Grafen, atomların birbirine altıgen yapılar oluşturarak bağlandığı, yalnızca karbondan oluşan bir nanomalzemedir.
Bilinen en iyi kristaldir ve özellikleri onu oldukça arzu edilir kılmaktadır. Bu malzeme hafiftir, elektriği iletir, serttir ve su geçirmezdir.
Grafenin uygulanabilirliği birkaç alandadır. En iyi bilinenler şunlardır: inşaat, enerji, telekomünikasyon, tıp ve elektronik.
Keşfedildiğinden beri, grafen araştırma ilgi odağı olmaya devam etti. Bu materyal için başvuruların incelenmesi, kurumları ve milyonlarca avroluk yatırımları harekete geçiriyor. Bu nedenle, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, onu büyük ölçekte üretmenin daha ucuz bir yolunu geliştirmeye çalışıyorlar.
Grafenin ne olduğunu anlamak
Grafen, bu elementin atomlarının düzenlenmesinin ince bir tabaka oluşturduğu allotropik bir karbon şeklidir.
Bu allotrop iki boyutludur, yani sadece iki ölçümü vardır: genişlik ve yükseklik.
Bu malzemenin boyutu hakkında bir fikir edinmek için, bir kağıt yaprağının kalınlığı, 3 milyon grafen katmanının üst üste binmesine karşılık gelir.
İnsan tarafından izole edilen ve tanımlanan en ince malzeme olmasına rağmen boyutu nanometre mertebesindedir. Hafif ve güçlüdür, elektriği bakır ve silikon gibi metallerden daha iyi iletebilir.
Karbon atomlarının grafenin yapısında üstlendiği düzenleme, grafenin içinde bulunmasını çok ilginç ve arzu edilen özellikler haline getirir.
Grafen Uygulamaları
Dünya çapında birçok şirket ve araştırma grubu, grafen uygulamalarını içeren çalışmaların sonuçlarını yayınlıyor. Ana olanları aşağıya bakın.
| İçme suyu | Grafenle oluşturulmuş membranlar deniz suyunu tuzdan arındırma ve arındırma yeteneğine sahiptir. |
|---|---|
| CO emisyonları2 | Grafen filtreleri CO emisyonlarını azaltabilir2 reddedilecek endüstriler ve işletmeler tarafından üretilen gazları ayırarak. |
| hastalık tespiti | Çok daha hızlı biyomedikal sensörler grafen tabanlıdır ve hastalıkları, virüsleri ve diğer toksinleri tespit edebilir. |
| İnşaat | Beton ve alüminyum gibi yapı malzemeleri, grafen ilavesiyle daha hafif ve daha güçlü hale getirilir. |
| Güzellik | Süresi yaklaşık 30 yıkama olan grafen püskürtülerek saç boyama. |
| Mikro cihazlar | Silikonun grafen ile değiştirilmesi nedeniyle talaşlar daha da küçük ve güçlü. |
| Enerji | Güneş pilleri, grafen kullanımıyla daha iyi esnekliğe, daha fazla şeffaflığa ve daha düşük üretim maliyetlerine sahiptir. |
| Elektronik | Daha iyi ve daha hızlı enerji depolamaya sahip piller 15 dakikaya kadar şarj edilebilir. |
| Hareketlilik | Bisikletler, grafen kullanarak daha sert lastiklere ve 350 gram ağırlığında çerçevelere sahip olabilir. |
Grafen Yapısı
Grafenin yapısı, altıgenlerle birbirine bağlı bir karbon ağından oluşur.
Karbon çekirdeği 6 proton ve 6 nötrondan oluşur. Atomun 6 elektronu iki katmana dağılmıştır.
at değerlik katmanı 4 elektron vardır, bu kabuk 8'e kadar tutar. Bu nedenle, karbonun kararlılık kazanması için, oktet kuralında belirtildiği gibi 4 bağlantı yapması ve bir soy gazın elektronik konfigürasyonuna ulaşması gerekir.
Grafendeki atomlar, kovalent bağlaryani elektronların paylaşımı var.
