Какво е графен?

Графенът е материал, който има няколко свойства, способни да революционизират технологията

Графен

Изображение от OpenClipart-Vectors на Pixabay

Графенът е материал, съставен от двуизмерен слой въглеродни атоми, организирани в шестоъгълни структури, чиято височина е еквивалентна на тази на атом. Този материал може да бъде получен чрез извличане на повърхностни слоеве графит, минерал в изобилие на Земята и един от най-често срещаните алотропи на въглерод.

Химичните връзки и дебелината на графена са отговорни за няколко важни свойства на този елемент, като механична устойчивост и топлинна и електрическа проводимост. Тези характеристики са привлекли учените и технологичната индустрия заради безкрайните им възможности за използване.

Откриването на графен

Стабилният двуизмерен графен е открит случайно през 2004 г. от руските физици Андре Гейм и Константин Новоселов. Това откритие спечели на изследователите Нобелова награда за физика през 2010 г. Съществуването на този въглероден алотроп обаче е известно от 1930 г. насам.

Графенови свойства

Графенът има многобройни свойства, които го правят материал с няколко технологични приложения. Познайте основните свойства на този алотроп.

Механични свойства

Графенът е най-силният материал, познаван някога. Това съпротивление е резултат от силните връзки, образувани между неговите въглеродни атоми. Материалите, широко използвани в гражданското строителство, като стомана, издържат само на една трета от това налягане.

Друго интересно свойство на графена е неговият висок модул на Юнг, което показва, че освен че е устойчив, този материал е и много еластичен. Следователно той е в състояние да се върне към първоначалния си размер относително лесно.

Малките области на всеки въглероден шестоъгълник са отговорни за високата непропускливост на графен, който може да се използва като малка мрежа, способна да задържа газове, които лесно изтичат от техните контейнери, като водороден газ. Освен че е изключително устойчив, графенът е много лек: плътността му е 0,77 g / m², тоест около хиляда пъти по-лека от лист хартия.

Електрически свойства

Електроните са способни да се разпространяват в графен почти свободно, без да се отклоняват или сблъскват. Поради хексагоналната структура на въглеродните връзки, електроните се движат в тези тънки слоеве с релативистки скорости, тоест близо до скоростта на светлината.

При стайна температура електрическото съпротивление на графена е най-ниското от всички. По този начин този елемент може да се счита за най-добрия метален проводник.

Оптични свойства

Тъй като позволява на 97,5% от падащата светлина да премине, графенът е невидим с просто око. Това оптично поведение произтича от релативистките свойства на електроните в графена. Това предполага, че чрез подреждането на няколко листа графен е възможно да се получи идеално черно тяло, способно да поеме почти цялата радиация, падаща върху него.

Топлинни свойства

Поради своите електрически свойства, графенът е отличен топлопроводник. Този материал е способен да разсейва топлината по-бързо от всеки друг известен материал. В допълнение, някои изследвания предполагат, че температурата му на топене е 3851 ° C.

Следователно основните свойства и характеристики на графена са:

  • Той е изключително тънък: има дебелина на атом;
  • Той е силно устойчив: около 200 пъти по-устойчив от стоманата;
  • Той е гъвкав;
  • Той е водоустойчив;
  • Той е прозрачен: той пропуска около 97,5% от светлинните лъчи;
  • Той има висока топлинна и електрическа проводимост: проводи електрическа енергия 100 пъти по-бързо от медта. Изследванията също така показват, че скоростта, с която електроните се движат през графен, е 1000 km / s (60 пъти по-бърза от силиция);
  • Има висока твърдост
  • Той има по-малко Джоулов ефект: губи по-малко енергия под формата на топлина при провеждане на електрони.

Приложения за графен

Поради своите свойства и характеристики, графенът е един от най-обещаващите познати материали. Технологичните приложения са огромни, но ограничени от капацитета за производство на този материал в голям мащаб. Устройства като сгъваеми LED екрани, фотоволтаични клетки, по-ефективни транзистори, суперкондензатори, радиатори и супер батерии за мобилни телефони са някои примери за технологии, разработени чрез използването на графен.

В допълнение, графенът може да се прилага в други области на изследване, като:

Питейна вода

Графеновите мембрани са способни да обезсоляват и пречистват морската вода

Емисии на CO2

Графеновите филтри са в състояние да намалят емисиите на CO2 чрез отделяне на газове, генерирани от промишлеността и бизнеса

Откриване на заболявания

Много по-бързи биомедицински сензори са направени от графен и могат да откриват заболявания, вируси и други токсини

Строителство

Строителните материали като бетон и алуминий стават по-леки и устойчиви с добавянето на графен

Естетика

Оцветяването на косата чрез пръскане на графен трае до 30 измивания

Микроустройства

По-малки и по-устойчиви чипове поради заместването на силиция с графен

Енергия

Слънчевите клетки имат по-добра гъвкавост, повече прозрачност и намалени производствени разходи с използването на графен

Електроника

Батерии с по-добро и бързо съхранение на енергия

Мобилност

Велосипедите могат да имат по-твърди гуми и рамки с тегло 350 грама, използвайки графен

Сред проучванията, свързани с графена, ние изтъкваме тези, които включват разработването на нови кабели за предаване на данни за интернет. Според изследване, публикувано от списание Nature Communication , идеята е да се възползваме от цялата скорост, постигната от електроните в графена - клетките се движат в него стотици пъти по-бързо, отколкото в използваните в момента кабели.

Значение на графена за Бразилия

Бразилия е включена в технологичната надпревара в търсене на по-евтини и по-ефективни методи за производство на графен. Според доклада, изготвен от Националния департамент по добив на минерали (DNPM), пазарът на графен се очаква да бъде един от най-печелившите в света, с потенциал да достигне до 1 трилион долара за 10 години. Освен това Бразилия разполага с най-големите запаси от графен в света.

Графен цена

Поради сложните му средства за получаване цената на графена все още е висока. Най-актуалните техники, които позволяват производството на чисти и тънки слоеве от този материал, работят с отлагането на пара върху метални основи, като медни листове.

В момента лист от 5,08 см на 2,54 см графен може да струва до 275 долара: средно 21 долара на квадратен сантиметър. Фактори като примеси и асиметрия обаче могат драстично да намалят тази цена. Графенът може да се получи и от графит: с 1 кг графит, който струва приблизително 1 долар, е възможно да се произведат 150 г графен, чиято стойност надвишава 15 хиляди долара.

Графенови факти

  • Водещият проект на Европейския съюз за графен отпусна около 1,3 милиарда евро за изследвания, свързани с графен, приложения и индустриално развитие в индустриален мащаб. Общо 150 институции от 23 държави участват в този проект.
  • Първият куфар, разработен за космически пътувания, има графен в състава си. Изстрелването му е планирано за 2033 г., когато НАСА възнамерява да извърши експедиции до Марс.
  • Борофенът е новият конкурент за графен. Този материал, открит през 2015 г., се счита за подобрена версия на графен, като е още по-гъвкав, устойчив и проводим.

Процеси за получаване на графен, неговите приложения и значението му за Бразилия

Original text