גרפן: מה זה, יישומים, מבנה ותכונות

גרפן הוא חומר ננו המורכב רק מפחמן, בו האטומים מתחברים ויוצרים מבנים משושים.

זהו הגביש המשובח ביותר הידוע ותכונותיו הופכות אותו לנחשק ביותר. חומר זה קל, מוליך חשמל, נוקשה ועמיד למים.

תחולת הגרפן היא בכמה תחומים. הידועים ביותר הם: בנייה אזרחית, אנרגיה, טלקומוניקציה, רפואה ואלקטרוניקה.

מאז שהתגלה, גרפן נותר מרכז העניין המחקרי. חקר היישומים לחומר זה מגייס מוסדות והשקעות בסך מיליוני אירו. אז מדענים ברחבי העולם ממשיכים לנסות לפתח דרך זולה יותר לייצר אותה בקנה מידה גדול.

הבנה מה זה גרפן

גרפן הוא צורה אלוטרופית של פחמן, כאשר סידור האטומים של יסוד זה יוצר שכבה דקה.

אלוטרופ זה דו מימדי, כלומר יש לו שתי מידות בלבד: רוחב וגובה.

כדי לקבל מושג לגבי גודל החומר הזה, עובי גיליון נייר תואם לסופרפוזיציה של 3 מיליון שכבות גרפן.

זהו אמנם החומר הדק ביותר המבודד ומזוהה על ידי האדם, אך המימד שלו הוא בסדר הננומטרים. הוא קל וחזק, מסוגל להוביל חשמל טוב יותר ממתכות כמו נחושת וסיליקון.

ההסדר שאטומי פחמן מניחים במבנה הגרפן גורם לו למצוא מאפיינים מעניינים ורצויים ביותר.

יישומי גרפן

חברות וקבוצות מחקר רבות ברחבי העולם מפרסמות תוצאות של עבודות הכוללות יישומים לגרפן. ראה להלן העיקריים.

מים ראויים לשתייה	ממברנות בצורת גרפן מסוגלות להתפיל וטיהור מי ים.
פליטת CO2	מסנני גרפן מסוגלים להפחית את פליטת ה- CO2 על ידי הפרדת גזים הנוצרים על ידי תעשיות ועסקים שיידחו.
זיהוי מחלות	חיישנים ביו-רפואיים מהירים הרבה יותר מבוססים על גרפן ויכולים לאתר מחלות, נגיפים ורעלים אחרים.
בְּנִיָה	חומרי בניין כמו בטון ואלומיניום הופכים קלים וחזקים יותר בתוספת גרפן.
יוֹפִי	צביעת שיער באמצעות ריסוס גרפן, שמשכו יהיה סביב 30 שטיפות.
מכשירי מיקרו	שבבים קטנים וחזקים עוד יותר עקב החלפת סיליקון בגרפן.
אֵנֶרְגִיָה	לתאים סולאריים יש גמישות טובה יותר, שקיפות רבה יותר ועלויות ייצור נמוכות יותר עם שימוש בגרפן.
מכשירי חשמל	סוללות עם אחסון אנרגיה טוב ומהיר יותר יכולות להיטען תוך 15 דקות.
ניידות	לאופניים יכולות להיות צמיגים מוצקים יותר ומסגרות במשקל 350 גרם באמצעות גרפן.

מבנה גרפן

מבנה הגרפן מורכב מרשת פחמנים המקושרים במשושים.

גרעין הפחמן מורכב מ -6 פרוטונים ו -6 נויטרונים. 6 האלקטרונים של האטום מחולקים בשתי שכבות.

בְּ שכבת הערכיות ישנם 4 אלקטרונים, כאשר הקליפה הזו מחזיקה עד 8. לכן, כדי שפחמן ירכוש יציבות, עליו ליצור 4 חיבורים ולהגיע לתצורה אלקטרונית של גז אצילי, כאמור בכלל האוקטט.

האטומים בגרפן נקשרים על ידי קשרים קוולנטייםכלומר יש שיתוף של אלקטרונים.

