tunnettu kide ja sen ominaisuuksien vuoksi se on erittäin toivottavaa. Tämä materiaali on kevyttä, sähköä johtavaa, jäykkä ja vedenpitävä.
Grafeenin sovellettavuus on useilla alueilla. Tunnetuimmat ovat: siviilirakentaminen, energia, televiestintä, lääketiede ja elektroniikka.
Grafeeni on sen löytämisen jälkeen pysynyt tutkimuksen keskipisteenä. Tämän aineiston hakemusten tutkiminen saa aikaan miljoonien eurojen laitoksia ja investointeja. Joten tutkijat ympäri maailmaa yrittävät jatkuvasti kehittää halvempaa tapaa tuottaa sitä suuressa mittakaavassa.
Grafeenin ymmärtäminen
Grafeeni on hiilen allotrooppinen muoto, jossa tämän elementin atomien järjestely muodostaa ohuen kerroksen.
Tämä allotrooppi on kaksiulotteinen, eli sillä on vain kaksi mittausta: leveys ja korkeus.
Saadaksesi käsityksen tämän materiaalin koosta, paperiarkin paksuus vastaa 3 miljoonan grafeenikerroksen päällekkäisyyttä.
Vaikka se on ohuin ihmisen eristämä ja tunnistama materiaali, sen ulottuvuus on nanometrien luokkaa. Se on kevyt ja vahva, kykenee johtamaan sähköä paremmin kuin metallit kuten kupari ja pii.
Järjestely, jonka hiiliatomit ottavat grafeenirakenteeseen, tekee siitä erittäin mielenkiintoisen ja toivottavan ominaisuuden.
Grafeenisovellukset
Monet yritykset ja tutkimusryhmät ympäri maailmaa julkaisevat grafeenisovelluksia koskevan työn tuloksia. Katso alla tärkeimmät.
| Juomavesi | Grafeenin muodostamat kalvot pystyvät poistamaan suolan ja puhdistamaan meriveden. |
|---|---|
| CO-päästöt2 | Grafeenisuodattimet pystyvät vähentämään CO-päästöjä2 erottamalla teollisuuden ja yritysten tuottamat kaasut, jotka hylätään. |
| taudin havaitseminen | Paljon nopeammat biolääketieteelliset anturit perustuvat grafeeniin ja voivat havaita sairauksia, viruksia ja muita toksiineja. |
| Rakentaminen | Rakennusmateriaalit, kuten betoni ja alumiini, tehdään kevyemmiksi ja vahvemmiksi lisäämällä grafeenia. |
| Kauneus | Hiusten värjäys suihkuttamalla grafeenia, jonka kesto olisi noin 30 pesua. |
| Mikrolaitteet | Pelimerkit ovat vielä pienempiä ja vahvempia, koska pii on korvattu grafeenilla. |
| Energia | Grafeenin avulla aurinkokennoilla on parempi joustavuus, enemmän läpinäkyvyyttä ja alhaisemmat tuotantokustannukset. |
| Elektroniikka | Paremmat ja nopeammin säästävät akut voivat latautua jopa 15 minuutissa. |
| Liikkuvuus | Polkupyörillä voi olla kiinteämpi rengas ja kehys, jonka paino on 350 grammaa grafeenilla. |
Grafeenirakenne
Grafeenin rakenne koostuu kuusikulmioihin kytketyistä hiiliverkostoista.
Hiiliatuma koostuu kuudesta protonista ja kuudesta neutronista. Atomin 6 elektronia on jaettu kahteen kerrokseen.
Klo valenssikerros on 4 elektronia, ja tämä kuori kestää jopa 8. Siksi, jotta hiili saavuttaisi vakauden, sen on muodostettava 4 liitäntää ja saavutettava jalokaasun elektroninen konfiguraatio, kuten oktettisäännössä todetaan.
Grafeenin atomit sitoutuvat kovalenttiset sidokseteli elektronien jakaminen tapahtuu.
Hiili-hiilisidokset ovat vahvimmat luonnossa esiintyvät sidokset, ja kukin hiili liittyy muihin kolmeen rakenteeseen. Siksi atomin hybridisaatio on sp2, joka vastaa kahta yksittäistä ja yhtä kaksoissidosta.
