Graphene: มันคืออะไร การใช้งาน โครงสร้าง และคุณสมบัติ

กราฟีนเป็นวัสดุนาโนที่ประกอบด้วยคาร์บอนเท่านั้น ซึ่งอะตอมเชื่อมโยงกันเป็นโครงสร้างหกเหลี่ยม

เป็นคริสตัลที่ดีที่สุดและมีคุณสมบัติเป็นที่ต้องการอย่างมาก วัสดุนี้มีน้ำหนักเบา นำไฟฟ้าได้ แข็งและกันน้ำได้

การบังคับใช้ของกราฟีนอยู่ในหลายด้าน ที่รู้จักกันดีที่สุดคือ: การก่อสร้างทางแพ่ง, พลังงาน, โทรคมนาคม, ยาและอิเล็กทรอนิกส์

นับตั้งแต่มีการค้นพบ กราฟีนยังคงเป็นศูนย์กลางของความสนใจในการวิจัย การศึกษาแอปพลิเคชันสำหรับเนื้อหานี้ระดมสถาบันและการลงทุนนับล้านยูโร ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงพยายามพัฒนาวิธีที่ถูกกว่าเพื่อผลิตในปริมาณมาก

ทำความเข้าใจว่ากราฟีนคืออะไร

กราฟีนเป็นคาร์บอนในรูปแบบ allotropic โดยที่การจัดเรียงอะตอมของธาตุนี้จะสร้างชั้นบางๆ

allotrope นี้เป็นแบบสองมิตินั่นคือมีเพียงสองการวัด: ความกว้างและความสูง

เพื่อให้ได้แนวคิดเกี่ยวกับขนาดของวัสดุนี้ ความหนาของแผ่นกระดาษจะสอดคล้องกับการทับซ้อนของกราฟีน 3 ล้านชั้น

แม้ว่าจะเป็นวัสดุที่บางที่สุดที่มนุษย์แยกออกมาและระบุได้ แต่ขนาดของวัสดุนั้นอยู่ในลำดับนาโนเมตร มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าโลหะเช่นทองแดงและซิลิกอน

การจัดเรียงที่อะตอมของคาร์บอนถือว่าอยู่ในโครงสร้างของกราฟีนทำให้พบคุณลักษณะที่น่าสนใจและน่าพึงพอใจอย่างมาก

การประยุกต์ใช้กราฟีน

บริษัทและกลุ่มวิจัยหลายแห่งทั่วโลกกำลังเผยแพร่ผลงานที่เกี่ยวข้องกับแอปพลิเคชันสำหรับกราฟีน ดูด้านล่างคนหลัก

น้ำดื่ม	เยื่อที่สร้างด้วยกราฟีนสามารถแยกเกลือออกจากน้ำทะเลและทำให้น้ำทะเลบริสุทธิ์ได้
การปล่อย CO2	ตัวกรองกราฟีนสามารถลดการปล่อย CO ได้2 โดยแยกก๊าซที่เกิดจากอุตสาหกรรมและธุรกิจที่จะถูกปฏิเสธ
การตรวจหาโรค	เซ็นเซอร์ชีวการแพทย์ที่เร็วกว่ามากนั้นใช้กราฟีนและสามารถตรวจจับโรค ไวรัส และสารพิษอื่นๆ ได้
การก่อสร้าง	วัสดุก่อสร้างเช่นคอนกรีตและอลูมิเนียมมีน้ำหนักเบาและแข็งแรงขึ้นด้วยการเติมกราฟีน
ความงาม	การทำสีผมโดยการพ่นกราฟีน ซึ่งระยะเวลาซักประมาณ 30 ครั้ง
ไมโครอุปกรณ์	ชิปมีขนาดเล็กลงและแข็งแกร่งขึ้นด้วยการเปลี่ยนซิลิกอนด้วยกราฟีน
พลังงาน	เซลล์แสงอาทิตย์มีความยืดหยุ่นที่ดีขึ้น มีความโปร่งใสมากขึ้น และลดต้นทุนการผลิตด้วยการใช้กราฟีน
อิเล็กทรอนิกส์	แบตเตอรี่ที่มีการจัดเก็บพลังงานที่ดีขึ้นและเร็วขึ้นสามารถชาร์จใหม่ได้ภายใน 15 นาที
ความคล่องตัว	จักรยานสามารถมียางและเฟรมที่แน่นกว่าซึ่งมีน้ำหนัก 350 กรัมโดยใช้กราฟีน