מבנה גרפן

קשרי פחמן-פחמן הם הקשרים החזקים ביותר המצויים בטבע וכל פחמן מצטרף לשלושת האחרים במבנה. לכן הכלאה של האטום היא sp², המקביל ל -2 אג"ח יחיד וכפול.

הכלאה sp² פחמן בגרפן

מבין 4 אלקטרוני הפחמן, שלושה משותפים עם האטומים השכנים ואחד, המרכיב את הקשר. , עוזר לגרפן, למשל, להיות מוליך טוב של חשמל מכיוון שיש לו יותר "חופש" בחומר.

מאפייני גרפן

אוֹר	משקל של מטר מרובע הוא 0.77 מיליגרם בלבד. אגלגל גרפן הוא קל פי 12 מאוויר.
גָמִישׁ	זה יכול להרחיב עד 25% מאורכו.
מנצח	צפיפותו הנוכחית גבוהה מנחושת.
עָמִיד	הוא מתרחב בקור ומתכווץ בחום. רוב החומרים פועלים בצורה הפוכה.
חסין מים	הרשת שנוצרת על ידי פחמנים אפילו לא מאפשרת מעבר של אטום הליום.
עָמִיד בִּפְנֵי	חזק פי 200 מפלדה.
שָׁקוּף לְמֶחֱצָה	סופג רק 2.3% מהאור.
רזה	דק פי מיליון משיער אנושי. עוביו הוא אטום אחד בלבד.
קָשֶׁה	החומר הקשה ביותר הידוע, אפילו יותר מיהלום.

היסטוריה וגילוי גרפן

המונח גרפן שימש לראשונה בשנת 1987, אך הוכר רשמית רק בשנת 1994 על ידי União de Química Pure and Applied.

ייעוד זה עלה מצומת גרָפִיט עם הסיומת -ene, הכוונה לקשר הכפול של החומר.

מאז שנות החמישים דיבר לינוס פאולינג בשיעוריו על קיומה של שכבה דקה של פחמן, המורכבת מטבעות משושה. פיליפ ראסל וואלאס תיאר גם כמה מאפיינים חשובים של מבנה זה שנים קודם לכן.

עם זאת, רק לאחרונה, בשנת 2004, גרפן בודד על ידי הפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב באוניברסיטת מנצ'סטר וניתן להכיר אותו עמוקות.

הם למדו גרפיט והשתמשו בטכניקה של פילינג מכני הם הצליחו לבודד שכבת חומר באמצעות סרט דבק. הישג זה העניק את פרס נובל לזוג בשנת 2010.

חשיבות הגרפן לברזיל

בברזיל יש אחת השמורות הגדולות ביותר של גרפיט טבעי, חומר המכיל גרפן. שמורות טבע גרפיט מגיעות ל 45% מסך כל העולם.

למרות שהופעתו של גרפיט נצפתה בכל שטח ברזיל, השמורות המנוצלות נמצאות במינאס גיר, קיארה ובאהיה.

עם חומר גלם שופע, ברזיל משקיעה גם במחקר באזור. המעבדה הראשונה באמריקה הלטינית המוקדשת למחקר עם גרפן ממוקמת בברזיל, באוניברסיטת פרסביטריאנה מקנזי בסאו פאולו, המכונה MackGraphe.

ייצור גרפן

ניתן להכין גרפן מקרביד, פחמימן, צינור פחמן וגרפיט. האחרון הוא המשמש ביותר כחומר התחלה.

שיטות הייצור העיקריות של גרפן הן:

• מיקרו פילינג מכני: בקריסטל גרפיט יש שכבות של גרפן שהופשטו באמצעות סרט, המופקדות על מצעים המכילים תחמוצת סיליקון.
• מיקרו פילינג כימי: קשרי פחמן מוחלשים על ידי הוספת ריאגנטים, תוך שבירה חלקית של הרשת.
• תצהיר אדים כימי: יצירת שכבות גרפן המופקדות על תומכים מוצקים, כגון משטח ניקל מתכתי.

מחיר גרפן

הקושי לסנתז גרפן בקנה מידה תעשייתי פירושו שערכו של חומר זה עדיין גבוה מאוד.

