Graphene adalah nanomaterial yang hanya terdiri dari karbon, di mana atom-atom saling terhubung membentuk struktur heksagonal.
Ini adalah kristal terbaik yang dikenal dan sifat-sifatnya membuatnya sangat diinginkan. Bahan ini ringan, konduktif listrik, kaku dan tahan air.
Penerapan graphene ada di beberapa bidang. Yang paling terkenal adalah: konstruksi sipil, energi, telekomunikasi, kedokteran dan elektronik.
Sejak ditemukan, graphene tetap menjadi pusat perhatian penelitian. Studi aplikasi untuk materi ini memobilisasi institusi dan investasi jutaan euro. Jadi para ilmuwan di seluruh dunia terus berusaha mengembangkan cara yang lebih murah untuk memproduksinya dalam skala besar.
Memahami apa itu graphene
Grafena adalah bentuk alotropik karbon, di mana susunan atom-atom unsur ini membentuk lapisan tipis.
Alotrop ini dua dimensi, yaitu hanya memiliki dua ukuran: lebar dan tinggi.
Untuk mendapatkan gambaran tentang ukuran bahan ini, ketebalan selembar kertas sesuai dengan superposisi 3 juta lapisan graphene.
Meskipun merupakan bahan tertipis yang diisolasi dan diidentifikasi oleh manusia, dimensinya berada di urutan nanometer. Ringan dan kuat, mampu menghantarkan listrik lebih baik daripada logam seperti tembaga dan silikon.
Susunan yang diasumsikan atom karbon dalam struktur graphene membuat karakteristik yang sangat menarik dan diinginkan untuk ditemukan di dalamnya.
Aplikasi Grafena
Banyak perusahaan dan kelompok penelitian di seluruh dunia menerbitkan hasil kerja yang melibatkan aplikasi untuk graphene. Lihat di bawah yang utama.
| Air minum | Membran yang terbentuk dari graphene mampu untuk desalinasi dan pemurnian air laut. |
|---|---|
| emisi CO2 | Filter graphene mampu mengurangi emisi CO2 dengan memisahkan gas yang dihasilkan oleh industri dan bisnis yang akan ditolak. |
| deteksi penyakit | Sensor biomedis yang jauh lebih cepat didasarkan pada graphene dan dapat mendeteksi penyakit, virus, dan racun lainnya. |
| Konstruksi | Bahan bangunan seperti beton dan aluminium dibuat lebih ringan dan kuat dengan penambahan graphene. |
| Kecantikan | Pewarnaan rambut dengan menyemprotkan graphene, yang durasinya sekitar 30 kali keramas. |
| Perangkat mikro | Keripik bahkan lebih kecil dan lebih kuat karena penggantian silikon oleh graphene. |
| Energi | Sel surya memiliki fleksibilitas yang lebih baik, transparansi yang lebih besar, dan biaya produksi yang lebih rendah dengan penggunaan graphene. |
| Elektronik | Baterai dengan penyimpanan energi yang lebih baik dan lebih cepat dapat diisi ulang hingga 15 menit. |
| Mobilitas | Sepeda dapat memiliki ban dan rangka yang lebih kencang seberat 350 gram menggunakan graphene. |
Struktur Grafena
Struktur graphene terdiri dari jaringan karbon yang terhubung dalam segi enam.
Inti karbon terdiri dari 6 proton dan 6 neutron. Keenam elektron atom didistribusikan dalam dua lapisan.
Di lapisan valensi ada 4 elektron, dengan kulit ini menampung hingga 8. Oleh karena itu, agar karbon memperoleh stabilitas, ia harus membuat 4 sambungan dan mencapai konfigurasi elektron gas mulia, seperti yang dinyatakan dalam aturan oktet.
Atom-atom dalam ikatan graphene oleh ikatan kovalen, yaitu, ada pembagian elektron.
