Grafen är ett nanomaterial som endast består av kol, där atomer binder samman för att bilda sexkantiga strukturer.
Det är den finaste kristallen som är känd och dess egenskaper gör den mycket önskvärd. Detta material är lätt, ledande av elektricitet, styvt och vattentätt.
Tillämpningen av grafen finns inom flera områden. De mest kända är: civilt byggande, energi, telekommunikation, medicin och elektronik.
Sedan det upptäcktes har grafen förblivit centrum för forskningsintresse. Studien av ansökningar om detta material mobiliserar institutioner och investeringar på miljoner euro. Så forskare runt om i världen fortsätter att försöka utveckla ett billigare sätt att producera det i stor skala.
Förstå vad grafen är
Grafen är en allotrop form av kol, där arrangemanget av atomerna i detta element bildar ett tunt skikt.
Denna allotrop är tvådimensionell, det vill säga den har bara två mått: bredd och höjd.
För att få en uppfattning om storleken på detta material motsvarar tjockleken på ett pappersark överlagringen av 3 miljoner lager grafen.
Även om det är det tunnaste materialet som isoleras och identifieras av människan, är dess dimension i storleksordningen nanometer. Den är lätt och stark, kapabel att leda elektricitet bättre än metaller som koppar och kisel.
Arrangemanget som kolatomer antar i grafens struktur gör att det finns mycket intressanta och önskvärda egenskaper.
Grafenapplikationer
Många företag och forskargrupper runt om i världen publicerar resultat av arbete med applikationer för grafen. Se nedan de viktigaste.
| Dricksvatten | Grafenformade membran kan avsalta och rena havsvatten. |
|---|---|
| CO-utsläpp2 | Grafenfilter kan minska koldioxidutsläppen2 genom att separera gaser som genereras av industrier och företag som kommer att avvisas. |
| sjukdomsdetektering | Mycket snabbare biomedicinska sensorer är baserade på grafen och kan upptäcka sjukdomar, virus och andra toxiner. |
| Konstruktion | Byggnadsmaterial som betong och aluminium görs lättare och starkare med tillsats av grafen. |
| Skönhet | Hårfärgning genom att spruta grafen, vars varaktighet skulle vara cirka 30 tvättar. |
| Mikroenheter | Flisen ännu mindre och starkare på grund av att kisel ersätts med grafen. |
| Energi | Solceller har bättre flexibilitet, mer transparens och lägre produktionskostnader med användning av grafen. |
| Elektronik | Batterier med bättre och snabbare energilagring kan laddas på upp till 15 minuter. |
| Rörlighet | Cyklar kan ha fastare däck och ramar som väger 350 gram med grafen. |
Grafenstruktur
Strukturen av grafen består av ett nätverk av kol kopplade i hexagoner.
Kolkärnan består av 6 protoner och 6 neutroner. Atons 6 elektroner är fördelade i två lager.
På valenslager det finns 4 elektroner, med detta skal som rymmer upp till 8. För att kol ska få stabilitet måste det därför göra fyra anslutningar och nå den elektroniska konfigurationen av ädelgas, som anges i oktettregeln.
Atomerna i grafen binder av kovalenta bindningardet vill säga det finns delning av elektroner.
Kol-kolbindningar är de starkaste bindningarna som finns i naturen och varje kol förenar de andra 3 i strukturen. Därför är hybridiseringen av atomen sp2, vilket motsvarar två enkel- och en dubbelbindningar.
Av de fyra kolelektronerna delas tre med angränsande atomer och en som utgör bindningen. , hjälper grafen till exempel att vara en bra ledare för elektricitet eftersom den har mer "frihet" i materialet.
Grafengenskaper
| Ljus | En kvadratmeter väger bara 0,77 milligram. En grafen-aerogel är ungefär 12 gånger lättare än luft. |
|---|---|
| Flexibel | Den kan expandera upp till 25% av sin längd. |
| Dirigent | Dess nuvarande densitet högre än koppar. |
| Hållbar | Det expanderar i kyla och krymper i värme. De flesta ämnen fungerar på motsatt sätt. |
| Vattentät | Det nät som bildas av kol tillåter inte ens passage av en heliumatom. |
| Resistent | Cirka 200 gånger starkare än stål. |
| Genomskinlig | Absorberar endast 2,3% av ljuset. |
| Tunn | En miljon gånger tunnare än ett människohår. Dess tjocklek är bara en atom. |
| Hård | Svårast kända material, ännu mer än diamant. |
Historia och upptäckt av grafen
Termen grafen användes först 1987 men erkändes först officiellt 1994 av União de Química Pure and Applied.
Denna beteckning uppstod från korsningen av grafit med suffixet -ene, med hänvisning till ämnets dubbelbindning.
Sedan 1950-talet talade Linus Pauling i sina klasser om förekomsten av ett tunt lager kol, som består av sexkantiga ringar. Philip Russell Wallace beskrev också några viktiga egenskaper hos denna struktur år tidigare.
