グラフェンは、炭素のみで構成されるナノ材料であり、原子が結合して六角形の構造を形成します。
それは知られている最高の結晶であり、その特性はそれを非常に望ましいものにします。 この素材は軽く、導電性があり、剛性があり防水性があります。
グラフェンの適用性はいくつかの分野にあります。 最もよく知られているのは、土木建設、エネルギー、電気通信、医療、電子機器です。
それが発見されて以来、グラフェンは研究の関心の中心であり続けています。 この資料のアプリケーションの研究は、数百万ユーロの機関と投資を動員します。 そのため、世界中の科学者は、それを大規模に生産するためのより安価な方法を開発しようと努力を続けています。
グラフェンとは何かを理解する
グラフェンは同素体の炭素であり、この元素の原子の配列が薄い層を形成します。
この同素体は2次元です。つまり、幅と高さの2つの測定値しかありません。
この材料のサイズを知るために、1枚の紙の厚さは300万層のグラフェンの重ね合わせに対応します。
それは人間によって分離され識別された最も薄い材料ですが、その寸法はナノメートルのオーダーです。 軽くて丈夫で、銅やシリコンなどの金属よりも電気を通すことができます。
炭素原子がグラフェンの構造で想定する配置は、グラフェンに見られる非常に興味深く望ましい特性を作ります。
グラフェンアプリケーション
世界中の多くの企業や研究グループが、グラフェンのアプリケーションに関連する作業の結果を公開しています。 以下の主なものを参照してください。
| 飲料水 | グラフェンで形成された膜は、海水を淡水化および浄化することができます。 |
|---|---|
| CO排出量2 | グラフェンフィルターはCO排出量を削減することができます2 拒否される産業や企業によって生成されたガスを分離することによって。 |
| 病気の検出 | はるかに高速な生物医学センサーはグラフェンに基づいており、病気、ウイルス、その他の毒素を検出できます。 |
| 建設 | グラフェンを添加することで、コンクリートやアルミなどの建材をより軽く、より強くします。 |
| 美しさ | グラフェンをスプレーすることによるヘアカラーリング。持続時間は約30回です。 |
| マイクロデバイス | シリコンがグラフェンに置き換わったため、チップはさらに小さく、強くなりました。 |
| エネルギー | 太陽電池は、グラフェンを使用することで、柔軟性、透明性、製造コストが向上します。 |
| エレクトロニクス | より良く、より速いエネルギー貯蔵を備えたバッテリーは、最大15分で再充電できます。 |
| 可動性 | バイクは、グラフェンを使用して、350グラムの重さのより硬いタイヤとフレームを持つことができます。 |
グラフェン構造
グラフェンの構造は、六角形に連結された炭素のネットワークで構成されています。
炭素原子核は6つの陽子と6つの中性子で構成されています。 原子の6つの電子は2つの層に分布しています。
で 原子価層 4つの電子があり、このシェルは最大8つを保持します。 したがって、炭素が安定性を獲得するには、オクテット則に記載されているように、4つの接続を確立し、希ガスの電子配置に到達する必要があります。
グラフェン結合の原子 共有結合つまり、電子の共有があります。
炭素-炭素結合は自然界で見られる最も強い結合であり、各炭素は構造内の他の3つに結合します。 したがって、原子の混成はspです2、これは2つの単結合と1つの二重結合に対応します。
4つの炭素電子のうち、3つは隣接する原子と共有され、1つは結合を構成します。 は、たとえば、グラフェンが材料に「自由」を持っているため、優れた電気伝導体になるのに役立ちます。
グラフェンの特性
| 光 | 平方メートルの重さはわずか0.77ミリグラムです。 グラフェンエアロゲルは空気の約12倍軽いです。 |
|---|---|
| フレキシブル | 長さの最大25％まで拡張できます。 |
| 導体 | その電流密度は銅よりも高い。 |
| 耐久性 | 低温で膨張し、熱で収縮します。 ほとんどの物質は反対の方法で作用します。 |
| 防水 | 炭素によって形成されたメッシュは、ヘリウム原子の通過さえも許しません。 |
| 耐性 | 鋼の約200倍の強度。 |
| 半透明 | 光の2.3％しか吸収しません。 |
| 薄い | 人間の髪の毛の100万倍細い。 その厚さはたった1原子です。 |
| ハード | 知られている中で最も硬い素材で、ダイヤモンドよりもさらに硬い素材です。 |
グラフェンの歴史と発見
グラフェンという用語は1987年に最初に使用されましたが、1994年にUniãodeQuímicaPureandAppliedによって正式に承認されました。
この指定は、 黒鉛 接尾辞-eneを付けて、物質の二重結合を示します。
1950年代以降、ライナスポーリングはクラスで、六角形のリングで構成された炭素の薄層の存在について話しました。 フィリップラッセルウォレスはまた、数年前にこの構造のいくつかの重要な特性について説明しました。
