Графен је наноматеријал састављен само од угљеника, у коме се атоми везују и формирају хексагоналне структуре.
То је најфинији познати кристал и његова својства га чине изузетно пожељним. Овај материјал је лаган, електропроводљив, крут и водоотпоран.
Применљивост графена је у неколико области. Најпознатија су: грађевинарство, енергетика, телекомуникације, медицина и електроника.
Од када је откривен, графен је остао у центру истраживачког интереса. Проучавање апликација за овај материјал мобилише институције и инвестиције у милионима евра. Дакле, научници широм света и даље покушавају да развију јефтинији начин за производњу у великим размерама.
Разумевање шта је графен
Графен је алотропни облик угљеника, где распоред атома овог елемента чини танак слој.
Овај алотроп је дводимензионалан, односно има само два мерења: ширину и висину.
Да бисмо стекли представу о величини овог материјала, дебљина листа папира одговара суперпозицији 3 милиона слојева графена.
Иако је то најтањи материјал који је човек изоловао и идентификовао, његова димензија је реда нанометра. Лаган је и јак, способан да проводи електричну енергију боље од метала попут бакра и силицијума.
Распоред који атоми угљеника попримају у структури графена чини у њему врло занимљиве и пожељне карактеристике.
Грапхене Апплицатионс
Многе компаније и истраживачке групе широм света објављују резултате рада који укључује апликације за графен. Погледајте испод главне.
| Питка вода | Мембране обликоване графеном способне су за десалинизацију и пречишћавање морске воде. |
|---|---|
| Емисије ЦО2 | Графенски филтери су у стању да смање емисију ЦО2 одвајањем гасова које генеришу индустрије и предузећа која ће бити одбачена. |
| откривање болести | Много бржи биомедицински сензори засновани су на графену и могу открити болести, вирусе и друге токсине. |
| Конструкција | Грађевински материјали попут бетона и алуминијума чине се лакшим и чвршћим додавањем графена. |
| Лепота | Бојење косе прскањем графена, чије би трајање било око 30 прања. |
| Микроуређаји | Чипс још мањи и јачи због замене силицијума графеном. |
| Енергија | Соларне ћелије имају бољу флексибилност, већу транспарентност и ниже трошкове производње уз употребу графена. |
| Електроника | Батерије са бољим и бржим складиштењем енергије могу се напунити до 15 минута. |
| Мобилност | Бицикли могу имати чвршће гуме и оквире тешке 350 грама користећи графен. |
Грапхене Структура
Структуру графена чини мрежа угљеника повезаних у хексагоне.
Језгро угљеника састоји се од 6 протона и 6 неутрона. 6 електрона атома распоређено је у два слоја.
У валентни слој постоје 4 електрона, са овом љуском која држи до 8. Стога, да би угљеник стекао стабилност, мора да успостави 4 везе и достигне електронску конфигурацију племенитог гаса, како је наведено у правилу октета.
Атоми у графену везују се ковалентне везе, односно постоји дељење електрона.
Везе угљеник-угљеник су најјаче везе које се налазе у природи и сваки угљеник се у структури придружује осталим 3. Према томе, хибридизација атома је сп2, што одговара 2 једноструке и једној двострукој вези.
Од 4 електрона угљеника, три се деле са суседним атомима и један који чини везу. , помаже графену, на пример, да буде добар проводник електричне енергије јер има више „слободе“ у материјалу.
Грапхене Пропертиес
| Светлост | Квадратни метар тежак је само 0,77 милиграма. Графенски аерогел је око 12 пута лакши од ваздуха. |
|---|---|
| Флексибилно | Може се проширити до 25% своје дужине. |
| Диригент | Његова густина струје је већа од бакра. |
| Издржљив | Проширује се на хладноћи, а смањује на топлоти. Већина супстанци делује супротно. |
| Водоотпоран | Мрежа коју чине угљеници не дозвољава ни пролазак атома хелијума. |
| Отпоран | Отприлике 200 пута јачи од челика. |
| Транслуцент | Апсорбује само 2,3% светлости. |
| Танка | Милион пута тањи од људске косе. Његова дебљина је само један атом. |
| Тешко | Познат најтврђи материјал, чак и више од дијаманта. |
Историја и откриће графена
Термин графен први пут је употребљен 1987. године, али га је Униао де Куимица Пуре анд Апплиед признао званично тек 1994. године.
Ова ознака настала је на споју графит са наставком -ене, који се односи на двоструку везу супстанце.
Од педесетих година 20. века Линус Паулинг је у својим предавањима говорио о постојању танког слоја угљеника, који се састоји од шестоугаоних прстенова. Пхилип Русселл Валлаце такође је годинама раније описао нека важна својства ове структуре.
