Što je grafen?

Grafen je materijal koji ima nekoliko svojstava koji mogu revolucionirati tehnologiju

Graphene

Slika: OpenClipart-Vectors na Pixabayu

Grafen je materijal sastavljen od dvodimenzionalnog sloja atoma ugljika organiziranih u heksagonalne strukture, čija je visina jednaka visini atoma. Ovaj se materijal može dobiti ekstrakcijom površinskih slojeva grafita, minerala kojeg ima puno na Zemlji i jednog od najčešćih alotropa ugljika.

Kemijske veze i debljina grafena odgovorni su za nekoliko važnih svojstava ovog elementa, poput mehaničke otpornosti i toplinske i električne vodljivosti. Ove su karakteristike privukle znanstvenike i tehnološku industriju zbog njihovih beskrajnih mogućnosti korištenja.

Otkriće grafena

Stabilni, dvodimenzionalni grafen slučajno su 2004. godine otkrili ruski fizičari Andre Geim i Konstantin Novoselov. Ovo je otkriće istraživačima donijelo Nobelovu nagradu za fiziku 2010. Međutim, postojanje ovog alotropa ugljika poznato je od 1930.

Svojstva grafena

Grafen ima brojna svojstva zbog kojih je materijal s nekoliko tehnoloških primjena. Poznavati glavna svojstva ove alotrope.

Mehanička svojstva

Grafen je najjači materijal ikad poznat. Ovaj otpor proizlazi iz jakih veza stvorenih između njegovih atoma ugljika. Materijali koji se široko koriste u niskogradnji, poput čelika, podnose samo trećinu tog pritiska.

Sljedeće zanimljivo svojstvo grafena je visoki Youngov modul, što ukazuje da je, osim što je otporan, ovaj materijal vrlo elastičan. Stoga se s relativno lakoćom može vratiti u izvornu veličinu.

Male površine svakog ugljičnog šesterokuta odgovorne su za visoku nepropusnost grafena, koji se može koristiti kao mala mreža sposobna zadržati plinove koji lako istječu iz njihovih spremnika, poput plinovitog vodika. Osim što je izuzetno otporan, grafen je vrlo lagan: njegova gustoća je 0,77 g / m², odnosno otprilike tisuću puta lakša od lista papira.

Električna svojstva

Elektroni se u grafenu mogu širiti gotovo slobodno bez odstupanja ili sudara. Zbog heksagonalne strukture ugljikovih veza, elektroni se unutar tih tankih slojeva kreću relativističkim brzinama, odnosno bliskim brzini svjetlosti.

Na sobnoj temperaturi, električna otpornost grafena je najniža koja postoji. Dakle, ovaj se element može smatrati najboljim metalnim vodičem.

Optička svojstva

Budući da omogućuje prolazak 97,5% upadne svjetlosti, grafen je nevidljiv golim okom. Ovo optičko ponašanje proizlazi iz relativističkih svojstava elektrona u grafenu. To implicira da je slaganjem nekoliko listova grafena moguće stvoriti savršeno crno tijelo sposobno da apsorbira gotovo sve zračenje koje na njega pada.

Toplinska svojstva

Zbog svojih električnih svojstava, grafen je izvrstan toplinski vodič. Ovaj materijal može rasipati toplinu brže od bilo kojeg drugog poznatog materijala. Uz to, neka istraživanja sugeriraju da je njegova temperatura topljenja 3851 ° C.

Stoga su glavna svojstva i karakteristike grafena:

  • Izuzetno je tanak: ima debljinu atoma;
  • Vrlo je otporan: otprilike 200 puta otporniji od čelika;
  • Fleksibilan je;
  • Vodootporan je;
  • Proziran je: propušta oko 97,5% svjetlosnih zraka;
  • Ima visoku toplinsku i električnu vodljivost: provodi električnu energiju 100 puta brže od bakra. Studije su također pokazale da je brzina kojom elektroni putuju kroz grafen 1000 km / s (60 puta brža od silicija);
  • Ima visoku tvrdoću
  • Ima manji Jouleov učinak: gubi manje energije u obliku topline prilikom vođenja elektrona.

