Grafen

Grafen er et materiale som består av et monoatomisk lag av karbonatomer (dvs. har en tykkelse tilsvarende størrelsen på et enkelt atom). Den har den teoretiske styrken til diamant og fleksibiliteten til plast . [1]

Oppdagelsene om grafen og dets anvendelser, (realisering av en transistor ) oppnådd i 2004 , [2] fikk Nobelprisen i fysikk 2010 til de to fysikerne Andrej Gejm og Konstantin Novosëlov fra University of Manchester . Til tross for de innledende problemene med anvendeligheten av enkeltlagsgrafen, har de to fysikerne utviklet materialet frem til konstruksjonen av det såkalte dobbeltlagsgrafenet, som garanterer mer motstand og fleksibilitet ved bruk. [3]

Siden dette er et nyskapende produkt av nyere opprettelse som ennå ikke er regulert, blir det studert evalueringer av mulige miljømessige og toksikologiske virkninger av industriell spredning av materialet. [4]

Beskrivelse

Atomene er hybridisert i sp² - formen, og ordner seg dermed til å danne sekskanter med vinkler på 120° [5] . I nærvær av ufullkommenheter ( femkanter eller sekskanter i stedet for sekskanter), er strukturen deformert: med 12 femkanter er det en fulleren . Tilstedeværelsen av enkelt femkanter eller sjukanter, derimot, forårsaker overflatebølger.

Et ideelt lag med grafen består utelukkende av sekskantede celler; femkantede eller sjukantede strukturer er defekter. Spesielt i nærvær av en isolert femkantet celle, deformeres det plane laget av grafen til det antar en konisk form; hvis det derimot er 12 femkantede strukturer, har vi en fulleren . På samme måte forårsaker tilstedeværelsen av en isolert heptagonal celle en deformasjon som transformerer den plane strukturen til en sal, og den kontrollerte innsettingen av femkantede eller heptagonale celler tillater dannelsen av svært komplekse strukturer. Enkelveggede nanorør av karbon kan betraktes som grafensylindere; noen ganger i endene av disse nanorørene er det halvkuleformede strukturer som består av ark med grafen som inneholder 6 femkantede strukturer, som fungerer som en "plugg".

Den offisielle definisjonen av grafen gitt av IUPAC er:

«Et enkelt lag med karbonatomer ordnet i henhold til grafittstrukturen kan betraktes som det siste elementet i serien naftalen, antracen, koronen, etc. og ordet grafen må derfor brukes for å indikere enkeltlagene av karbon i forbindelsene av grafitt. Begrepet "grafenlag" brukes ofte innenfor karbonterminologien. "

( Bohem, Setton og Stummp, nomenklatur og terminologi for grafittinterkaleringsforbindelser [6] )

Produksjon

Mekanisk peeling

Mekanisk peeling av grafitt består i å påføre en kraft på overflaten av høyt orienterte grafittkrystaller for å løsne og utfolde de krystallinske lagene til det enkelt laget er oppnådd. De første forsøkene ble gjort så tidlig som i 1998, da samspillet mellom AFM ( atomkraftmikroskop ) og STM ( tunneleffektmikroskop ) analysespisser med grafittoverflaten ble utnyttet for å gi tilstrekkelig energi til å overvinne kreftene til tiltrekning mellom plan og bly. til fjerning og isolering av det krystallinske monoatomiske laget Senere utviklet André Geims gruppe en veldig enkel metode, universelt kjent som scotch-tape-metoden, som bruker enkel klebende tape for å eksfoliere grafitt . Teknikken består i å plassere overflaten av en grafittkrystall på den klebende tapen, skrelle av tapen og dermed skrelle noen lag med materiale. Tapen med grafittavtrykket brettes deretter tilbake på seg selv og vikles ut flere ganger. Hver gang deles flakene i tynnere og tynnere lag. På slutten av prosessen kan de tynne vedheftede flakene enkelt overføres til et isolerende underlag. Mekanisk peeling er den enkleste og mest tilgjengelige metoden for å isolere grafenflak på størrelse med noen få kvadratmikrometer, nyttig for grunnleggende forskning på egenskapene. Dessverre er denne metoden ikke egnet for industriell produksjon.