Међутим, тек недавно, 2004. године, физичари Андре Геим и Константин Новоселов на Универзитету у Манчестеру графен су изоловали и могу бити дубоко познати.
Проучавали су графит и техником механичког пилинга лепљивом траком успели да изолују слој материјала. Ово достигнуће доделило је Нобелову награду пару 2010. године.
Значај графена за Бразил
Бразил има једну од највећих резерви природног графита, материјала који садржи графен. Природне резерве графита достижу 45% укупног светског.
Иако се појава графита примећује на читавој бразилској територији, експлоатисане резерве налазе се у Минас Гераису, Цеара и Бахиа.
Уз обилне сировине, Бразил такође улаже у истраживања у том подручју. Прва лабораторија у Латинској Америци посвећена истраживању графена налази се у Бразилу, на Универзитету Пресбитериана Мацкензие у Сао Паулу, под називом МацкГрапхе.
Производња графена
Графен се може припремити од карбида, угљоводоника, наноцеви од угљеника и графита. Ово последње се најчешће користи као полазни материјал.
Главни методи производње графена су:
- Механичко микропилинг: Графитни кристал уклања слојеве графена помоћу траке који се таложе на подлогама које садрже силицијум-оксид.
- Хемијско микро пилинг: угљеничне везе су ослабљене додавањем реагенаса, делимично прекидајући мрежу.
- таложење хемијских испарења: формирање слојева графена одложених на чврстим носачима, попут металне површине никла.
Цена графена
Тешкоћа синтезе графена у индустријским размерама значи да је вредност овог материјала и даље веома висока.
У поређењу са графитом, његова цена је хиљадама пута већа. Док се 1 кг графита продаје за 1 долар, продаја 150 г графена врши се за 15 000 долара.
Занимљивости о графену
- Пројекат Европске уније, назван Грапхене Флагсхип, наменио око 1,3 милијарде евра за истраживање везано за графен, примене и развој производње у индустријским размерама. У овом пројекту учествује око 150 институција у 23 земље.
- Први кофер развијен за свемирска путовања у свом саставу има графен. Његово лансирање заказано је за 2033. годину, када НАСА планира да изврши експедиције на Марс.
- Борофен је нови конкурент графену. Овај материјал је откривен 2015. године и сматра се побољшаном верзијом графена, још флексибилнији, отпорнији и проводљив.
Графен у Енем-у
У тесту Енем 2018, једно од питања Природне науке и њихове технологије био око графена. Погледајте испод коментарисаног решења овог проблема.
Графен је алотропни облик угљеника који се састоји од равног слоја (дводимензионални низ) збијених атома угљеника дебљине само једног атома. Његова структура је шестоугаона, као што је приказано на слици.
У овом распореду атоми угљеника имају хибридизацију
а) сп линеарне геометрије.
б) сп2 равнинске тригоналне геометрије.
ц) сп3 наизменично са сп-хибридизованим угљенима линеарне геометрије.
д) сп3д планарне геометрије.
е) сп3д2 са хексагоналном равном геометријом.
исправна алтернатива: б) сп2 равнинске тригоналне геометрије.
Алотропија угљеника настаје због његове способности да формира различите једноставне супстанце.
Будући да има 4 електрона у валентној љусци, угљеник је четверовалентан, односно тежи да створи 4 ковалентне везе. Те обвезнице могу бити појединачне, двоструке или троструке.
У зависности од веза које угљеник ствара, просторна структура молекула се мења у распоред који најбоље прилагођава атоме.
До хибридизације долази када постоји комбинација орбитала, а за угљеник то може бити: сп, сп2 и сп3, у зависности од врсте позива.
Број хибридних орбитала је збир сигма (σ) веза које угљеник ствара, јер веза не хибридизује.
- сп: 2 сигма везе
- сп2: 3 сигма везе
- сп3: 4 сигма везе
Заступљеност графенског алотропа у куглицама и штапићима, као што је приказано на слици у питању, не показује праве везе супстанце.
Али ако погледамо део слике, видећемо да постоји један угљеник, који представља куглу, повезујући се са три друга угљеника формирајући структуру попут троугла.
Ако су угљену потребне 4 везе и везан је за 3 друга угљеника, онда је једна од тих веза двострука.
Пошто има једну двоструку и две једноструке везе, графен има сп хибридизацију2 и, сходно томе, тригонална планарна геометрија.
Остали познати алотропни облици угљеника су: графит, дијамант, фулерен и наноцев. Иако су сви направљени од угљеника, алотропи имају различита својства, која потичу из њихове различите структуре.
Прочитајте и ви: Хемија у Енем-у и Питања о хемији у Енем-у.
