Hvad er forskellen mellem grafen og grafit?

Et bemærkelsesværdigt kemisk grundstof, kulstof er et, der bekvemt sidder på nummer 6 i den fjortende gruppe af den anden periode af det periodiske system af kemiske grundstoffer. Siden oldtiden har folk kendt til diamant og grafit, to af de mere end ni allotropiske modifikationer af dette element, der er opdaget indtil videre. Forresten er det kulstof, der sammenlignet med andre stoffer har det største antal allotrope modifikationer, som moderne videnskab kender.

Allotropi indebærer muligheden for eksistensen i naturen af ​​det samme kemiske grundstof i form af to eller flere simple stoffer, de såkaldte allotrope former eller allotrope modifikationer, som forårsager forskelle i disse stoffer både i struktur og egenskaber. Så kulstof har 8 sådanne grundlæggende former: diamant, grafit, lonsdaleite, fullerener (C60, C540 og C70), amorft kulstof og enkeltvægget nanorør.

Blandt disse former for kulstof er der helt forskellige egenskaber og karakter: blødt og hårdt, gennemsigtigt og uigennemsigtigt, billige og dyre stoffer. Lad os dog sammenligne to lignende kulstofmodifikationer - grafit og grafen.

Vi er alle bekendt med graffiti siden skolen.Ledningen af ​​en almindelig blyant er præcis grafit. Det er ret blødt, glat og fedtet at røre ved, krystallerne er plader, lagene af atomer er placeret over hinanden, så når man gnider, for eksempel på papir, kan individuelle flager af den lagdelte krystalstruktur af grafit let skalle af. , der efterlader et karakteristisk mørkt spor på papiret.

Grafit leder elektrisk strøm godt, dens modstand er i gennemsnit 11 Ohm * mm2 / m, men ledningsevnen af ​​grafit er ikke den samme på grund af dens naturlige anisotropi af dets krystaller. Således er ledningsevnen langs krystallens planer hundredvis af gange højere end ledningsevnen i disse planer. Densiteten af ​​grafit er fra 2,08 til 2,23 g/cm3.

I naturen dannes grafit ved høje temperaturer i magmatiske og vulkanske bjergarter, i skarner og pegmatitter. Det forekommer i kvartsårer med mineraler i hydrotermiske mellemtemperatur polymetalliske aflejringer. Det er vidt udbredt i metamorfe bjergarter.

Siden 1907 er verdens største reserver af naturlig flagegrafit således blevet udviklet på øen Madagaskar. Øen består af prækambriske metamorfe klipper, der stiger til overfladen i et bjergrigt terræn med hypsometriske mærker på 4.000-4.600 fod. Grafitten findes her i et 400 miles langt bælte og dominerer bjergene i den østlige del af øens centrum.

Grafen har i modsætning til grafit ikke en bulkkrystalstruktur; den har et todimensionalt sekskantet krystalgitter, kun et atom tykt. I en sådan allotrop modifikation forekommer kulstof overhovedet ikke naturligt, men kan teoretisk opnås kunstigt. Vi kan sige, at et fly, der bevidst er adskilt fra den flerlagede bulkkrystalstruktur af grafit, vil være netop denne grafen.

Forskere var oprindeligt ude af stand til at opnå grafen i form af en simpel todimensionel film på grund af stoffets ustabilitet i denne form. Men på et siliciumoxidsubstrat (på grund af bindingen med det dielektriske lag) var det stadig muligt at opnå ét-atom-tykt grafen: i 2004 offentliggjorde russiske videnskabsmænd Andrey Geim og Konstantin Novoselov fra University of Manchester en rapport i Science på at opnå grafen på denne måde.

Og selv i dag er sådanne simple metoder til at opnå grafen til forskning, såsom mekanisk eksfoliering af et carbonmonolag fra en bulk grafitkrystal ved hjælp af klæbende tape (og lignende metoder), berettigede.

Forskerne mener, at takket være deres fremskridt vil en ny klasse af grafen-baseret nanoelektronik snart dukke op, hvor felteffekttransistorer vil være mindre end 10 nm tykke. Faktum er, at mobiliteten af ​​elektroner i grafen er så høj (10.000 cm2 / V * s), at det ser ud til at være det mest lovende alternativ til konventionelt silicium i dag.

Høj bærermobilitet er elektroners og hullers evne til at reagere ekstremt hurtigt på virkningen af ​​påførte elektriske felter, og dette er ekstremt vigtigt for felteffekttransistorer, den grundlæggende betjeningsenhed i moderne elektronik.

Der er også udsigt til at skabe forskellige biologiske og kemiske sensorer samt tynde film til solcelleanlæg og touchskærme. På trods af alt dette er den termiske ledningsevne af grafen 10 gange højere end kobbers, og dette kriterium er altid meget vigtigt for elektronik.