โครงสร้างกราฟีน

โครงสร้างของกราฟีนประกอบด้วยเครือข่ายของคาร์บอนที่เชื่อมโยงกันเป็นรูปหกเหลี่ยม

นิวเคลียสของคาร์บอนประกอบด้วยโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว อิเล็กตรอน 6 ตัวของอะตอมมีการกระจายออกเป็นสองชั้น

ที่ ชั้นวาเลนซ์ มีอิเล็กตรอน 4 ตัว โดยเปลือกนี้มีมากถึง 8 ตัว ดังนั้น เพื่อให้คาร์บอนได้รับความเสถียร คาร์บอนจะต้องทำการเชื่อมต่อ 4 จุดและไปถึงการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของก๊าซมีตระกูลตามที่ระบุไว้ในกฎออกเตต

อะตอมในพันธะกราฟีนโดย พันธะโควาเลนต์นั่นคือมีการแบ่งปันอิเล็กตรอน

โครงสร้างกราฟีน

พันธะคาร์บอน-คาร์บอนเป็นพันธะที่แข็งแรงที่สุดที่พบในธรรมชาติ และคาร์บอนแต่ละตัวจะรวมตัวกับอีก 3 ตัวในโครงสร้าง ดังนั้นการผสมพันธุ์ของอะตอมจึงเป็น sp²ซึ่งสอดคล้องกับ 2 พันธะเดี่ยวและหนึ่งพันธะคู่

sp การผสมพันธุ์² คาร์บอนในกราฟีน

จากคาร์บอนอิเล็คตรอน 4 ตัว สามตัวถูกใช้ร่วมกับอะตอมข้างเคียง และอีก 1 ตัวซึ่งประกอบเป็นพันธะ ช่วยให้กราฟีนเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี เพราะมี "อิสระ" ในวัสดุมากกว่า

คุณสมบัติของกราฟีน

เบา	ตารางเมตรมีน้ำหนักเพียง 0.77 มิลลิกรัม กราฟีนแอโรเจลเบากว่าอากาศประมาณ 12 เท่า
ยืดหยุ่นได้	สามารถขยายได้ถึง 25% ของความยาว
คอนดักเตอร์	ความหนาแน่นกระแสสูงกว่าทองแดง
ทนทาน	มันขยายตัวในที่เย็นและหดตัวในความร้อน สารส่วนใหญ่ทำหน้าที่ตรงกันข้าม
กันน้ำ	ตาข่ายที่เกิดจากคาร์บอนไม่อนุญาตให้อะตอมฮีเลียมผ่านได้
ทน	แข็งแกร่งกว่าเหล็กประมาณ 200 เท่า
โปร่งแสง	ดูดซับแสงเพียง 2.3%
ผอม	บางกว่าเส้นผมมนุษย์ล้านเท่า ความหนาของมันคืออะตอมเดียวเท่านั้น
ยาก	รู้จักวัสดุที่แข็งที่สุด ยิ่งกว่าเพชรเสียอีก

ประวัติและการค้นพบกราฟีน

คำว่า graphene ถูกใช้ครั้งแรกในปี 1987 แต่ได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการในปี 1994 โดย União de Química Pure and Applied

การกำหนดนี้เกิดขึ้นจากทางแยกของ กราไฟท์ ด้วยคำต่อท้าย -ene หมายถึงพันธะคู่ของสาร

ตั้งแต่ปี 1950 Linus Pauling ได้พูดในชั้นเรียนของเขาเกี่ยวกับการมีอยู่ของชั้นบางๆ ของคาร์บอน ซึ่งประกอบด้วยวงแหวนหกเหลี่ยม Philip Russell Wallace ยังได้อธิบายคุณสมบัติที่สำคัญบางประการของโครงสร้างนี้เมื่อหลายปีก่อน

อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้ ในปี 2547 กราฟีนถูกแยกออกโดยนักฟิสิกส์ Andre Geim และ Konstantin Novoselov ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ และสามารถเป็นที่รู้จักอย่างลึกซึ้ง

พวกเขากำลังศึกษากราไฟต์และใช้เทคนิคการขัดผิวด้วยกลไกเพื่อแยกชั้นของวัสดุโดยใช้เทปกาว ความสำเร็จนี้ทำให้ทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2010

ความสำคัญของกราฟีนสำหรับบราซิล

บราซิลมีกราไฟท์ธรรมชาติสำรองที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่ง ซึ่งเป็นวัสดุที่มีกราไฟท์ ปริมาณสำรองธรรมชาติกราไฟท์สูงถึง 45% ของทั้งหมดของโลก

แม้ว่ากราไฟต์จะสังเกตเห็นได้ทั่วทั้งดินแดนของบราซิล แต่แหล่งสำรองที่ใช้ประโยชน์ได้นั้นพบได้ในมินัสเชไรส์ เซอารา และบาเฮีย

ด้วยวัตถุดิบที่อุดมสมบูรณ์ บราซิลยังลงทุนในการวิจัยในพื้นที่ ห้องปฏิบัติการแห่งแรกในละตินอเมริกาที่อุทิศให้กับการวิจัยเกี่ยวกับกราฟีนตั้งอยู่ในบราซิล ที่ Universidade Presbiteriana Mackenzie ในเซาเปาโล เรียกว่า MackGraphe

การผลิตกราฟีน

กราฟีนสามารถเตรียมได้จากคาร์ไบด์ ไฮโดรคาร์บอน ท่อนาโนคาร์บอน และกราไฟต์ อย่างหลังเป็นวัสดุที่ใช้ตั้งต้นมากที่สุด

วิธีหลักในการผลิตกราฟีนคือ:

• การขัดผิวด้วยเครื่องกล: กราไฟต์คริสตัลมีชั้นของกราฟีนที่ลอกออกโดยใช้เทป ซึ่งวางอยู่บนพื้นผิวที่มีซิลิกอนออกไซด์
• การขัดผิวด้วยสารเคมี: พันธะคาร์บอนอ่อนแอลงเมื่อเติมรีเอเจนต์ ทำลายเครือข่ายบางส่วน
• การสะสมของไอเคมี: การก่อตัวของชั้นกราฟีนที่วางอยู่บนฐานรองรับที่เป็นของแข็ง เช่น ผิวโลหะนิกเกิล

ราคากราฟีน

ความยากในการสังเคราะห์กราฟีนในระดับอุตสาหกรรมหมายความว่ามูลค่าของวัสดุนี้ยังคงสูงมาก

เมื่อเทียบกับกราไฟท์ ราคาของมันสูงกว่าหลายพันเท่า ในขณะที่กราไฟท์ 1 กิโลกรัมขายได้ 1 ดอลลาร์ การขายกราฟีน 150 กรัมจะทำได้ในราคา 15,000 ดอลลาร์

ความอยากรู้เกี่ยวกับกราฟีน

• โครงการสหภาพยุโรปชื่อ กราฟีนแฟลกชิพโดยจัดสรรเงินประมาณ 1.3 พันล้านยูโรสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับกราฟีน การใช้งานและการพัฒนาการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ประมาณ 150 สถาบันใน 23 ประเทศเข้าร่วมในโครงการนี้
• กระเป๋าเดินทางใบแรกที่พัฒนาขึ้นเพื่อการเดินทางในอวกาศมีกราฟีนอยู่ในองค์ประกอบ การเปิดตัวมีกำหนดในปี 2033 เมื่อ NASA วางแผนที่จะดำเนินการสำรวจไปยังดาวอังคาร
• Borophene เป็นคู่แข่งรายใหม่ของกราฟีน วัสดุนี้ถูกค้นพบในปี 2015 และถือเป็นรุ่นปรับปรุงของกราฟีน โดยมีความยืดหยุ่น ทนทาน และนำไฟฟ้าได้มากขึ้น