Neljästä hiili-elektronista kolme jaetaan naapuriatomien kanssa ja yksi, joka muodostaa sidoksen. , auttaa grafeenia esimerkiksi olemaan hyvä sähkönjohdin, koska sillä on enemmän "vapautta" materiaalissa.
Grafeenin ominaisuudet
| Kevyt | Neliömetri painaa vain 0,77 milligrammaa. Grafeeni-aerogeeni on noin 12 kertaa ilmaa kevyempi. |
|---|---|
| Joustava | Se voi laajentua jopa 25% pituudestaan. |
| Kapellimestari | Sen virrantiheys on suurempi kuin kupari. |
| Kestävä | Se laajenee kylmässä ja kutistuu kuumuudessa. Suurin osa aineista toimii päinvastoin. |
| Vedenkestävä | Hiilen muodostama verkko ei salli edes heliumatomin kulkua. |
| Kestävä | Noin 200 kertaa terästä vahvempi. |
| Läpikuultava | Absorboi vain 2,3% valosta. |
| Ohut | Miljoona kertaa ohuempi kuin hiukset. Sen paksuus on vain yksi atomi. |
| Kova | Vaikein tunnettu materiaali, jopa enemmän kuin timantti. |
Grafeenin historia ja löytö
Termiä grafeeni käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1987, mutta União de Química Pure and Applied tunnusti sen virallisesti vasta vuonna 1994.
Tämä nimitys syntyi grafiitti -eenin jälkiliitteellä viitaten aineen kaksoissidokseen.
1950-luvulta lähtien Linus Pauling puhui luokissaan ohuen, kuusikulmaisista renkaista koostuvan hiilikerroksen olemassaolosta. Philip Russell Wallace kuvasi myös joitain tämän rakenteen tärkeitä ominaisuuksia vuosia aiemmin.
Kuitenkin vasta äskettäin, vuonna 2004, fyysikot Andre Geim ja Konstantin Novoselov erittivät grafeenin Manchesterin yliopistosta, ja se voidaan tuntea syvästi.
He tutkivat grafiittia ja mekaanisen kuorintatekniikan avulla onnistuivat eristämään kerroksen materiaalia teipillä. Tämä saavutus myönsi pariskunnalle Nobel-palkinnon vuonna 2010.
Grafeenin merkitys Brasilialle
Brasilialla on yksi suurimmista luonnongrafiitin varastoista, grafeenia sisältävä materiaali. Grafiitin luonnonvarat ovat 45% maailman kokonaismäärästä.
Vaikka grafiitin esiintymistä havaitaan koko Brasilian alueella, hyödynnetyt varastot löytyvät Minas Geraisista, Cearásta ja Bahiasta.
Runsaan raaka-aineen ansiosta Brasilia investoi myös alueen tutkimukseen. Latinalaisen Amerikan ensimmäinen laboratorio, joka on omistettu grafeenitutkimukselle, sijaitsee Brasiliassa, Universidade Presbiteriana Mackenzie São Paulossa, nimeltään MackGraphe.
Grafeenin valmistus
Grafeeni voidaan valmistaa karbidista, hiilivedystä, hiilinanoputkesta ja grafiitista. Jälkimmäistä käytetään eniten lähtöaineena.
Tärkeimmät grafeenin tuotantomenetelmät ovat:
- Mekaaninen mikrokuorinta: Grafiittikiteessä on grafiinkerrokset irrotettu teipillä, jotka kerrostuvat piioksidia sisältäville alustoille.
- Kemiallinen mikrokuorinta: hiilisidoksia heikennetään lisäämällä reagensseja, mikä hajottaa verkon osittain.
- kemiallinen höyrykerros: grafeenikerrosten muodostuminen kiinteille alustoille, kuten metallisen nikkelin pinnalle.
Grafeenin hinta
Grafeenin synteesin vaikeus teollisessa mittakaavassa tarkoittaa, että tämän materiaalin arvo on edelleen erittäin korkea.
