Grafen to nanomateriał składający się wyłącznie z węgla, w którym atomy łączą się ze sobą, tworząc struktury heksagonalne.
Jest to najdrobniejszy znany kryształ, a jego właściwości sprawiają, że jest bardzo pożądany. Materiał ten jest lekki, przewodzący prąd, sztywny i wodoodporny.
Możliwość zastosowania grafenu jest w kilku obszarach. Najbardziej znane to: budownictwo cywilne, energetyka, telekomunikacja, medycyna i elektronika.
Od momentu odkrycia grafen pozostaje w centrum zainteresowań badawczych. Badanie wniosków o ten materiał mobilizuje instytucje i inwestycje o wartości milionów euro. Dlatego naukowcy na całym świecie starają się opracować tańszy sposób na produkcję na dużą skalę.
Zrozumieć, czym jest grafen
Grafen jest alotropową formą węgla, w której układ atomów tego pierwiastka tworzy cienką warstwę.
Ten alotrop jest dwuwymiarowy, to znaczy ma tylko dwa wymiary: szerokość i wysokość.
Aby zorientować się w wielkości tego materiału, grubość arkusza papieru odpowiada superpozycji 3 milionów warstw grafenu.
Chociaż jest to najcieńszy materiał wyizolowany i zidentyfikowany przez człowieka, jego wymiary są rzędu nanometrów. Jest lekki i wytrzymały, lepiej przewodzi prąd niż metale takie jak miedź i krzem.
Układ, jaki przyjmują atomy węgla w strukturze grafenu sprawia, że można w nim znaleźć bardzo interesujące i pożądane cechy.
Zastosowania grafenu
Wiele firm i grup badawczych na całym świecie publikuje wyniki prac nad aplikacjami grafenu. Zobacz poniżej główne.
| Woda pitna | Membrany utworzone z grafenu są zdolne do odsalania i oczyszczania wody morskiej. |
|---|---|
| Emisje CO2 | Filtry grafenowe są w stanie zmniejszyć emisję CO2 poprzez oddzielenie gazów wytwarzanych przez przemysł i przedsiębiorstwa, które zostaną odrzucone. |
| wykrywanie chorób | Znacznie szybsze czujniki biomedyczne są oparte na grafenie i mogą wykrywać choroby, wirusy i inne toksyny. |
| Budowa | Materiały budowlane, takie jak beton i aluminium, są lżejsze i mocniejsze dzięki dodatkowi grafenu. |
| Piękno | Farbowanie włosów metodą natrysku grafenu, które trwałoby około 30 prań. |
| Mikrourządzenia | Chipy są jeszcze mniejsze i mocniejsze dzięki zastąpieniu krzemu grafenem. |
| Energia | Ogniwa słoneczne mają lepszą elastyczność, większą przejrzystość i niższe koszty produkcji przy użyciu grafenu. |
| Elektronika | Baterie z lepszym i szybszym magazynowaniem energii mogą ładować się nawet w 15 minut. |
| Mobilność | Rowery mogą mieć twardsze opony i ramy ważące 350 gramów przy użyciu grafenu. |
Struktura grafenu
Struktura grafenu składa się z sieci węgli połączonych w sześciokąty.
Jądro węgla składa się z 6 protonów i 6 neutronów. 6 elektronów atomu jest rozmieszczonych w dwóch warstwach.
W warstwa walencyjna są 4 elektrony, a ta powłoka może pomieścić do 8. Dlatego, aby węgiel uzyskał stabilność, musi wykonać 4 połączenia i osiągnąć elektroniczną konfigurację gazu szlachetnego, jak określono w regule oktetu.
Atomy w grafenie wiążą się przez wiązania kowalencyjne, to znaczy istnieje współdzielenie elektronów.
