Grafen je material z več lastnostmi, ki lahko revolucionirajo tehnologijo

Slika: OpenClipart-Vectors na Pixabay

Grafen je material, sestavljen iz dvodimenzionalne plasti ogljikovih atomov, razporejenih v šesterokotne strukture, katerih višina je enaka višini atoma. Ta material je mogoče pridobiti z ekstrakcijo površinskih plasti grafita, minerala, ki ga je na Zemlji veliko in enega najpogostejših alotropnih ogljikov dioksidov.

Kemične vezi in debelina grafena so odgovorne za številne pomembne lastnosti tega elementa, kot so mehanska odpornost ter toplotna in električna prevodnost. Te značilnosti so znanstvenike in tehnološko industrijo privabile zaradi neskončnih možnosti uporabe.

Odkritje grafena

Stabilni dvodimenzionalni grafen sta leta 2004 po naključju odkrila ruska fizika Andre Geim in Konstantin Novoselov. To odkritje je raziskovalcem zagotovilo Nobelovo nagrado za fiziko leta 2010. Vendar pa je obstoj te ogljikove alotrope znan že od leta 1930.

Grafenske lastnosti

Grafen ima številne lastnosti, zaradi katerih je material z več tehnološkimi aplikacijami. Spoznajte glavne lastnosti te alotrope.

Mehanske lastnosti

Grafen je najmočnejši material, kar jih je kdajkoli znanih. Ta odpornost je posledica močnih vezi, ki nastanejo med njegovimi atomi ogljika. Materiali, ki se pogosto uporabljajo v gradbeništvu, na primer jeklo, prenesejo le tretjino tega pritiska.

Druga zanimiva lastnost grafena je njegov visok Youngov modul, kar kaže, da je poleg tega, da je odporen, zelo elastičen. Zato se lahko razmeroma enostavno vrne v prvotno velikost.

Majhne površine vsakega ogljikovega šesterokotnika so odgovorne za visoko neprepustnost grafena, ki ga lahko uporabimo kot majhno mrežo, ki lahko zadrži pline, ki zlahka puščajo iz posod, na primer plin vodik. Grafen je poleg tega, da je izredno odporen, zelo lahek: njegova gostota je 0,77 g / m², kar je približno tisočkrat lažje od lista papirja.

Električne lastnosti

Elektroni se lahko v grafenu širijo skoraj prosto, ne da bi pri tem odstopali ali trčili. Zaradi heksagonalne strukture ogljikovih vezi se elektroni znotraj teh tankih plasti gibljejo z relativističnimi hitrostmi, torej blizu svetlobne hitrosti.

Pri sobni temperaturi je električna upornost grafena najnižja. Tako lahko ta element štejemo za najboljši kovinski vodnik.

Optične lastnosti

Ker omogoča prehod 97,5% vpadne svetlobe, je grafen neviden s prostim očesom. To optično vedenje izhaja iz relativističnih lastnosti elektronov v grafenu. To pomeni, da je z zlaganjem več listov grafena mogoče izdelati popolnoma črno telo, ki lahko absorbira skoraj vse sevanje, ki pada nanj.

Toplotne lastnosti

Grafen je zaradi svojih električnih lastnosti odličen toplotni prevodnik. Ta material lahko odvaja toploto hitreje kot kateri koli drug znan material. Poleg tega nekatere študije kažejo, da je njegova temperatura taljenja 3851 ° C.

Zato so glavne lastnosti in značilnosti grafena:

Je izredno tanek: ima debelino atoma;
Je zelo odporen: približno 200-krat bolj odporen kot jeklo;
Je prilagodljiv;
Je vodoodporen;
Je prozoren: oddaja približno 97,5% svetlobnih žarkov;
Ima visoko toplotno in električno prevodnost: električno energijo prevaja 100-krat hitreje kot baker. Študije so tudi pokazale, da je hitrost, s katero elektroni potujejo skozi grafen, 1000 km / s (60-krat hitrejša od silicija);
Ima visoko trdoto
Ima manjši Joulov učinek: pri prevodu elektronov izgubi manj energije v obliki toplote.