Grafiittiin verrattuna sen hinta on tuhansia kertoja korkeampi. Vaikka 1 kg grafiittia myydään 1 dollarilla, 150 g grafeenia myydään 15 000 dollarilla.
Grafeenin uteliaisuudet
- Euroopan unionin projekti, nimetty Grafeeni lippulaiva, varattu noin 1,3 miljardia euroa tutkimukseen, joka liittyy grafeeniin, sovelluksiin ja tuotannon kehittämiseen teollisessa mittakaavassa. Noin 150 laitosta 23 maassa osallistuu tähän projektiin.
- Ensimmäisessä avaruusmatkoille kehitetyssä matkalaukussa on grafeenia. Sen käynnistämisen on tarkoitus tapahtua vuonna 2033, jolloin NASA aikoo suorittaa tutkimusmatkoja Marsille.
- Borofeeni on grafeenin uusi kilpailija. Tämä materiaali löydettiin vuonna 2015, ja sitä pidetään parannettuna versiona grafeenista, joka on vielä joustavampi, kestävämpi ja johtavampi.
Grafeeni Enemissä
Enem 2018 -testissä yksi kysymyksistä Luonnontieteet ja niiden tekniikat oli noin grafeenia. Tarkista alla kommentoitu ongelman ratkaisu.
Grafeeni on hiilen allotrooppinen muoto, joka koostuu tasomaisesta kerroksesta (kaksiulotteinen ryhmä) tiivistettyjä hiiliatomeja, jotka ovat vain yhden atomin paksuisia. Sen rakenne on kuusikulmainen, kuten kuvassa on esitetty.
Tässä järjestelyssä hiiliatomeilla on hybridisaatio
a) lineaarisen geometrian sp.
b) sp2 tasomaisen trigonaaligeometrian.
c) sp3 vuorotellen lineaarisen geometrian sp-hybridisoituneiden hiilien kanssa.
d) sp3d tasomainen geometria.
e) sp3d2 kuusikulmaisella tasomaisella geometrialla.
oikea vaihtoehto: b) sp2 tasomaisen trigonaaligeometrian.
Hiilialotropiaa esiintyy, koska se kykenee muodostamaan erilaisia yksinkertaisia aineita.
Koska sen valenssikuoressa on 4 elektronia, hiili on neliarvoinen eli se pyrkii muodostamaan 4 kovalenttista sidosta. Nämä joukkovelkakirjat voivat olla yksittäisiä, kaksinkertaisia tai kolminkertaisia.
Hiilen tekemistä sidoksista riippuen molekyylin tilarakenne muuttuu järjestelyksi, joka mahtuu parhaiten atomit.
Hybridisaatio tapahtuu, kun on olemassa orbitaalien yhdistelmä, ja hiilelle se voi olla: sp, sp2 ja sp3puhelutyypistä riippuen.
Hybridi-orbitaalien lukumäärä on niiden hiiren muodostamien sigma (σ) -sidosten summa, koska sidos ei hybridisoidu.
- sp: 2 sigmalinkkiä
- sp2: 3 sigmalinkkiä
- sp3: 4 sigmalinkkiä
Grafeenialotrooppin esitys palloissa ja sauvoissa, kuten kysymyksen kuvassa on esitetty, ei osoita aineen todellisia sidoksia.
Mutta jos katsomme osan kuvasta, näemme, että on yksi hiili, joka edustaa palloa, joka yhdistää kolme muuta hiiltä, jotka muodostavat rakenteen kuin kolmio.
Jos hiili tarvitsee 4 sidosta ja on sitoutunut 3 muuhun hiileen, niin yksi näistä sidoksista on kaksinkertainen.
Koska grafeenilla on yksi kaksois- ja kaksi yksittäistä sidosta, grafeenilla on sp-hybridisaatio2 ja siten trigonaalisen tasomaisen geometrian.
Muita tunnettuja hiilen allotrooppisia muotoja ovat: grafiitti, timantti, fullereeni ja nanoputki. Vaikka kaikki ovat hiilestä tehtyjä, allotropeilla on erilaiset ominaisuudet johtuen niiden erilaisista rakenteista.
Lue myös: Kemia Enemissä ja Kemian kysymykset Enemissä.