Flytende fase peeling

Metoden er basert på bruk av trykkkreftene som genereres inne i en væske. Pulverisert grafitt blandes med et løsemiddel med passende fysiske egenskaper som viskositet, overflatespenning, etc. (typisk 1-metyl-2-pyrrolidon ) eller i en blanding av vann og overflateaktivt middel. Suspensjonen blir deretter utsatt for blanding gjennom ultralydbølger, eller høyskjærblander, eller kulemølle , etc. Disse prosessene skaper både skjær- og kavitasjonskrefter inne i væsken som får grafittkrystallene til å bryte i henhold til basalplanet, og reduserer dem til stadig tynnere ark og, ideelt sett, enkeltark med grafen. Suspensjonen fra prosessen renses deretter ved ultrasentrifugering . Denne metoden er en av de mest lovende med tanke på skalerbarhet, og gjør det mulig å oppnå store mengder utmerket grafen. På den annen side er flakene ganske små som sidemål.

Reduksjon av grafenoksid (RGO)

Innsatsen så langt har hovedsakelig vært rettet mot eksfoliering av grafittoksid og påfølgende reduksjon til grafen. Grafittoksyd er et materiale med samme lamellstruktur som grafitt, der imidlertid noen karbonatomer har bindinger med oksygen i form av hydroksyl (-OH) eller karbonyl (C = O) eller, mer sjelden, karboksyler , og hvori avstanden mellom lagene med grafen øker på grunn av oksygeninnholdet . Dens svært hydrofile natur gjør det mulig å oppnå, ved bruk av akustiske ultralydbølger, interkalering (dvs. reversibel inkludering av molekyler i andre molekyler eller grupper) av vannmolekyler og følgelig en nesten fullstendig eksfoliering (~ 90%) av grafenet oksid (GO) materiale. Grafen syntetiseres deretter ved reduksjon av grafenoksid. Både kjemiske reduksjonsmetoder (ved hjelp av hydrazin N2H4, hydrokinon, natriumborhydrid eller til og med vitamin C) og termiske eller UV-metoder er vellykket testet som har produsert materialer med ledningsevne i størrelsesorden 102 S/cm. Den kjemiske syntesen av grafen, via reduksjon av grafenoksid, er en metodikk som har fordelen av å ha høye utbytter og gode muligheter til å gjennomføre prosessen i stor skala. Kvaliteten på det kjemiske synteseproduktet er imidlertid ganske dårlig, på grunn av en delvis reduksjon av GO og en overflod av defekter i krystallgitteret, noe som gjør produktet mer egnet for applikasjoner som strengt tatt ikke krever kvalitativ grafen, som " bruk i polymere kompositter.

Kjemisk metode

Grafen fås i laboratoriet fra grafitt . Grafittkrystallene behandles med en sterkt sur løsning basert på svovelsyre og salpetersyre og deretter oksideres og eksfolieres for å få grafensirkler med karboksylgrupper i kantene. Ved behandling med tionylklorid (SOCl 2 ) omdannes disse perifere molekylene til acylklorider ( acylhalogenider sammensatt av et acyl- og et kloratom ) og deretter til amider . Resultatet er en sirkel av grafen som er løselig i tetrahydrofuran , tetraklormetan og dikloretan .

Andre metoder

Atomstruktur

Grafen har en struktur som består av et heksagonalt bikakegitter der individuelle karbonatomer er bundet via kovalente bindinger.

Egenskaper

Elektroniske egenskaper

Grafen oppfører seg som en nullgap- halvleder . Dens spesielle elektroniske struktur betyr at den kan oppføre seg både som en P-halvleder og som en N-halvleder i fravær av doping, for ren elektronisk kontroll (gating). Andre bruksområder er i solceller, strømningsbatterier og litium-ion-batterier. Nylig er såkalte "grafen" litium-ion-batterier kommet på markedet, som ville bruke grafen som et anodisk materiale. Imidlertid bør det bemerkes at fraværet av internasjonale standarder som definerer hva som kan eller ikke kan kalles grafen, betyr at mange "grafen"-produkter ganske enkelt bruker mikronisert grafitt.

Hvis to individuelle grafenlag er sammenkoblet i en bestemt vinkel, viser systemet superledningsevne og kvanteeffekter som magnetisme . [7]

Optiske egenskaper

Et enkelt lag med grafen, til tross for at det bare er ett atom tykt, er i stand til å absorbere 2,3 % av strålingen jevnt over nesten hele det optiske spekteret. Til sammenligning vil en silisiumfilm med samme tykkelse bare absorbere 0,03 % av lyset. [8]

Termiske egenskaper

Grafen er en utmerket termisk leder, nest etter diamant, og mange kommersielle bruksområder drar nytte av denne funksjonen.