בהשוואה לגרפיט, מחירו גבוה פי אלפי. בעוד שק"ג אחד של גרפיט נמכר בדולר אחד, מכירה של 150 גרם גרפן מתבצעת תמורת 15,000 דולר.

סקרנות לגבי גרפן

• פרויקט האיחוד האירופי, שמו ספינת הדגל של גרפן, מיועד כ -1.3 מיליארד יורו למחקר הקשור לגרפן, יישומים ופיתוח ייצור בקנה מידה תעשייתי. כ -150 מוסדות ב -23 מדינות משתתפים בפרויקט זה.
• המזוודה הראשונה שפותחה לנסיעה בחלל כוללת הרכב גרפן. השקתו אמורה להתקיים בשנת 2033, כאשר נאס"א מתכננת לבצע משלחות למאדים.
• בורופין הוא המתחרה החדש של גרפן. חומר זה התגלה בשנת 2015 ונחשב לגרסה משופרת של גרפן, גמיש עוד יותר, עמיד ומוליך.

גרפן באויב

במבחן האויב 2018, אחת השאלות של מדעי הטבע והטכנולוגיות שלה היה על גרפן. בדוק למטה את הרזולוציה שהגיבה בנושא זה.

גרפן הוא צורה אלוטרופית של פחמן המורכב מסדין מישורי (מערך דו מימדי) של אטומי פחמן דחוסים שעובי אטום אחד בלבד. מבנהו משושה, כפי שמוצג באיור.

בהסדר זה, אטומי הפחמן הם הכלאה

א) sp של גיאומטריה ליניארית.
ב) sp² של גאומטריה טריגונלית מישורית.
ג) sp³ לסירוגין עם פחמנים מורכבים עם גיאומטריה ליניארית.
ד) sp³ד של גיאומטריה מישורית.
ה) sp³ד² עם גיאומטריה מישורית משושה.

חלופה נכונה: ב) sp² של גאומטריה טריגונלית מישורית.

אלוטרופיה של פחמן מתרחשת בגלל יכולתה ליצור חומרים פשוטים שונים.

מכיוון שיש לו 4 אלקטרונים במעטפת הערכיות, הפחמן הוא רב-ערכי, כלומר הוא נוטה ליצור 4 קשרים קוולנטיים. קשרים אלה יכולים להיות יחידים, כפולים או משולשים.

בהתאם לקשרים שהפחמן יוצר, המבנה המרחבי של המולקולה משתנה לסידור המתאים ביותר לאטומים.

הכלאה מתרחשת כאשר יש שילוב של אורביטלים, ולפחמן זה יכול להיות: sp, sp² ו- sp³, תלוי בסוג השיחות.

מספר האורביטלים ההיברידיים הוא סכום הקשרים של סיגמה (σ) שהפחמן יוצר, מכיוון שהקשר אינו מכיל הכלאה.

• sp: 2 קישורי סיגמא
• sp²: 3 קישורי סיגמא
• sp³: 4 קישורי סיגמא

הייצוג של אלוטרופ הגרפן בכדורים ובמקלות, כפי שמוצג באיור בשאלה, אינו מדגים את הקשרים האמיתיים של החומר.

אך אם נסתכל על חלק מהתמונה, נראה שיש פחמן אחד, המייצג כדור, המתחבר לשלושה פחמנים אחרים היוצרים מבנה כמו משולש.

אם פחמן זקוק ל -4 קשרים והוא נקשר לשלושה פחמנים אחרים, אז אחד מאותם קשרים הוא כפול.

מכיוון שיש לו קשר כפול אחד ושני קשרים בודדים, בגרפן יש הכלאה SP² וכתוצאה מכך, גאומטריה מישורית טריגונאלית.

הצורות האלוטרופיות האחרות הידועות של פחמן הן: גרפיט, יהלום, פולרן וננו-צינור. למרות שכולם עשויים מפחמן, לאלוטרופים תכונות שונות, הנובעות מהמבנים השונים שלהם.

קרא גם: כימיה באויב ו שאלות בכימיה באויב.