Grafen

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Model molecular al grafenului, cu structură celulară hexagonală
Un bloc de grafit , un grafen cu tranzistor și un distribuitor de bandă adezivă , donat Muzeului Premiului Nobel din Stockholm de Andre Geim și Konstantin Novoselov în 2010

Grafenul este un material format dintr-un strat monatomic de atomi de carbon (adică având o grosime echivalentă cu dimensiunea unui singur atom). Are puterea teoretică a diamantului și flexibilitatea plasticului [1] .

După cum sugerează terminația -ene a numelui, atomii sunt hibridizați sub forma sp² și astfel se aranjează pentru a forma hexagoni cu unghiuri de 120 ° [2] . În prezența imperfecțiunilor ( pentagoni sau heptagoni în loc de hexagoane), structura se deformează: cu 12 pentagone există un fulleren . Pe de altă parte, prezența pentagonelor sau heptagonilor singuri provoacă valuri de suprafață.

Descoperirile despre grafen și aplicațiile sale (realizarea unui tranzistor ) realizate în 2004 [3] i- au adus celor doi fizicieni Andrej Gejm și Konstantin Novosëlov de la Universitatea din Manchester Premiul Nobel pentru fizică 2010 . În ciuda problemelor inițiale în aplicabilitatea grafenului cu un singur strat, cei doi fizicieni au evoluat materialul până la construirea așa-numitului grafen cu dublu strat, ceea ce garantează mai multă rezistență și flexibilitate de utilizare. [4]

Descriere

Un strat ideal de grafen este format exclusiv din celule hexagonale; structurile pentagonale sau heptagonale sunt defecte. În special, în prezența unei celule pentagonale izolate, stratul plan de grafen se deformează până când își asumă o formă conică; dacă, pe de altă parte, există 12 structuri pentagonale, avem un fulleren . În mod similar, prezența unei celule heptagonale izolate provoacă o deformare care transformă structura plană într-o șa, iar inserția controlată a celulelor pentagonale sau heptagonale permite crearea unor structuri foarte complexe. Nanotuburile de carbon cu pereți unici pot fi considerați cilindri de grafen; uneori la capetele acestor nanotuburi există structuri emisferice formate din foi de grafen conținând 6 structuri pentagonale, care acționează ca un „dop”.

Definiția oficială a grafenului dată de IUPAC este:

«Un singur strat de atomi de carbon ordonați în funcție de structura de grafit poate fi considerat ca elementul final al seriei naftalină, antracen, coronen etc. și, prin urmare, cuvântul grafen trebuie utilizat pentru a indica singurele straturi de carbon din compușii grafitului. Termenul "strat de grafen" este utilizat în mod obișnuit în terminologia carbonului. "

( Bohem, Setton și Stummp, Nomenclatura și terminologia compușilor de intercalație a grafitului [5] )

Producție

Exfolierea mecanică

Exfolierea mecanică a grafitului constă în aplicarea unei forțe pe suprafața cristalelor de grafit foarte orientate pentru a desprinde și desfășura straturile cristaline până la obținerea unui singur strat. Primele încercări au fost făcute încă din 1998, când interacțiunea sfaturilor de analiză AFM ( microscop cu forță atomică ) și STM ( microscop cu efect de tunel ) cu suprafața de grafit a fost exploatată pentru a furniza suficientă energie pentru a depăși forțele de atracție interplan și plumb la îndepărtarea și izolarea stratului monoatomic cristalin. Mai târziu , grupul lui André Geim a dezvoltat o metodă foarte simplă, cunoscută universal sub numele de metoda scotch-tape, care folosește bandă adezivă simplă pentru a exfolia grafitul . Tehnica constă în plasarea suprafeței unui cristal de grafit pe banda adezivă, decojirea benzii și decojirea astfel a câtorva straturi de material. Banda cu amprenta de grafit este apoi pliată pe ea însăși și desfăcută de mai multe ori. De fiecare dată, fulgii depuși se împart în straturi din ce în ce mai subțiri. La sfârșitul procesului, fulgii subțiri aderați pot fi transferați cu ușurință pe un substrat izolator. Exfolierea mecanică este cea mai simplă și mai accesibilă metodă de izolare a fulgilor de grafen de mărimea câtorva microni pătrați, utilă pentru cercetarea de bază asupra proprietăților sale. Din păcate, această metodă nu este potrivită pentru producția industrială.

