Grafen to materiał, który ma kilka właściwości, które mogą zrewolucjonizować technologię

Obraz OpenClipart -ectors z Pixabay

Grafen to materiał złożony z dwuwymiarowej warstwy atomów węgla zorganizowanych w heksagonalne struktury, których wysokość odpowiada wysokości atomu. Materiał ten można wytwarzać poprzez ekstrakcję powierzchniowych warstw grafitu, minerału występującego w dużych ilościach na Ziemi i jednego z najpowszechniejszych alotropów węgla.

Wiązania chemiczne i grubość grafenu są odpowiedzialne za kilka ważnych właściwości tego pierwiastka, takich jak odporność mechaniczna oraz przewodnictwo cieplne i elektryczne. Te cechy przyciągnęły naukowców i przemysł technologiczny ze względu na ich nieskończone możliwości zastosowania.

Odkrycie grafenu

Stabilny, dwuwymiarowy grafen odkryli przypadkowo w 2004 roku rosyjscy fizycy Andre Geim i Konstantin Novoselov. To odkrycie zapewniło badaczom Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku. Jednak istnienie tego alotropu węgla jest znane od 1930 roku.

Właściwości grafenu

Grafen posiada liczne właściwości, które sprawiają, że jest to materiał o kilku zastosowaniach technologicznych. Poznaj główne właściwości tego alotropu.

Właściwości mechaniczne

Grafen to najsilniejszy znany materiał. Opór ten wynika z silnych wiązań utworzonych między atomami węgla. Materiały szeroko stosowane w budownictwie cywilnym, takie jak stal, wytrzymują tylko jedną trzecią tego ciśnienia.

Inną interesującą właściwością grafenu jest wysoki moduł Younga, wskazujący, że oprócz odporności materiał ten jest bardzo elastyczny. Dzięki temu jest w stanie stosunkowo łatwo powrócić do swojego pierwotnego rozmiaru.

Małe obszary każdego sześciokąta węglowego są odpowiedzialne za wysoką nieprzepuszczalność grafenu, który można wykorzystać jako małą sieć zdolną do zatrzymywania gazów, które łatwo wyciekają z ich pojemników, takich jak wodór. Grafen jest nie tylko wyjątkowo odporny, ale także bardzo lekki: jego gęstość wynosi 0,77 g / m², czyli około tysiąc razy mniej niż arkusz papieru.

Właściwości elektryczne

Elektrony są w stanie propagować się w grafenie prawie swobodnie, bez odchyleń lub kolizji. Ze względu na heksagonalną strukturę wiązań węglowych, elektrony poruszają się w tych cienkich warstwach z relatywistycznymi prędkościami, to znaczy bliskimi prędkości światła.

W temperaturze pokojowej rezystywność elektryczna grafenu jest najniższa z możliwych. Zatem ten element można uznać za najlepszy przewodnik metaliczny.

Właściwości optyczne

Ponieważ przepuszcza 97,5% padającego światła, grafen jest niewidoczny gołym okiem. To optyczne zachowanie wynika z relatywistycznych właściwości elektronów w grafenie. Oznacza to, że układając kilka arkuszy grafenu w stos, można wytworzyć idealnie czarne ciało, zdolne do pochłonięcia prawie całego padającego na nie promieniowania.

Właściwości termiczne

Grafen ze względu na swoje właściwości elektryczne jest doskonałym przewodnikiem ciepła. Ten materiał jest w stanie rozpraszać ciepło szybciej niż jakikolwiek inny znany materiał. Ponadto niektóre badania sugerują, że jego temperatura topnienia wynosi 3851 ° C.

Dlatego główne właściwości i cechy grafenu to:

Jest niezwykle cienki: ma grubość atomu;
Jest bardzo odporny: około 200 razy bardziej odporny niż stal;
Jest elastyczny;
Jest wodoodporny;
Jest przezroczysty: przepuszcza około 97,5% promieni świetlnych;
Ma wysoką przewodność cieplną i elektryczną: przewodzi energię elektryczną 100 razy szybciej niż miedź. Badania wykazały również, że prędkość, z jaką elektrony przemieszczają się przez grafen, wynosi 1000 km / s (60 razy szybciej niż krzem);
Posiada dużą twardość
Ma mniejszy efekt Joule'a: traci mniej energii w postaci ciepła podczas przewodzenia elektronów.