Mekaniske egenskaper

Grafen er det tynneste materialet i verden og er praktisk talt gjennomsiktig (97,7 % av lyset). Den har en teoretisk strekkfasthet på 130 GPa og en elastisitetsmodul på omtrent 1 TPa og kan strekkes opp til 20 % av lengden. I følge de nobelprisvinnende oppdagerne i 2010, ville et enkelt ark med grafen (dvs. 1 atom høyt ark) 1 kvadratmeter bredt være i stand til å bære vekten til en katt på 4 kg, veie 0,7 mg og være praktisk talt usynlig. Grafen, som teoretisk sett burde ha betydelig mekanisk styrke, lik 4 ganger styrken til stål [9] , er også et sprøtt materiale [1] og denne sprøheten, kombinert med den uunngåelige tilstedeværelsen av defekter i komponentene når deres dimensjoner økes [ 10] , tillater det ikke å produsere veldig store ark med grafen eller å produsere grafenobjekter med strekkstyrkeverdier av interesse for strukturelle applikasjoner.

Bruk og potensielle bruksområder

Grafen, som dirigent, er gjenstand for intense studieprogrammer for bruk i halvledersystemer . I 2010 utviklet en IBM -gruppe en grafentransistor med en maksimal driftsfrekvens på 100 G Hz og en portlengde på 240 nm ; I 2011 laget IBM en transistor av samme materiale med en frekvens på 155 GHz [11] og en portlengde på 40 nm. I 2010, ved UCLA , nådde en annen test med grafen hastighetsrekorden for en transistor som nådde 300 GHz. Analoge transistorer til galliumarsenid har en maksimal frekvens på 40 GHz. [12] En av hovedapplikasjonene for galliumarsenid Grafenmaterialer som allerede er tilgjengelige, gjelder til polymere nanokompositter , oppnådd ved å inkorporere grafen (som et nanofyllstoff) i den grunnleggende polymermatrisen. [13] I september 2021 ble den første serieproduksjonen av en elbil med et grafenbatteri startet [14] .

Grafen brukes i superkondensatorer på grunn av ladetidene i størrelsesorden noen få minutter. Siden den ikke har en energilagringskapasitet som tilsvarer litiumion-batterier, er superkondensatoren vanligvis koblet sammen med akkumulatorer av andre materialer, for eksempel aluminium , som når 2000 ladesykluser, en ladetid mellom 1 og 5 minutter, og en energitetthet på 150-160 Wh / kg (og en teoretisk grense på 1.050). [9]

Grafengitter

Periodisk stablet grafen og dets isolerende isomorf gir et fascinerende strukturelt element i implementeringen av svært funksjonelle supergitter på atomskala, som gir muligheter i utformingen av nanoelektroniske og fotoniske enheter. Ulike typer supergitter kan oppnås ved å stable grafen og dets relaterte former [15] . Energibåndet i lagdelte supergitter er mer følsomt for barrierebredden enn i konvensjonelle III - V halvledersupergitter. Når mer enn ett atomlag legges til barrieren i hver periode, kan koblingen av de elektroniske bølgefunksjonene i tilstøtende potensielle brønner reduseres betydelig, noe som fører til degenerering av de kontinuerlige underbåndene til kvantiserte energinivåer. Når brønnbredden varieres, oppfører energinivåene i potensielle brønner langs LM-retningen seg distinkt fra de langs KH-retningen.

Et supergitter tilsvarer et periodisk eller kvasi-periodisk arrangement av forskjellige materialer og kan beskrives med en supergitterperiode som gir en ny translasjonssymmetri til systemet, og påvirker deres fonondispersjoner og følgelig deres varmetransportegenskaper. Nylig har ensartede monolagstrukturer av grafen-hBN blitt syntetisert ved hjelp av kjemisk dampavsetning (CVD) koblede litografiske skjemaer [16] . Videre er grafen-hBN supergitter ideelle modellsystemer for realisering og forståelse av koherent (bølge) og inkoherent (partikkel) termisk transport av fononer [17] [18] .

Deteksjon av gassmolekyler

Grafen er i stand til å lagre hydrogen: hvis det deformeres, danner det "topper", og hydrogen har en tendens til å samle seg på tuppene av disse toppene. For å frigjøre gassen er det nødvendig å eliminere deformasjonen av grafenet, slik at hydrogenet blir utvist fra toppene. Disse resultatene er resultatet av det lange arbeidet utført av Adanascelo-teamet på øya Hokkaido, Japan.