Primjene grafena

Zbog svojih svojstava i karakteristika, grafen je jedan od najperspektivnijih poznatih materijala. Njegova tehnološka primjena je velika, ali ograničena kapacitetom za proizvodnju ovog materijala u velikim razmjerima. Uređaji poput sklopivih LED zaslona, ​​fotonaponskih ćelija, učinkovitijih tranzistora, superkondenzatora, hladnjaka i super baterija mobitela neki su od primjera tehnologija razvijenih upotrebom grafena.

Osim toga, grafen se može primijeniti u drugim područjima istraživanja, kao što su:

Voda za piće

Opne oblikovane grafenom sposobne su za desalinizaciju i pročišćavanje morske vode

Emisije CO2

Grafenski filtri sposobni su smanjiti emisiju CO2 odvajanjem plinova koje generiraju industrije i tvrtke

Otkrivanje bolesti

Mnogo brži biomedicinski senzori izrađeni su od grafena i mogu otkriti bolesti, viruse i druge toksine

Izgradnja

Građevinski materijali, poput betona i aluminija, postaju lakši i otporniji dodavanjem grafena

Estetika

Bojanje kose raspršivanjem grafena traje do 30 pranja

Mikrouređaji

Manji i otporniji čips zbog zamjene silicija grafenom

Energija

Solarne ćelije imaju bolju fleksibilnost, veću transparentnost i smanjene troškove proizvodnje uz upotrebu grafena

Elektronika

Baterije s boljim i bržim skladištenjem energije

Mobilnost

Bicikli mogu imati čvršće gume i okvire teške 350 grama pomoću grafena

Među studijama vezanim uz grafen izdvajamo ona koja uključuju razvoj novih kabela za prijenos podataka za Internet. Prema istraživanju objavljenom u časopisu Nature Communication , ideja je iskoristiti svu brzinu koju postižu elektroni u grafenu - stanice se u njemu kreću stotinama puta brže nego u kabelima koji se trenutno koriste.

Važnost grafena za Brazil

Brazil je dio tehnološke utrke u potrazi za dobivanjem jeftinijih i učinkovitijih metoda za proizvodnju grafena. Prema izvješću koje je izradio Nacionalni odjel za proizvodnju minerala (DNPM), očekuje se da će tržište grafena biti jedno od najprofitabilnijih na svijetu, s potencijalom da za 10 godina dosegne do 1 bilijun dolara. Uz to, Brazil ima najveće rezerve grafena na svijetu.

Cijena grafena

Zbog složenih načina dobivanja, cijena grafena i dalje je visoka. Najsuvremenije tehnike koje omogućuju proizvodnju čistih i tankih slojeva ovog materijala rade s taloženjem pare na metalnim podlogama, poput bakrenih ploča.

Trenutno grafenski lim veličine 5,08 cm i 2,54 cm može koštati do 275 dolara: u prosjeku 21 dolar po kvadratnom centimetru. Međutim, faktori poput nečistoća i asimetrije mogu drastično smanjiti ovu cijenu. Grafen se može dobiti i iz grafita: s 1 kg grafita, koji košta približno 1 dolar, moguće je proizvesti 150 g grafena čija vrijednost prelazi 15 tisuća dolara.

Činjenice o grafenu

  • Glavni projekt Europske unije Graphene izdvojio je oko 1,3 milijarde eura za istraživanje vezano uz grafen, primjenu i industrijski razvoj u industrijskim razmjerima. Ukupno 150 institucija iz 23 zemlje sudjeluje u ovom projektu.
  • Prvi kofer razvijen za svemirska putovanja u svom je sastavu grafen. Njegovo lansiranje zakazano je za 2033. godinu, kada NASA namjerava izvršiti ekspedicije na Mars.
  • Borofen je novi konkurent grafenu. Ovaj materijal, otkriven 2015. godine, smatra se poboljšanom verzijom grafena, još je fleksibilniji, otporniji i provodljiv.

Postupci za dobivanje grafena, njegove primjene i važnost za Brazil

Original text