Exfoliere în fază lichidă

Metoda se bazează pe utilizarea forțelor de presiune generate în interiorul unui lichid. Pulberea de grafit este amestecată cu un solvent cu calitățile fizice adecvate, cum ar fi vâscozitatea, tensiunea superficială etc. (de obicei 1-metil-2-pirolidonă ) sau într-un amestec de apă și surfactant. Suspensia este apoi supusă amestecării prin unde ultrasonice, sau malaxor cu forfecare ridicată sau moară cu bile etc. Aceste procese creează atât forțe de forfecare, cât și forțe de cavitație în interiorul lichidului, care determină ruperea cristalelor de grafit în conformitate cu planul bazal, reducându-le la foi din ce în ce mai subțiri și, în mod ideal, foi simple de grafen. Suspensia rezultată din proces este apoi purificată prin ultracentrifugare . Această metodă este una dintre cele mai promițătoare din punct de vedere al scalabilității și permite obținerea unor cantități mari de grafen excelent. Pe de altă parte, fulgii sunt destul de mici ca dimensiuni laterale.

Reducerea oxidului de grafen (RGO)

Eforturile de până acum s-au îndreptat în principal spre exfolierea oxidului de grafit și reducerea ulterioară la grafen. Oxidul de grafit este un material având aceeași structură lamelară a grafitului în care, totuși, unii atomi de carbon au legături cu oxigenul sub formă de hidroxili (-OH) sau carbonili (C = O) sau, mai rar, carboxili și în care distanța dintre straturile de grafen crește datorită greutății oxigenului . Natura sa extrem de hidrofilă permite obținerea, cu ajutorul undelor acustice ultrasonice, a intercalației (adică includerea reversibilă a moleculelor în alte molecule sau grupuri) de molecule de apă și, în consecință, o exfoliere aproape completă (~ 90%) a grafenului material de oxid (GO). Grafenul este sintetizat ulterior prin reducerea oxidului de grafen. S-au testat cu succes atât metodele de reducere chimică (prin intermediul hidrazinei N2H4, hidrochinonă, hidrură de sodiu bor sau chiar vitamina C), cât și metodele termice sau UV care au produs materiale cu conductivitate de ordinul 102 S / cm. Sinteza chimică a grafenului, prin reducerea oxidului de grafen, este o metodologie care are avantajul de a avea randamente ridicate și posibilități ample de a efectua procesul pe scară largă. Cu toate acestea, calitatea produsului de sinteză chimică este destul de slabă, datorită reducerii parțiale a GO și a abundenței defectelor în rețeaua cristalină, ceea ce face produsul mai potrivit pentru aplicații care nu necesită strict grafen calitativ, cum ar fi pentru exemplu „utilizarea în compozite polimerice.

Metoda chimică

Grafenul se obține în laborator din grafit . Cristalele de grafit sunt tratate cu o soluție puternic acidă pe bază de acizi sulfurici și nitrici și apoi oxidate și exfoliate pentru a obține cercuri de grafen cu grupări carboxilice la margini. Prin tratamentul cu clorură de tionil (SOCl 2 ), aceste molecule periferice sunt transformate în cloruri de acil ( halogenuri de acil compuse dintr-un acil și un atom de clor ) și apoi în amide ). Rezultatul este un cerc de grafen solubil în tetrahidrofuran , tetraclorometan și dicloroetan .