Belysning

Columbia Engineering - forskere har laget en miniatyrisert lyspære, som er i stand til å sende ut lys takket være en glødende grafenglødetråd, lik det som skjer i vanlige lyspærer med wolframglødetråd . For å oppnå dette brukte forskerne små metallelektroder på grafenstrimler som var usynlige for det blotte øye. Når elektrisk strøm går gjennom kretsen, varmes grafen opp til 2 500 ° C og sender ut synlig lys. Oppdagelsen ble publisert i tidsskriftet Nature Nanotechnology i 2015.

Avsalting

Et eksperiment med omvendt osmose ble utført i USA av forskere fra Massachusetts Institute of Technology . "Den særegne molekylstrukturen til grafen lar deg lage hull i alle størrelser på overflaten. Dette har tillatt vannet å passere på den ene siden og saltene til den andre av laget", akkurat som det skjer i en vanlig omvendt osmose med membraner .

Infrastruktur

I 2019 ble den første italienske grafenbaserte veien bygget i Bergamo , og utnyttet rekonstruksjonen av en eksisterende kjørebane. Veistrekningen er ca. 1 km lang og består av en grafenbasert supermodifikator, som gjør det mulig å øke levetiden til arbeidet betydelig, blandet med en hard plast. [19]

Tennis

Grafen ble brukt for første gang i tennis i 2012 med opprettelsen av en racket der et grafengraft ble lagt til hjertet av racketen, for å gjøre dette området lettere og mer dynamisk og dermed kunne legge vekt på håndtaket og hodet til racketen.

Sykling

Det italienske selskapet Vittoria bruker dette materialet i sammensetningen av dekkene for å sikre større grep, større hastighet, større motstand mot punkteringer og mer motstand generelt. Etter flere undersøkelser og tester har det blitt lagt merke til at grafenmolekylene, som er ekstremt tynne, er i stand til å fylle det tomme rommet som skiller gummimolekylene. Følgelig fungerer grafen som en magnet: ved å skli mellom gummimolekylene skaper det effektivt et bånd med dem og holder dem mer forent. Vittoria har også oppnådd ekstraordinære resultater med påføring av grafen på hjulene. Akkurat som i dekk, fungerer grafen også som en magnet i hjul, og integreres med karbonet de er laget av. Siden den er ekstremt tynn, bygger grafen seg opp i rommene som deler karbonmolekylene og skaper en binding med dem. Det følger at egenskapene til karbon når det gjelder sidestivhet av hjulet, slagmotstand, vektreduksjon og varmeavledning forbedres eksponentielt. I tillegg lar karbonet utsmykket med grafen hjulene tåle lufttrykket til slangeløse dekk som er mye høyere enn før og tåle enda mer brå bremsing, i alle forhold. [20]

Utviklingsprosjekter

I januar 2013 ble Graphene -prosjektet [21] (sammen med Human Brain Project ) valgt ut av EU-kommisjonen blant FET-flaggskipene , flaggskipets forsknings- og utviklingsprosjekter fremmet av EU [22] : valgt fra en kortliste med seks kandidater [23] , vil de to prosjektene nyte godt av økonomisk støtte på € 1 milliard for en varighet på ti år.

Toksisitet

Toksisiteten til grafen har blitt diskutert mye i den vitenskapelige litteraturen. Den største samlingen om toksisiteten til grafen oppsummerer de in vitro , in vivo , antimikrobielle og miljømessige effektene av dette stoffet og fremhever de ulike mekanismene for toksisiteten til grafen selv, som avhenger av faktorer som form, størrelse, renhet av stoffet, arbeidsfaser etterproduksjon, oksidativ tilstand, funksjonelle grupper, dispersjonstilstand, syntesemetoder, administrasjonsdose og eksponeringstider. [24]

Grafen nanotape, nanoplater og nanoløk er giftfrie opp til en konsentrasjon på 50 µg / ml. Disse nanopartikler endrer ikke differensieringen av benmargsstamceller til osteoblaster eller adipocytter, noe som antyder at ved lave doser grafennanopartikler er trygge for alle biomedisinske bruksområder. Flerlags grafenkrystaller med en tykkelse på 10 µm var i stand til å perforere cellemembraner i løsning; Brown University - forskning beskriver den potensielle toksisiteten til grafen: det vil påvirke og skade menneskelige celler på grunn av dens todimensjonale natur, spesielt når det er fint fragmentert, som også er rapportert for fullerener . [25] De fysiologiske effektene av grafen er fortsatt usikre, og dette er fortsatt et uutforsket felt.