しかし、ごく最近、2004年に、グラフェンはマンチェスター大学の物理学者AndreGeimとKonstantinNovoselovによって分離され、深く知られています。
彼らはグラファイトを研究しており、機械的剥離の技術を使用して、粘着テープを使用して材料の層を分離することに成功しました。 この功績により、2010年にペアにノーベル賞が授与されました。
ブラジルにとってのグラフェンの重要性
ブラジルには、グラフェンを含む材料である天然黒鉛の最大の埋蔵量の1つがあります。 グラファイトの自然保護区は世界全体の45％に達しています。
グラファイトの発生はブラジルの領土全体で観察されていますが、搾取された埋蔵量はミナスジェライス、セアラ、バイーアで見られます。
豊富な原材料を備えたブラジルは、この地域の研究にも投資しています。 グラフェンを使った研究を専門とするラテンアメリカで最初の研究所は、ブラジルのサンパウロにあるPresbiterianaMackenzie大学のMackGrapheにあります。
グラフェン製造
グラフェンは、炭化水素、炭化水素、カーボンナノチューブ、およびグラファイトから調製できます。 後者は出発材料として最も使用されています。
グラフェンの主な製造方法は次のとおりです。
- 機械的微小剥離：グラファイト結晶は、テープを使用してグラフェンの層が剥がされ、酸化シリコンを含む基板上に堆積されます。
- 化学的微小剥離：試薬の添加により炭素結合が弱まり、ネットワークが部分的に破壊されます。
- 化学蒸着：金属ニッケル表面などの固体支持体上に堆積したグラフェン層の形成。
グラフェン価格
工業規模でグラフェンを合成することの難しさは、この材料の価値がまだ非常に高いことを意味します。
グラファイトと比較して、その価格は何千倍も高いです。 1kgのグラファイトが1ドルで販売されているのに対し、150gのグラフェンは15,000ドルで販売されています。
グラフェンについての好奇心
- 欧州連合プロジェクト、名前付き グラフェンフラッグシップ、グラフェン、アプリケーション、および産業規模での生産開発に関連する研究に約13億ユーロを割り当てました。 23カ国の約150の機関がこのプロジェクトに参加しています。
- 宇宙旅行用に開発された最初のスーツケースは、その組成にグラフェンが含まれています。 その打ち上げは、NASAが火星への遠征を実施することを計画している2033年に予定されています。
- ボロフェンはグラフェンの新しい競争相手です。 この材料は2015年に発見され、グラフェンの改良版と見なされており、さらに柔軟性があり、耐性があり、導電性があります。
エネムのグラフェン
Enem 2018テストでは、 自然科学とその技術 グラフェンについてでした。 この問題のコメントされた解決策を以下で確認してください。
グラフェンは、1原子の厚さしかない圧縮された炭素原子の平面シート（2次元配列）で構成される同素体の炭素です。 その構造は、図に示すように六角形です。
この配置では、炭素原子は混成軌道を持っています
a）線形幾何学のsp。
b）sp2 平面三角形の幾何学。
c）sp3 直線形状のsp混成炭素と交互になります。
d）sp3平面形状のd。
e）sp3d2 六角形の平面形状。
正しい代替案：b）sp2 平面三角形の幾何学。
炭素同素体は、さまざまな単純な物質を形成する能力のために発生します。
炭素は価電子殻に4つの電子を持っているため、4価です。つまり、4つの共有結合を形成する傾向があります。 これらの結合は、シングル、ダブル、またはトリプルにすることができます。
炭素が作る結合に応じて、分子の空間構造は、原子を最もよく収容する配置に変化します。
混成軌道は軌道の組み合わせがある場合に発生し、炭素の場合は次のようになります：sp、sp2 およびsp3、通話の種類によって異なります。
混成軌道の数は、炭素が混成しないため、炭素が作るシグマ（σ）結合の合計です。
- sp：2シグマリンク
- sp2：3シグマリンク
- sp3：4シグマリンク
質問の図に示されているように、球棒モデルのグラフェン同素体の表現は、物質の真の結合を示していません。
しかし、画像の一部を見ると、ボールを表す1つの炭素が、三角形のような構造を形成する他の3つの炭素に接続していることがわかります。
炭素が4つの結合を必要とし、他の3つの炭素に結合している場合、それらの結合の1つは二重になります。
グラフェンは1つの二重結合と2つの単結合を持っているため、sp混成軌道を持っています2 その結果、三角形の平面形状になります。
炭素の他の既知の同素体は、グラファイト、ダイヤモンド、フラーレン、ナノチューブです。 それらはすべて炭素でできていますが、同素体はそれらの異なる構造に起因して、異なる特性を持っています。
あまりにも読む: エネムの化学 そして エネムの化学の質問.