Alte metode

  • Creșterea epitaxială pe carbură de siliciu
  • Creșterea epitaxială pe substraturi metalice
  • Creșterea prin segregarea carbonului din aliajele carbon-metal

Structura atomica

Grafenul are o structură constând dintr-o rețea hexagonală în fagure unde atomii de carbon individuali sunt legați prin legături covalente.

Proprietate

Proprietăți electronice

Grafenul se comportă ca un semiconductor cu decalaj zero. Structura sa electronică particulară înseamnă că se poate comporta atât ca semiconductor P, cât și ca semiconductor N în absența dopajului, pentru simplul control electronic (gating). Alte utilizări sunt celulele solare, bateriile cu flux și bateriile litiu-ion. Recent, au fost introduse pe piață așa-numitele baterii litiu-ion „grafen”, care ar folosi grafenul ca material anodic. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că absența standardelor internaționale care definesc ceea ce poate sau nu poate fi numit grafen înseamnă că multe produse „grafen” utilizează pur și simplu grafit micronizat.

Proprietati optice

Un singur strat de grafen, în ciuda faptului că are un singur atom gros, este capabil să absoarbă 2,3% din radiații în mod uniform pe aproape întregul spectru optic. Pentru comparație, o peliculă de siliciu de aceeași grosime ar absorbi doar 0,03% din lumină. [6]

Proprietati termice

Grafenul este un conductor termic excelent, al doilea doar după diamant, iar multe aplicații comerciale profită de această caracteristică.

Proprietăți mecanice

Schițez materiale
Această secțiune referitoare la materiale este doar o schiță . Contribuiți la îmbunătățirea acestuia în conformitate cu convențiile Wikipedia .

Grafenul este cel mai subțire material din lume și este practic transparent (97,7% din lumină). Are o rezistență la tracțiune teoretică de 130 GPa și un modul de elasticitate de aproximativ 1 TPa și poate fi întins până la 20% din lungimea sa. Potrivit descoperitorilor săi, câștigători ai Premiului Nobel din 2010, o singură foaie de grafen (adică o foaie cu 1 atom) lată de 1 metru pătrat ar putea suporta greutatea unei pisici de 4 kg, cântărind 0,7 mg și fiind practic invizibilă. Grafenul, care teoretic ar trebui să aibă o rezistență mecanică considerabilă, este un material fragil [1] și această fragilitate, combinată cu prezența inevitabilă a defectelor în interiorul componentelor atunci când dimensiunea lor este crescută [7] , nu permite producerea de foi foarte mari de grafen nici să producă obiecte grafene cu valori interesante ale rezistenței la tracțiune pentru aplicații structurale.

Utilizări și potențiale aplicații

Grafenul, ca dirijor, face obiectul unor programe intense de studiu pentru utilizarea sa în sistemele semiconductoare . În 2010, un grup IBM a dezvoltat un tranzistor grafen cu o frecvență maximă de funcționare de 100 GHz și o lungime a porții de 240 nm ; În 2011 , IBM a realizat un tranzistor din același material cu o frecvență de 155 GHz [8] și o lungime a porții de 40 nm . In 2010, la UCLA , un alt test cu graphene lovit recordul de viteză a unui tranzistor ajunge la 300 GHz. Tranzistori analoaga arseniura de galiu au o frecvență maximă de 40 GHz. [9] Una dintre principalele aplicații ale arseniură de galiu materiale Grafena se referă deja disponibile la nanocompozite polimerice, obținute prin încorporarea grafenului (ca nano-umplutură) în matricea polimerică de bază. [10] Prima serie de producție a unei mașini electrice cu baterie grafen va începe în septembrie 2021 [11] .