Wiązania węgiel-węgiel są najsilniejszymi wiązaniami występującymi w naturze, a każdy węgiel łączy się z pozostałymi 3 w strukturze. Dlatego hybrydyzacja atomu to sp2, co odpowiada 2 wiązaniom pojedynczym i jednemu podwójnemu.
Z 4 elektronów węgla trzy są wspólne z sąsiednimi atomami i jeden, który tworzy wiązanie. , pomaga grafenowi, na przykład, być dobrym przewodnikiem elektryczności, ponieważ ma więcej „wolności” w materiale.
Właściwości grafenu
| Lekki | Metr kwadratowy waży zaledwie 0,77 miligrama. Aerożel grafenowy jest około 12 razy lżejszy od powietrza. |
|---|---|
| Elastyczne | Może rozszerzyć się do 25% swojej długości. |
| Konduktor | Jego gęstość prądu jest wyższa niż miedzi. |
| Trwały | Rozszerza się na zimno i kurczy pod wpływem ciepła. Większość substancji działa w odwrotny sposób. |
| Wodoodporny | Siatka utworzona przez węgle nie pozwala nawet na przejście atomu helu. |
| Odporny | Około 200 razy mocniejszy od stali. |
| Przeświecający | Pochłania tylko 2,3% światła. |
| Chudy | Milion razy cieńszy niż ludzki włos. Jego grubość to tylko jeden atom. |
| Ciężko | Najtwardszy znany materiał, nawet bardziej niż diament. |
Historia i odkrycie grafenu
Termin grafen został po raz pierwszy użyty w 1987 roku, ale został oficjalnie uznany dopiero w 1994 roku przez União de Química Pure and Applied.
To oznaczenie powstało od skrzyżowania grafit z przyrostkiem -ene, odnoszącym się do podwójnego wiązania substancji.
Od lat pięćdziesiątych Linus Pauling mówił na swoich zajęciach o istnieniu cienkiej warstwy węgla złożonej z sześciokątnych pierścieni. Philip Russell Wallace również opisał kilka ważnych właściwości tej struktury wiele lat wcześniej.
Jednak dopiero niedawno, w 2004 roku, grafen został wyizolowany przez fizyków Andre Geima i Konstantina Novoselova z Uniwersytetu w Manchesterze i może być głęboko znany.
Badali grafit i przy użyciu techniki eksfoliacji mechanicznej udało im się wyizolować warstwę materiału za pomocą taśmy klejącej. To osiągnięcie przyznało parze Nagrodę Nobla w 2010 roku.
Znaczenie grafenu dla Brazylii
Brazylia posiada jeden z największych zasobów grafitu naturalnego, materiału zawierającego grafen. Rezerwaty naturalne grafitu sięgają 45% światowych zasobów.
Chociaż występowanie grafitu obserwuje się na całym terytorium Brazylii, eksploatowane złoża znajdują się w Minas Gerais, Ceará i Bahia.
Dzięki obfitości surowców Brazylia inwestuje również w badania na tym obszarze. Pierwsze w Ameryce Łacińskiej laboratorium zajmujące się badaniami nad grafenem znajduje się w Brazylii, na Universidade Presbiteriana Mackenzie w São Paulo, pod nazwą MackGraphe.
Produkcja grafenu
Grafen można otrzymać z węglika, węglowodoru, nanorurki węglowej i grafitu. Ten ostatni jest najczęściej używany jako materiał wyjściowy.
Główne metody produkcji grafenu to:
- Mikroeksfoliacja mechaniczna: Kryształ grafitu ma warstwy grafenu oderwane za pomocą taśmy, które są osadzane na podłożach zawierających tlenek krzemu.
- Mikroeksfoliacja chemiczna: wiązania węglowe są osłabione przez dodanie odczynników, częściowo rozrywając sieć.
- chemiczne osadzanie z fazy gazowej: tworzenie warstw grafenowych osadzonych na stałych nośnikach, takich jak metaliczna powierzchnia niklowa.