Ikatan karbon-karbon adalah ikatan terkuat yang ditemukan di alam dan setiap karbon bergabung dengan 3 lainnya dalam struktur. Oleh karena itu, hibridisasi atom adalah sp2, yang sesuai dengan 2 ikatan tunggal dan satu ikatan rangkap.
Dari 4 elektron karbon, tiga dibagi dengan atom tetangga dan satu, yang membentuk ikatan. , membantu graphene, misalnya, menjadi konduktor listrik yang baik karena memiliki lebih banyak "kebebasan" dalam materi.
Properti Grafena
| Cahaya | Satu meter persegi beratnya hanya 0,77 miligram. Sebuah aerogel graphene sekitar 12 kali lebih ringan dari udara. |
|---|---|
| Fleksibel | Ini dapat berkembang hingga 25% dari panjangnya. |
| Konduktor | Kepadatan arusnya lebih tinggi dari tembaga. |
| Tahan lama | Ini mengembang dalam dingin dan menyusut dalam panas. Sebagian besar zat bertindak sebaliknya. |
| Tahan air | Jaring yang dibentuk oleh karbon bahkan tidak memungkinkan lewatnya atom helium. |
| Tahan | Sekitar 200 kali lebih kuat dari baja. |
| Tembus cahaya | Hanya menyerap 2,3% cahaya. |
| Tipis | Satu juta kali lebih tipis dari rambut manusia. Ketebalannya hanya satu atom. |
| Keras | Bahan paling keras yang diketahui, bahkan lebih dari berlian. |
Sejarah dan Penemuan Graphene
Istilah graphene pertama kali digunakan pada tahun 1987, tetapi baru diakui secara resmi pada tahun 1994 oleh União de Química Pure and Applied.
Penunjukan ini muncul dari persimpangan grafit dengan akhiran -ene, mengacu pada ikatan rangkap zat.
Sejak 1950-an, Linus Pauling berbicara di kelasnya tentang keberadaan lapisan tipis karbon, yang terdiri dari cincin heksagonal. Philip Russell Wallace juga menjelaskan beberapa sifat penting dari struktur ini bertahun-tahun sebelumnya.
Namun, baru pada tahun 2004, graphene diisolasi oleh fisikawan Andre Geim dan Konstantin Novoselov di University of Manchester dan dapat diketahui secara mendalam.
Mereka mempelajari grafit dan menggunakan teknik pengelupasan mekanis mereka berhasil mengisolasi lapisan bahan menggunakan pita perekat. Prestasi ini dianugerahkan Hadiah Nobel kepada pasangan pada tahun 2010.
Pentingnya graphene untuk Brasil
Brasil memiliki salah satu cadangan grafit alam terbesar, bahan yang mengandung graphene. Cadangan alam grafit mencapai 45% dari total dunia.
Meskipun keberadaan grafit diamati di seluruh wilayah Brasil, cadangan yang dieksploitasi ditemukan di Minas Gerais, Ceará dan Bahia.
Dengan bahan baku yang melimpah, Brasil juga berinvestasi dalam penelitian di daerah tersebut. Laboratorium pertama di Amerika Latin yang didedikasikan untuk penelitian dengan graphene terletak di Brasil, di Universidade Presbiteriana Mackenzie di São Paulo, disebut MackGraphe.
Pembuatan graphene
Grafena dapat dibuat dari karbida, hidrokarbon, karbon nanotube dan grafit. Yang terakhir adalah yang paling banyak digunakan sebagai bahan awal.
Metode utama produksi graphene adalah:
- Pengelupasan mikro mekanis: Kristal grafit memiliki lapisan graphene yang dilucuti menggunakan pita perekat, yang diendapkan pada substrat yang mengandung silikon oksida.
- Pengelupasan mikro kimiawi: ikatan karbon melemah dengan penambahan reagen, sebagian memutuskan jaringan.