Karbon-karbon bağları doğada bulunan en güçlü bağlardır ve her bir karbon yapıdaki diğer 3'ü birleştirir. Bu nedenle, atomun hibritleşmesi sp'dir.2, 2 tek ve bir çift bağa karşılık gelir.
4 karbon elektronundan üçü komşu atomlarla paylaşılır ve biri bağı oluşturur. , örneğin grafenin iyi bir elektrik iletkeni olmasına yardımcı olur çünkü malzemede daha fazla "özgürlüğe" sahiptir.
Grafen Özellikleri
| Işık | Bir metrekare sadece 0.77 miligram ağırlığındadır. Bir grafen aerojel havadan yaklaşık 12 kat daha hafiftir. |
|---|---|
| Esnek | Uzunluğunun %25'ine kadar uzayabilir. |
| Orkestra şefi | Akım yoğunluğu bakırdan daha yüksektir. |
| Dayanıklı | Soğukta genişler ve sıcakta büzülür. Çoğu madde ters yönde hareket eder. |
| Su geçirmez | Karbonların oluşturduğu ağ, bir helyum atomunun geçişine bile izin vermez. |
| dayanıklı | Çelikten yaklaşık 200 kat daha güçlü. |
| yarı saydam | Işığın sadece %2,3'ünü emer. |
| İnce | İnsan saçından bir milyon kat daha ince. Kalınlığı sadece bir atomdur. |
| Zor | Bilinen en sert malzeme, elmastan bile daha fazla. |
Grafen Tarihi ve Keşfi
Grafen terimi ilk olarak 1987'de kullanıldı, ancak yalnızca 1994'te União de Química Pure and Applied tarafından resmen tanındı.
Bu atama, kavşaktan ortaya çıktı. grafit maddenin çift bağına atıfta bulunarak -ene son eki ile.
1950'lerden beri, Linus Pauling sınıflarında altıgen halkalardan oluşan ince bir karbon tabakasının varlığından bahsetti. Philip Russell Wallace da yıllar önce bu yapının bazı önemli özelliklerini tanımlamıştı.
Ancak, yakın zamanda, 2004 yılında, grafen, Manchester Üniversitesi'ndeki fizikçiler Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından izole edildi ve derinden bilinebilir.
Grafit üzerinde çalışıyorlardı ve mekanik pul pul dökülme tekniğini kullanarak yapışkan bant kullanarak malzemenin bir katmanını izole etmeyi başardılar. Bu başarı, 2010 yılında çifte Nobel Ödülü'nü verdi.
Brezilya için grafenin önemi
Brezilya, grafen içeren bir malzeme olan en büyük doğal grafit rezervlerinden birine sahiptir. Grafit doğal rezervleri dünya toplamının %45'ine ulaşmaktadır.
Brezilya topraklarında grafit oluşumu gözlemlense de, sömürülen rezervler Minas Gerais, Ceará ve Bahia'da bulunur.
Bol hammaddeye sahip olan Brezilya, bu alanda araştırmalara da yatırım yapıyor. Latin Amerika'da grafen ile araştırma yapmaya adanmış ilk laboratuvar, Brezilya'da, MackGraphe adı verilen São Paulo'daki Universidade Presbiteriana Mackenzie'de bulunuyor.
Grafen üretimi
Grafen, karbür, hidrokarbon, karbon nanotüp ve grafitten hazırlanabilir. İkincisi, başlangıç malzemesi olarak en çok kullanılandır.
Grafen üretiminin ana yöntemleri şunlardır:
- Mekanik mikroeksfoliasyon: Bir grafit kristali, silikon oksit içeren substratlar üzerinde biriktirilen bir bant kullanılarak sıyrılan grafen katmanlarına sahiptir.
- Kimyasal mikroeksfoliasyon: karbon bağları, reaktiflerin eklenmesiyle zayıflar ve ağı kısmen kırar.
- kimyasal buhar birikimi: metalik nikel yüzey gibi katı destekler üzerinde biriken grafen tabakalarının oluşumu.