Uporabe grafena

Zaradi svojih lastnosti in lastnosti je grafen eden najperspektivnejših znanih materialov. Njene tehnološke aplikacije so velike, vendar omejene zaradi zmogljivosti za proizvodnjo tega materiala v velikem obsegu. Naprave, kot so zložljivi LED zasloni, fotonapetostne celice, učinkovitejši tranzistorji, superkondenzatorji, hladilniki in super baterije za mobilne telefone, so nekateri primeri tehnologij, razvitih z uporabo grafena.

Poleg tega se lahko grafen uporablja tudi na drugih področjih študija, kot so:

Pitna voda

Grafenske membrane so sposobne razsoljevanja in čiščenja morske vode

Emisije CO2

Grafenski filtri lahko zmanjšajo emisije CO2 z ločevanjem plinov, ki jih ustvarjajo industrije in podjetja

Odkrivanje bolezni

Veliko hitrejši biomedicinski senzorji so narejeni iz grafena in lahko zaznajo bolezni, viruse in druge toksine

Gradnja

Gradbeni materiali, kot sta beton in aluminij, postanejo lažji in odpornejši z dodatkom grafena

Estetika

Barvanje las z brizganjem grafena traja do 30 pranj

Mikronaprave

Manjši in bolj odporni čipi zaradi nadomestitve silicija z grafenom

Energija

Sončne celice imajo boljšo prilagodljivost, večjo preglednost in nižje proizvodne stroške z uporabo grafena

Elektronika

Baterije z boljšim in hitrejšim shranjevanjem energije

Mobilnost

Kolesa imajo lahko trdnejše pnevmatike in okvirje, težke 350 gramov, z uporabo grafena

Med študijami, povezanimi z grafenom, izpostavljamo tiste, ki vključujejo razvoj novih kablov za prenos podatkov za internet. Po raziskavi, ki jo je objavila revija Nature Communication , naj bi izkoristili vso hitrost, ki jo dosežejo elektroni v grafenu - celice se v njem premikajo stotine-krat hitreje kot v trenutno uporabljenih kablih.

Pomen grafena za Brazilijo

Brazilija je del tehnološke dirke v iskanju cenejših in učinkovitejših metod za proizvodnjo grafena. Glede na poročilo, ki ga je pripravilo Nacionalno ministrstvo za proizvodnjo mineralnih surovin (DNPM), naj bi bil trg grafena eden najdonosnejših na svetu, saj bi lahko v desetih letih dosegel do 1 bilijon dolarjev. Poleg tega ima Brazilija največje zaloge grafena na svetu.

Cena grafena

Zaradi zapletenih načinov pridobivanja je cena grafena še vedno visoka. Najsodobnejše tehnike, ki omogočajo proizvodnjo čistih in tankih plasti tega materiala, delujejo z nanašanjem pare na kovinske podlage, kot so bakrene plošče.

Trenutno lahko grafenska pločevina 5,08 cm in 2,54 cm stane do 275 dolarjev: v povprečju 21 dolarjev na kvadratni centimeter. Vendar lahko dejavniki, kot so nečistoče in asimetrija, to ceno drastično znižajo. Grafen lahko dobimo tudi iz grafita: z 1 kg grafita, ki stane približno 1 dolar, je mogoče proizvesti 150 g grafena, katerega vrednost presega 15 tisoč dolarjev.

Dejstva o grafenu

Vodilni projekt Evropske unije Graphene je za raziskave, povezane z grafenom, aplikacijami in razvojem proizvodnje v industrijskem merilu, namenil približno 1,3 milijarde evrov. V tem projektu sodeluje 150 institucij iz 23 držav.
Prvi kovček, razvit za vesoljska potovanja, ima v svoji sestavi grafen. Izstrelitev je predvidena za leto 2033, ko namerava NASA opraviti odprave na Mars.
Borofen je novi konkurent grafenu. Ta material, odkrit leta 2015, velja za izboljšano različico grafena, saj je še bolj prilagodljiv, odporen in prevoden.

Postopki za pridobivanje grafena, njegova uporaba in njegov pomen za Brazilijo