Zastosowania grafenu

Grafen ze względu na swoje właściwości i właściwości jest jednym z najbardziej obiecujących znanych materiałów. Jego zastosowania technologiczne są rozległe, ale ograniczone możliwością produkcji tego materiału na dużą skalę. Urządzenia takie jak składane ekrany LED, ogniwa fotowoltaiczne, wydajniejsze tranzystory, superkondensatory, radiatory i superbaterie do telefonów komórkowych to tylko niektóre przykłady technologii opracowanych z wykorzystaniem grafenu.

Ponadto grafen można zastosować w innych dziedzinach nauki, takich jak:

Woda pitna

Membrany utworzone przez grafen są w stanie odsalać i oczyszczać wodę morską

Emisje CO2

Filtry grafenowe są w stanie zmniejszyć emisję CO2 poprzez oddzielenie gazów wytwarzanych przez przemysł i przedsiębiorstwa

Wykrywanie chorób

Znacznie szybsze czujniki biomedyczne są wykonane z grafenu i mogą wykrywać choroby, wirusy i inne toksyny

Budowa

Materiały budowlane, takie jak beton i aluminium, stają się lżejsze i bardziej odporne dzięki dodatkowi grafenu

Estetyka

Farbowanie włosów poprzez rozpylenie grafenu trwa do 30 myć

Mikrourządzenia

Mniejsze i bardziej wytrzymałe chipy dzięki zastąpieniu krzemu grafenem

Energia

Ogniwa słoneczne charakteryzują się większą elastycznością, większą przejrzystością i obniżonymi kosztami produkcji dzięki zastosowaniu grafenu

Elektronika

Baterie z lepszym i szybszym magazynowaniem energii

Mobilność

Rowery mogą mieć twardsze opony i ramy o wadze 350 gramów przy użyciu grafenu

Wśród badań związanych z grafenem wyróżniamy te, które dotyczą rozwoju nowych kabli do transmisji danych w internecie. Według badań opublikowanych w czasopiśmie Nature Communication , chodzi o wykorzystanie całej prędkości, jaką osiągają elektrony w grafenie - komórki poruszają się w nim setki razy szybciej niż w obecnie stosowanych kablach.

Znaczenie grafenu dla Brazylii

Brazylia bierze udział w wyścigu technologicznym w poszukiwaniu tańszych i wydajniejszych metod produkcji grafenu. Według raportu Narodowego Departamentu Produkcji Mineralnej (DNPM) rynek grafenu powinien być jednym z najbardziej dochodowych na świecie, z potencjałem sięgającym nawet 1 biliona dolarów w ciągu 10 lat. Ponadto Brazylia posiada największe na świecie rezerwy grafenu.

Cena grafenu

Cena grafenu jest nadal wysoka, ze względu na złożone sposoby pozyskiwania. Najbardziej aktualne techniki, które pozwalają na produkcję czystych i cienkich warstw tego materiału, polegają na osadzaniu pary na metalowych podłożach, takich jak blachy miedziane.

Obecnie arkusz grafenu o wymiarach 5,08 cm na 2,54 cm może kosztować nawet 275 dolarów: średnio 21 dolarów za centymetr kwadratowy. Jednak czynniki takie jak zanieczyszczenia i asymetrie mogą drastycznie obniżyć tę cenę. Grafen można również uzyskać z grafitu: z 1 kg grafitu, który kosztuje około 1 dolara, można wyprodukować 150 g grafenu, którego wartość przekracza 15 tysięcy dolarów.

Fakty dotyczące grafenu

W ramach projektu Graphene Flagship Unii Europejskiej przeznaczono około 1,3 miliarda euro na badania związane z grafenem, zastosowaniami i rozwojem przemysłowym na skalę przemysłową. W sumie w projekcie uczestniczy 150 instytucji z 23 krajów.
Pierwsza walizka stworzona do podróży kosmicznych ma w swoim składzie grafen. Jego start planowany jest na 2033 rok, kiedy NASA zamierza przeprowadzić wyprawy na Marsa.
Borophene to nowy konkurent grafenu. Ten materiał, odkryty w 2015 roku, uważany jest za ulepszoną wersję grafenu, który jest jeszcze bardziej elastyczny, odporny i przewodzący.

Procesy otrzymywania grafenu, jego zastosowania i znaczenie dla Brazylii