กราฟีนใน Enem

ในการทดสอบ Enem 2018 หนึ่งในคำถามของ วิทยาศาสตร์ธรรมชาติและเทคโนโลยี เกี่ยวกับกราฟีน ตรวจสอบความละเอียดที่แสดงความคิดเห็นของปัญหานี้ด้านล่าง

กราฟีนเป็นคาร์บอนในรูปแบบ allotropic ซึ่งประกอบด้วยแผ่นระนาบ (อาร์เรย์สองมิติ) ของอะตอมคาร์บอนอัดแน่นที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว โครงสร้างเป็นทรงหกเหลี่ยมดังแสดงในรูป

ในการจัดเรียงนี้ อะตอมของคาร์บอนมีการไฮบริไดเซชัน

a) sp ของเรขาคณิตเชิงเส้น
ข) sp² ของเรขาคณิตตรีโกณมิติระนาบ
ค) sp³ สลับกับ sp-hybridized carbons ของเรขาคณิตเชิงเส้น
ง) sp³d ของเรขาคณิตระนาบ
จ) sp³d² ด้วยเรขาคณิตระนาบหกเหลี่ยม

ทางเลือกที่ถูกต้อง:b) sp² ของเรขาคณิตตรีโกณมิติระนาบ

Carbon allotropy เกิดขึ้นเนื่องจากความสามารถในการสร้างสารง่าย ๆ ที่แตกต่างกัน

เนื่องจากมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในเปลือกเวเลนซ์ คาร์บอนจึงเป็นเตตระวาเลนต์ กล่าวคือ มีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะโควาเลนต์ 4 พันธะ พันธะเหล่านี้อาจเป็นแบบเดี่ยว แบบคู่ หรือแบบสามแบบ

โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลจะเปลี่ยนไปตามพันธะที่คาร์บอนสร้างขึ้น

การผสมพันธุ์เกิดขึ้นเมื่อมีออร์บิทัลรวมกันและสำหรับคาร์บอนอาจเป็น: sp, sp² และ sp³แล้วแต่ประเภทของการโทร

จำนวนของออร์บิทัลแบบไฮบริดคือผลรวมของพันธะซิกมา (σ) ที่คาร์บอนสร้างขึ้น เนื่องจากพันธะไม่ได้ผสมพันธุ์

• sp: ลิงก์ซิกม่า 2 ลิงก์
• sp²: 3 ซิกม่าลิงค์
• sp³: 4 ซิกม่าลิงค์

การแสดงของกราฟีนอัลโลโทรปในลูกบอลและแท่ง ดังที่แสดงในรูปในคำถาม ไม่ได้แสดงให้เห็นถึงพันธะที่แท้จริงของสาร

แต่ถ้าเราดูที่ส่วนหนึ่งของภาพ เราจะเห็นว่ามีคาร์บอนหนึ่งตัว แทนลูกบอล เชื่อมต่อกับคาร์บอนอีกสามตัวที่สร้างโครงสร้างเหมือนสามเหลี่ยม

ถ้าคาร์บอนต้องการพันธะ 4 พันธะ และถูกพันธะกับคาร์บอนอื่นอีก 3 พันธะ พันธะใดพันธะหนึ่งจะเพิ่มเป็นสองเท่า

เนื่องจากมีพันธะคู่หนึ่งคู่และพันธะเดี่ยวสองพันธะ กราฟีนจึงมีการผสมแบบ sp² และดังนั้น เรขาคณิตระนาบตรีโกณมิติ

คาร์บอนในรูปแบบ allotropic ที่รู้จักกันอื่นๆ ได้แก่ กราไฟต์ เพชร ฟูลเลอรีน และนาโนทิวบ์ แม้ว่าพวกมันทั้งหมดทำมาจากคาร์บอน แต่ allotropes ก็มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน อันเนื่องมาจากโครงสร้างที่แตกต่างกัน

อ่านด้วยนะ: เคมีในศัตรู และ คำถามเคมีในศัตรู.