Men först nyligen, 2004, isolerades grafen av fysikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester och kan vara djupt kända.
De studerade grafit och med hjälp av tekniken för mekanisk peeling lyckades de isolera ett lager av materialet med tejp. Denna prestation tilldelade paret Nobelpriset 2010.
Betydelsen av grafen för Brasilien
Brasilien har en av de största reserverna av naturlig grafit, ett material som innehåller grafen. Grafitreservat når 45% av världens totala.
Även om förekomsten av grafit observeras över hela det brasilianska territoriet finns de exploaterade reserverna i Minas Gerais, Ceará och Bahia.
Med riklig råvara investerar Brasilien också i forskning inom området. Det första laboratoriet i Latinamerika tillägnad forskning med grafen ligger i Brasilien vid Universidade Presbiteriana Mackenzie i São Paulo, kallat MackGraphe.
Grafentillverkning
Grafen kan framställas av karbid, kolväte, kolnanorör och grafit. Det senare är det mest använda som utgångsmaterial.
De viktigaste metoderna för produktion av grafen är:
- Mekanisk mikroexfoliering: En grafitkristall har skikt av grafen avdragna med hjälp av ett tejp som deponeras på substrat som innehåller kiseloxid.
- Kemisk mikroexfoliering: kolbindningar försvagas genom tillsats av reagens, vilket delvis bryter nätverket.
- kemisk ångavsättning: bildning av grafenskikt avsatta på fasta bärare, såsom metallisk nickelyta.
Grafenpris
Svårigheten med att syntetisera grafen i industriell skala innebär att värdet av detta material fortfarande är mycket högt.
Jämfört med grafit är priset tusentals gånger högre. Medan 1 kg grafit säljs för 1 dollar görs försäljningen av 150 g grafen för 15 000 dollar.
Nyfikenheter om Graphene
- Europeiska unionens projekt, namngiven Grafen flaggskepp, öronmärkt cirka 1,3 miljarder euro för forskning relaterad till grafen, applikationer och produktionsutveckling i industriell skala. Cirka 150 institutioner i 23 länder deltar i detta projekt.
- Den första resväskan som utvecklats för rymdresor har grafen i sin sammansättning. Lanseringen är planerad till 2033, när NASA planerar att genomföra expeditioner till Mars.
- Borophene är grafens nya konkurrent. Detta material upptäcktes 2015 och anses vara en förbättrad version av grafen, som är ännu mer flexibel, beständig och ledande.
Grafen i Enem
I Enem 2018-testet är en av frågorna från Naturvetenskap och dess teknik handlade om grafen. Se nedan den kommenterade lösningen på denna fråga.
Grafen är en allotropisk form av kol som består av ett plan ark (tvådimensionellt array) av komprimerade kolatomer som bara är en atom tjock. Dess struktur är sexkantig, som visas i figuren.
I detta arrangemang har kolatomerna hybridisering
a) sp linjär geometri.
b) sp2 av plan trigonal geometri.
c) sp3 alternerad med sp-hybridiserade kol med linjär geometri.
d) sp3d av plan geometri.
e) sp3d2 med sexkantig plan geometri.
rätt alternativ: b) sp2 av plan trigonal geometri.
Kolallotropi uppstår på grund av dess förmåga att bilda olika enkla ämnen.
Eftersom det har 4 elektroner i valensskalet är kol fyrvärt, det vill säga det tenderar att göra 4 kovalenta bindningar. Dessa obligationer kan vara enkla, dubbla eller tredubbla.
Beroende på bindningarna som kol bildar ändras molekylens rumsliga struktur till det arrangemang som bäst rymmer atomerna.
Hybridisering sker när det finns en kombination av orbitaler, och för kol kan det vara: sp, sp2 och sp3, beroende på typen av samtal.
Antalet hybridorbitaler är summan av sigma (σ) bindningar som kolet bildar, eftersom bindningen inte hybridiserar.
- sp: 2 sigma länkar
- sp2: 3 sigma-länkar
- sp3: 4 sigma-länkar
Representationen av grafenallotropen i kulor och pinnar, som visas i figuren i frågan, visar inte ämnets sanna bindningar.
Men om vi tittar på en del av bilden ser vi att det finns ett kol som representerar en boll som ansluter till tre andra kol som bildar en struktur som en triangel.
Om kol behöver 4 bindningar och är bunden till 3 andra kol, är en av dessa bindningar dubbelt.
Eftersom den har en dubbel och två enkelbindningar har grafen sp-hybridisering2 och följaktligen trigonal plan geometri.
De andra kända allotropiska formerna av kol är: grafit, diamant, fulleren och nanorör. Även om de alla är gjorda av kol, har allotroper olika egenskaper som härrör från deras olika strukturer.
Läs också: Kemi i fiende och Kemifrågor i fiende.