Grafen fiyatı
Grafeni endüstriyel ölçekte sentezlemenin zorluğu, bu malzemenin değerinin hala çok yüksek olduğu anlamına geliyor.
Grafit ile karşılaştırıldığında, fiyatı binlerce kat daha yüksektir. 1 kg grafit 1 dolara satılırken, 150 gr grafen 15.000 dolara satılmaktadır.
Grafen hakkında merak edilenler
- Avrupa Birliği projesi, Grafen Amiral Gemisi, endüstriyel ölçekte grafen, uygulamalar ve üretim geliştirme ile ilgili araştırmalar için yaklaşık 1,3 milyar avro ayırdı. 23 ülkede yaklaşık 150 kurum bu projeye katılıyor.
- Uzay yolculuğu için geliştirilen ilk bavul, bileşiminde grafen içeriyor. Lansmanı, NASA'nın Mars'a seferler gerçekleştirmeyi planladığı 2033 için planlanıyor.
- Borophene, grafenin yeni rakibi. Bu malzeme 2015 yılında keşfedildi ve daha esnek, dirençli ve iletken olduğu için grafenin geliştirilmiş bir versiyonu olarak kabul ediliyor.
Enem'deki Grafen
Enem 2018 testinde sorulan sorulardan biri Doğa Bilimleri ve Teknolojileri grafen hakkındaydı. Bu sorunun yorumlanan çözümünü aşağıda kontrol edin.
Grafen, yalnızca bir atom kalınlığında olan sıkıştırılmış karbon atomlarının düzlemsel bir tabakasından (iki boyutlu dizi) oluşan allotropik bir karbon şeklidir. Yapısı şekilde görüldüğü gibi altıgendir.
Bu düzenlemede, karbon atomları hibritleşmeye sahiptir.
a) sp lineer geometri.
b) sp2 düzlemsel trigonal geometri.
c) sp3 lineer geometrinin sp-hibritlenmiş karbonları ile dönüşümlü olarak.
d) sp3d düzlemsel geometri.
e) sp3d2 altıgen düzlemsel geometri ile.
doğru alternatif:b) sp2 düzlemsel trigonal geometri.
Karbon allotropisi, farklı basit maddeler oluşturma yeteneği nedeniyle oluşur.
Değerlik kabuğunda 4 elektronu olduğu için karbon dört değerlidir, yani 4 kovalent bağ yapma eğilimindedir. Bu bağlar tekli, ikili veya üçlü olabilir.
Karbonun yaptığı bağlara bağlı olarak, molekülün uzamsal yapısı, atomları en iyi şekilde barındıran düzenlemeye dönüşür.
Hibridizasyon, orbitallerin bir kombinasyonu olduğunda meydana gelir ve karbon için şu olabilir: sp, sp2 ve sp3, aramaların türüne bağlı olarak.
Hibrit orbitallerin sayısı, bağ hibritleşmediği için karbonun yaptığı sigma (σ) bağlarının toplamıdır.
- sp: 2 sigma bağlantıları
- sp2: 3 sigma bağlantıları
- sp3: 4 sigma bağlantıları
Sorudaki şekilde gösterildiği gibi, grafen allotropunun top ve çubuklardaki temsili, maddenin gerçek bağlarını göstermez.
Ancak görüntünün bir kısmına bakarsak, bir topu temsil eden bir karbonun diğer üç karbona bağlanarak üçgen gibi bir yapı oluşturduğunu görürüz.
Karbonun 4 bağa ihtiyacı varsa ve diğer 3 karbona bağlıysa, bu bağlardan biri çifttir.
Bir çift ve iki tek bağa sahip olduğu için grafen sp hibridizasyonuna sahiptir.2 ve sonuç olarak, trigonal düzlemsel geometri.
Karbonun bilinen diğer allotropik biçimleri şunlardır: grafit, elmas, fulleren ve nanotüp. Hepsi karbondan yapılmış olmalarına rağmen allotropların farklı yapılarından kaynaklanan farklı özellikleri vardır.
sen de oku: Enem'de Kimya ve Enem'de Kimya Soruları.