Cena grafenu
Trudność syntezy grafenu na skalę przemysłową sprawia, że wartość tego materiału jest nadal bardzo wysoka.
W porównaniu do grafitu jego cena jest tysiące razy wyższa. Podczas gdy 1 kg grafitu sprzedaje się za 1 dolara, 150 g grafenu kosztuje 15 000 dolarów.
Ciekawostki o Grafen
- Projekt Unii Europejskiej o nazwie Flagowy grafenprzeznaczono około 1,3 mld euro na badania związane z grafenem, zastosowaniami i rozwojem produkcji na skalę przemysłową. W projekcie uczestniczy około 150 instytucji z 23 krajów.
- Pierwsza walizka stworzona do podróży kosmicznych ma w swoim składzie grafen. Jego start zaplanowano na 2033 rok, kiedy NASA planuje przeprowadzić ekspedycje na Marsa.
- Borofen to nowy konkurent grafenu. Ten materiał został odkryty w 2015 roku i jest uważany za ulepszoną wersję grafenu, będąc jeszcze bardziej elastycznym, wytrzymałym i przewodzącym.
Grafen w Enem
W teście Enem 2018 jedno z pytań Nauki przyrodnicze i ich technologie dotyczyło grafenu. Sprawdź poniżej skomentowane rozwiązanie tego problemu.
Grafen to alotropowa forma węgla składająca się z płaskiego arkusza (dwuwymiarowego układu) zwartych atomów węgla, które mają grubość tylko jednego atomu. Jego struktura jest sześciokątna, jak pokazano na rysunku.
W tym układzie atomy węgla mają hybrydyzację
a) sp geometrii liniowej.
b) sp2 płaskiej geometrii trygonalnej.
c) sp3 na przemian z węglem hybrydyzowanym sp o geometrii liniowej.
d) sp3d geometrii płaskiej.
e) sp3re2 z sześciokątną geometrią płaską.
poprawna alternatywa:b) sp2 płaskiej geometrii trygonalnej.
Alotropia węgla występuje ze względu na jego zdolność do tworzenia różnych prostych substancji.
Ponieważ ma 4 elektrony w powłoce walencyjnej, węgiel jest czterowartościowy, to znaczy ma tendencję do tworzenia 4 wiązań kowalencyjnych. Wiązania te mogą być pojedyncze, podwójne lub potrójne.
W zależności od wiązań, które tworzy węgiel, przestrzenna struktura cząsteczki zmienia się w taki sposób, aby najlepiej pomieścić atomy.
Hybrydyzacja zachodzi, gdy istnieje kombinacja orbitali, a dla węgla może to być: sp, sp2 i sp3, w zależności od rodzaju połączeń.
Liczba orbitali hybrydowych jest sumą wiązań sigma (σ), które tworzy węgiel, ponieważ wiązanie nie hybrydyzuje.
- sp: 2 linki sigma
- sp2: 3 linki sigma
- sp3: 4 linki sigma
Przedstawienie alotropu grafenu w kulkach i sztyftach, jak pokazano na rysunku w pytaniu, nie pokazuje prawdziwych wiązań substancji.
Ale jeśli spojrzymy na część obrazu, zobaczymy, że jest jeden węgiel reprezentujący kulę, łączący się z trzema innymi węglami, tworząc strukturę przypominającą trójkąt.
Jeśli węgiel potrzebuje 4 wiązań i jest związany z 3 innymi węglami, to jedno z tych wiązań jest podwójne.
Ponieważ ma jedno podwójne i dwa pojedyncze wiązania, grafen ma hybrydyzację sp2 iw konsekwencji trygonalna geometria płaska.
Inne znane alotropowe formy węgla to: grafit, diament, fuleren i nanorurka. Chociaż wszystkie są wykonane z węgla, alotropy mają różne właściwości wynikające z ich odmiennej budowy.
Przeczytaj też: Chemia w Enem i Pytania chemiczne w Enem.