- deposisi uap kimia: pembentukan lapisan graphene yang diendapkan pada penyangga padat, seperti permukaan logam nikel.
harga graphene
Sulitnya mensintesis graphene dalam skala industri berarti nilai material ini masih sangat tinggi.
Dibandingkan dengan grafit, harganya ribuan kali lebih tinggi. Sementara 1 kg grafit dijual seharga 1 dolar, penjualan 150 g graphene dijual seharga 15.000 dolar.
Keingintahuan tentang Graphene
- Proyek Uni Eropa, bernama Grafena Unggulan, mengalokasikan sekitar 1,3 miliar euro untuk penelitian terkait graphene, aplikasi, dan pengembangan produksi pada skala industri. Sekitar 150 institusi di 23 negara berpartisipasi dalam proyek ini.
- Koper pertama yang dikembangkan untuk perjalanan ruang angkasa memiliki komposisi graphene. Peluncurannya dijadwalkan pada 2033, ketika NASA berencana melakukan ekspedisi ke Mars.
- Borophene adalah pesaing baru graphene. Bahan ini ditemukan pada tahun 2015 dan dianggap sebagai versi perbaikan dari graphene, menjadi lebih fleksibel, tahan dan konduktif.
Grafena di Enem
Dalam tes Enem 2018, salah satu pertanyaan dari Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknologinya adalah tentang graphene. Periksa di bawah komentar resolusi masalah ini.
Grafena adalah bentuk alotropik karbon yang terdiri dari lembaran planar (susunan dua dimensi) dari atom karbon padat yang hanya setebal satu atom. Strukturnya heksagonal, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Dalam pengaturan ini, atom karbon memiliki hibridisasi
a) sp geometri linier.
b) sp2 geometri trigonal planar.
c) sp3 diselingi dengan karbon sp-hibridisasi geometri linier.
d) sp3d geometri planar.
e) sp3d2 dengan geometri planar heksagonal.
alternatif yang benar:b) sp2 geometri trigonal planar.
Alotropi karbon terjadi karena kemampuannya untuk membentuk zat sederhana yang berbeda.
Karena memiliki 4 elektron di kulit valensi, karbon adalah tetravalen, yaitu cenderung membuat 4 ikatan kovalen. Ikatan ini bisa tunggal, ganda atau rangkap tiga.
Bergantung pada ikatan yang dibuat karbon, struktur spasial molekul berubah menjadi susunan yang paling sesuai dengan atom.
Hibridisasi terjadi ketika ada kombinasi orbital, dan untuk karbon dapat: sp, sp2 dan sp3, tergantung pada jenis panggilan.
Jumlah orbital hibrid adalah jumlah ikatan sigma ( that) yang dibuat oleh karbon, karena ikatan tidak berhibridisasi.
- sp: tautan 2 sigma
- sp2: tautan 3 sigma
- sp3: tautan 4 sigma
Representasi alotrop graphene dalam bola dan tongkat, seperti yang ditunjukkan pada gambar dalam pertanyaan, tidak menunjukkan ikatan sebenarnya dari zat tersebut.
Tetapi jika kita melihat bagian dari gambar, kita melihat bahwa ada satu karbon, yang mewakili bola, menghubungkan ke tiga karbon lainnya membentuk struktur seperti segitiga.
Jika karbon membutuhkan 4 ikatan dan terikat pada 3 karbon lain, maka salah satu ikatan tersebut adalah rangkap dua.
Karena memiliki satu ikatan rangkap dan dua ikatan tunggal, graphene memiliki hibridisasi sp2 dan, akibatnya, geometri planar trigonal.
Bentuk alotropik lain dari karbon adalah: grafit, berlian, fullerene dan nanotube. Meskipun semuanya terbuat dari karbon, alotrop memiliki sifat yang berbeda, yang berasal dari strukturnya yang berbeda.
Baca juga: Kimia di Enem dan Pertanyaan Kimia di Enem.