Grile de grafen

Grafenul stivuit periodic și izomorful său izolator oferă un element structural fascinant în implementarea superrețelelor extrem de funcționale la scară atomică, care oferă posibilități în proiectarea dispozitivelor nanoelectronice și fotonice. Diferite tipuri de superrețele pot fi obținute prin stivuirea grafenului și a formelor sale conexe [12] . Banda energetică din superrețelele stratificate este mai sensibilă la lățimea barierei decât în ​​superrețele semiconductoare convenționale III-V. Când se adaugă mai mult de un strat atomic la barieră în fiecare perioadă, cuplarea funcțiilor undei electronice în puțurile potențiale învecinate poate fi redusă semnificativ, ceea ce duce la degenerarea sub-benzilor continue în niveluri de energie cuantificate. Când lățimea fântânii este variată, nivelurile de energie din fântânile potențiale de-a lungul direcției LM se comportă distinct de cele de-a lungul direcției KH.

O super rețea corespunde unui aranjament periodic sau cvasi-periodic al diferitelor materiale și poate fi descrisă printr-o perioadă super rețea care conferă o nouă simetrie de translație sistemului, influențând dispersiile lor fononice și, în consecință, proprietățile lor de transport al căldurii. Recent, structurile monostrat uniforme de grafen-hBN au fost sintetizate cu succes prin schemele litografice cuplate cu depunere chimică de vapori (CVD) [13] . Mai mult, superrețelele grafen-hBN sunt sisteme de model ideale pentru realizarea și înțelegerea transportului termic coerent (de undă) și incoerent (de particule) al fononilor [14] [15] .

Detectarea moleculelor de gaz

Grafenul este capabil să stocheze hidrogen: dacă este deformat, formează „creste”, iar hidrogenul tinde să se acumuleze pe vârfurile acestor creste. Pentru a elibera gazul este necesar să se elimine deformarea grafenului, astfel încât hidrogenul să fie expulzat de pe creste. Aceste rezultate sunt rezultatul muncii îndelungate desfășurate de echipa Adanascelo pe insula Hokkaido, Japonia.

Iluminat

Cercetătorii Columbia Engineering au creat un bec miniaturizat, capabil să emită lumină grație unui filament incandescent de grafen, similar cu ceea ce se întâmplă în becurile obișnuite cu filament de tungsten . Pentru a realiza acest lucru, oamenii de știință au aplicat electrozi metalici mici pe benzi de grafen care erau invizibile cu ochiul liber. Când curentul electric trece prin circuit, grafenul se încălzește până la 2 500 ° C și emite lumină vizibilă. Descoperirea a fost publicată în revista Nature Nanotechnology în 2015.

Desalinizare

Un experiment de osmoză inversă a fost realizat în Statele Unite de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts . "Structura moleculară particulară a grafenului vă permite să creați găuri de orice dimensiune pe suprafața sa. Acest lucru a permis apei să treacă pe o parte și sărurile pe cealaltă a stratului", exact așa cum se întâmplă într-o membrană comună de osmoză inversă.

Infrastructură

În 2019, primul drum italian bazat pe grafen a fost construit la Bergamo, profitând de reconstrucția unei căi preexistente. Porțiunea de drum are o lungime de aproximativ 1 km și constă dintr-un supermodificator pe bază de grafen, care permite creșterea semnificativă a duratei de viață utilă a lucrării, amestecată cu un plastic dur. [16]

Tenis

Grafenul a fost aplicat pentru prima dată în tenis în 2012 odată cu crearea unei rachete în care s-a adăugat o grefă de grafen în inima rachetei, pentru a face această zonă mai ușoară și mai dinamică și astfel să poată adăuga greutate mânerului și capul.la rachetă.

