Grafeno chemija

Grafenas, dvimatė kristalinės anglies forma, arba vienas anglies atomų sluoksnis, sudarantis korio (šešiakampę) gardelę, arba keli susieti šios korio struktūros sluoksniai. Žodis grafenas, kai jis vartojamas nenurodant formos (pvz., Dvisluoksnis grafenas, daugiasluoksnis grafenas), paprastai reiškia vieno sluoksnio grafeną. Grafenas yra pirminė visų grafitinių anglies struktūrų forma: grafitas, kuris yra trijų matmenų kristalas, susidedantis iš palyginti silpnai sujungtų grafeno sluoksnių; nanovamzdeliai, kurie gali būti vaizduojami kaip grafeno ritiniai; ir sagtys, rutulinės molekulės, pagamintos iš grafeno, su kai kuriais šešiakampiais žiedais, pakeistais penkiakampiais žiedais.

Pirmieji grafeno tyrimai

Teorinį grafeno tyrimą pradėjo 1947 m. Fizikas Philipas R. Wallace'as kaip pirmąjį žingsnį suprasti grafito elektroninę struktūrą. Grafeno terminą chemikai Hannsas-Peteris Boehmas, Ralphas Settonas ir Eberhardas Stumppas įvedė 1986 m. Kaip žodžio grafitas derinį, nurodantį anglį jos užsakytoje kristalinėje formoje, ir priesagos -eną, nurodant policiklinius aromatinius angliavandenilius, kuriuose anglies atomai sudaro šešiakampius arba šešiabriaunis žiedo struktūras.

2004 m. Mančesterio universiteto fizikai Konstantinas Novoselovas ir Andre Geimas su kolegomis išskyrė vieno sluoksnio grafeną, naudodamiesi ypač paprastu ekspozicijos iš grafito metodu. Jų „scotch-tape metodas“ panaudojo lipnią juostą, kad viršutiniai sluoksniai būtų pašalinti iš grafito mėginio, o po to sluoksniai būtų dedami ant pagrindo medžiagos. Nuėmus juostelę, šiek tiek grafeno liko ant substrato vieno sluoksnio pavidalu. Tiesą sakant, pats grafeno gavimas nėra sudėtinga užduotis; kiekvieną kartą, kai kas nors piešia pieštuku ant popieriaus, pieštuko pėdsake yra nedidelė dalis vieno sluoksnio ir daugiasluoksnio grafeno. Mančesterio grupės laimėjimas buvo ne tik išskirti grafeno dribsnius, bet ir ištirti jų fizines savybes. Visų pirma, jie parodė, kad grafeno elektronai yra labai judrūs, o tai reiškia, kad grafenas gali būti naudojamas elektroninėse programose. 2010 m. Geimas ir Novoselovas už savo darbą buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija.

Atliekant šiuos pirmuosius eksperimentus, grafeno substratas buvo silicis, natūraliai padengtas plonu permatomu silicio dioksido sluoksniu. Paaiškėjo, kad vieno sluoksnio grafenas sukūrė optinį kontrastą su silicio dioksidu, kuris buvo pakankamai stiprus, kad grafeną būtų galima pastebėti po standartinį optinį mikroskopą. Šis matomumas turi dvi priežastis. Pirmiausia, grafeno elektronai labai stipriai sąveikauja su matomos šviesos dažnių fotonais, sugerdami maždaug 2,3 procento šviesos intensyvumo viename atominiame sluoksnyje. Antra, optinį kontrastą labai padidina trikdžių reiškiniai silicio dioksido sluoksnyje; Tai yra tie patys reiškiniai, kurie sukuria vaivorykštės spalvas plonose plėvelėse, tokiose kaip muilo plėvelė ar aliejus ant vandens.