Ciclism

Compania italiană Vittoria folosește acest material în compoziția anvelopelor pentru a asigura o aderență mai mare, o viteză mai mare, o rezistență mai mare la perforări și o rezistență mai mare în general. După mai multe cercetări și teste, s-a observat că moleculele de grafen, fiind extrem de subțiri, sunt capabile să umple spațiul gol care separă moleculele de cauciuc. În consecință, grafenul acționează ca un magnet: prin alunecarea între moleculele de cauciuc, creează efectiv o legătură cu ele și le menține mai unite. Vittoria a obținut, de asemenea, rezultate extraordinare prin aplicarea grafenului pe roți. La fel ca la anvelope, grafenul acționează și ca magnet în roți, integrându-se cu carbonul din care sunt fabricate. Fiind extrem de subțire, grafenul se acumulează în spațiile care împart moleculele de carbon și creează o legătură cu acestea. Rezultă că caracteristicile carbonului în ceea ce privește rigiditatea laterală a roții, rezistența la impact, reducerea greutății și disiparea căldurii se îmbunătățesc exponențial. În plus, carbonul înfrumusețat cu grafen permite roților să reziste presiunilor de umflare ale anvelopelor fără tub care sunt mult mai mari decât înainte și să reziste la frânări și mai bruște, în orice stare. [17]

Proiecte de dezvoltare

În ianuarie 2013, proiectul Graphene [18] (împreună cu Human Brain Project ) a fost selectat de Comisia Europeană printre FET Flagships , proiectele emblematice de cercetare și dezvoltare promovate de Uniunea Europeană [19] : ales dintr-o listă scurtă de șase candidați [20] , cele două proiecte vor beneficia de un sprijin financiar de 1 miliard EUR pe o durată de zece ani.

Toxicitate

Toxicitatea grafenului a fost discutată pe larg în literatura științifică. Cea mai mare colecție privind toxicitatea grafenului rezumă efectele in vitro , in vivo , antimicrobiene și de mediu ale acestei substanțe și evidențiază diferitele mecanisme ale toxicității grafenului în sine, care depinde de factori precum forma, dimensiunea, puritatea substanței, fazele de lucru post-producție, starea oxidativă, grupele funcționale, starea de dispersie, metodele de sinteză, doza de administrare și timpul de expunere. [21]

Nanobandele, nanoplăcile și nano-cepele de grafen sunt netoxice până la o concentrație de 50 µg / mL. Aceste nanoparticule nu modifică diferențierea celulelor stem ale măduvei osoase în osteoblaste sau adipocite, sugerând că la doze mici nanoparticulele de grafen sunt sigure pentru orice aplicații biomedicale. Cristalele de grafen multistrat cu o grosime de 10 µm au fost capabile să perforeze membranele celulare în soluție; Cercetările de la Universitatea Brown descriu toxicitatea potențială a grafenului: ar afecta și deteriora celulele umane datorită naturii sale bidimensionale, în special atunci când sunt fragmentate fin, așa cum sa raportat și pentru fullereni . [22] . Efectele fiziologice ale grafenului rămân incerte și acesta rămâne un câmp neexplorat.

Notă

  1. ^ Graphene pe panorama.it , pe science.panorama.it (arhivat de la adresa URL originală la 14 septembrie 2014) .
  2. ^ ( PT ) Estudo from eletrônica estrutura do grafeno e grafeno hidratado , on dspace.sti.ufcg.edu.br:8080 .
  3. ^ UK, a realizat un tranzistor de grafit
  4. ^ Graphene cu strat dublu, următoarea revoluție științifică?
  5. ^ HP Boehm, R. Setton și Stumpp, E., Nomenclatura și terminologia compușilor de intercalație a grafitului , în Chimie pură și aplicată , vol. 66, 1994, p. 1893-1901, DOI : 10.1351 / pac199466091893 .
  6. ^ (EN) RR Nair, P. Blake și AN Grigorenko, Constanta de structură fină definește transparența vizuală a grafenului , în Știință, vol. 320, nr. 5881, 6 iunie 2008, pp. 1308-1308, DOI : 10.1126 / science.1156965 . Adus pe 5 noiembrie 2016 .
  7. ^ Dimitrios G. Papageorgiou, Ian A. Kinloch și Robert J. Young, Proprietăți mecanice ale nanocompozitelor pe bază de grafen și grafen , în Progress in Materials Science , vol. 90, 1 octombrie 2017, pp. 75-127, DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2017.07.004 . Adus pe 3 iulie 2019 .
  8. ^ IBM testează un tranzistor de grafen de 155 GHz , pe businessmagazine.it , Business Magazine, 11 aprilie 2011.
  9. ^ IBM: demonstrație a unui tranzistor de grafen 100GHz , pe hwupgrade.it , Hardware Upgrade, 8 februarie 2010. Accesat pe 9 februarie 2010 .
  10. ^ T. Gatti, N. Vicentini, E. Menna, Potențialul utilizării grafenului în domeniul industrial ( PDF ), pe Chimica.unipd.it , Innova FVG - Progetto NANOCOAT. Adus la 6 februarie 2017 (arhivat din original la 7 februarie 2017) .
  11. ^ Mașina electrică (cu baterie grafen) care se reîncarcă în opt minute , în La Gazzetta dello Sport . Adus la 25 aprilie 2021 .
  12. ^ Yang Xu, Yunlong Liu, Huabin Chen, Xiao Lin, Shisheng Lin, Bin Yu, și Jikui Luo, ab initio studiu de-banda de energie superlattices stratificate bidimensionale pe bază de ingraphene modulare , în Journal of Materials Chemistry, voi. 22, n. 45, 2012, p. 23821, DOI : 10.1039 / C2JM35652J .
  13. ^ (EN) Zheng Liu, Lulu But, Gang Shi, Wu Zhou, Gong Yongji, Sidong you, Xuebei Yang, Zhang Jiangnan, Jingjiang Yu, Ken P. Hackenberg, Aydin Babakhani, Juan-Carlos Idrobo, Robert Vajtai, Jun Lou și Pulickel M. Ajayan, Heterostructuri în plan de grafen și nitrură de bor hexagonală cu dimensiuni de domeniu controlate , în Nature Nanotechnology , februarie 2013, pp. 119-124, DOI : 10.1038 / nnano.2012.256 .
  14. ^ (EN) Isaac M. Felix și Luiz Felipe C. Pereira, Conductivitatea termică a panglicilor de super-rețea Graphene-hBN , Rapoarte științifice la 9 februarie 2018, p. 2737, DOI : 10.1038 / s41598-018-20997-8 .
  15. ^ ( PT ) Isaac de Macêdo Félix, Condução de calor em nanofitas quase-periódicas de grafeno-hBN , on repositorio.ufrn.br , 4 August 2020.
  16. ^ La Bergamo primul drum grafen dintr-un oraș , în bergamonews.it .
  17. ^ (EN) Tehnologia Vittoria Graphene , în Victoria. Adus la 16 mai 2020 .
  18. ^ (RO) Graphene Flagship , pe graphene-flagship.eu. Adus la 16 mai 2020 .
  19. ^ Nicola Nosengo , Aici sunt europene (tehnologii) ale viitorului Filed 27 ianuarie 2013 în Internet Archive ., 25 ianuarie 2013, de pe site - ul web al " Institutului Italian Enciclopedia Treccani
  20. ^ Henry Markram , The Human Brain Project , The Sciences , august 2012, p. 46
  21. ^ (EN) Lalwani, Gaurav; D'Agati, Michael; Mahmud Khan, Amit; Sitharaman, Balaji și colab. , "Toxicologia nanomaterialelor pe bază de grafen". , în Advanced Drug Delivery Reviews , vol. 105, nr. 109-144, octombrie 2016, DOI : 10.1016 / j.addr.2016.04.028 . Adus la 30 august 2015 .
  22. ^ Valerio Porcu, Grafenul este toxic, atacă celulele și le dăunează , în Tom's Hardware , 16 iulie 2013. Accesat la 4 aprilie 2017 (arhivat din original la 14 septembrie 2015) .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 48469 · LCCN ( EN ) sh2008005807 · GND ( DE ) 7591667-8 · BNF ( FR ) cb15672810b (data) · NDL ( EN , JA ) 001130423
Chimica Portale Chimica : il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia
Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Grafene&oldid=122256199 "