Merknader

  1. ^ Grafen på panorama.it , på science.panorama.it (arkivert fra den opprinnelige nettadressen 14. september 2014) .
  2. ^ Storbritannia, laget en grafitttransistor
  3. ^ Dobbeltlagsgrafen, den neste vitenskapelige revolusjonen?
  4. ^ Luca Beverina, Future material , 2020, il Mulino, Bologna, ISBN 978 88 15 28669 7
  5. ^ ( PT ) Estudo fra eletrônica estrutura do grafeno e grafeno hidratado , på dspace.sti.ufcg.edu.br:8080 .
  6. ^ HP Boehm, R. Setton og Stumpp, E., Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds , in Pure and Applied Chemistry , vol. 66, 1994, s. 1893-1901, DOI : 10.1351 / pac199466091893 .
  7. ^ Universitetet i Göttingen , Uventede kvanteeffekter i naturlig dobbeltlagsgrafen , på phys.org , 15. august 2022.
  8. ^ RR Nair , P. Blake og AN Grigorenko, Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene , in Science , vol. 320, n. 5881, 6. juni 2008, s. 1308-1308, DOI : 10.1126 / science.1156965 . Hentet 5. november 2016 .
  9. ^ a b Er grafenbatterier fremtiden? , på azonano.com , 20. september 2022. Hentet 23. september 2022 .
  10. ^ Dimitrios G. Papageorgiou, Ian A. Kinloch og Robert J. Young, Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites , in Progress in Materials Science , vol. 90, 1. oktober 2017, s. 75-127, DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2017.07.004 . Hentet 3. juli 2019 .
  11. ^ IBM tester en 155GHz grafentransistor , på businessmagazine.it , Business Magazine, 11. april 2011.
  12. ^ IBM: demonstrasjon av en 100GHz grafentransistor , på hwupgrade.it , Hardware Upgrade, 8. februar 2010. Hentet 9. februar 2010 .
  13. ^ T. Gatti, N. Vicentini, E. Menna, Potensialet for bruk av grafen i industrifeltet ( PDF ), på Chimica.unipd.it , Innova FVG - Project NANOCOAT. Hentet 6. februar 2017 (arkivert fra originalen 7. februar 2017) .
  14. ^ Elbilen (med grafenbatteri) som lades på åtte minutter , i La Gazzetta dello Sport . Hentet 25. april 2021 .
  15. ^ Yang Xu, Yunlong Liu, Huabin Chen, Xiao Lin, Shisheng Lin, Bin Yu og Jikui Luo, Ab initio studie av energibåndmodulering ingrafenbaserte todimensjonale lagdelte supergitter , i Journal of Materials Chemistry , vol. 22, n. 45, 2012, s. 23821, DOI : 10.1039 / C2JM35652J .
  16. ^ Zheng Liu, Lulu Ma, Gang Shi, Wu Zhou, Yongji Gong , Sidong Lei, Xuebei Yang, Jiangnan Zhang, Jingjiang Yu, Ken P. Hackenberg, Aydin Babakhani, Juan-Carlos Idrobo, Robert Vajtai, Jun Lou og Pulickel M. Ajayan, In-plane heterostrukturer av grafen og sekskantet bornitrid med kontrollerte domenestørrelser , i Nature Nanotechnology , februar 2013, s. 119-124, DOI : 10.1038 / nnano.2012.256 .
  17. ^ Isaac M. Felix og Luiz Felipe C. Pereira, Thermal Conductivity of Graphene-hBN Superlattice Ribbons , Scientific Reports , 9. februar 2018, s. 2737, DOI : 10.1038 / s41598-018-20997-8 .
  18. ^ ( PT ) Isaac de Macêdo Félix, Condução de calor em nanofitas quase-periódicas de grafeno-hBN , på repositorio.ufrn.br , 4. august 2020.
  19. ^ I Bergamo den første grafenveien i en by , i bergamonews.it .
  20. ^ Vittoria Graphene- teknologi , i Vittoria . Hentet 16. mai 2020 .
  21. ^ Graphene Flagship , på graphene-flagship.eu . _ Hentet 16. mai 2020 .
  22. ^ Nicola Nosengo , Her er fremtidens (europeiske) teknologier .
  23. ^ Henry Markram , The Human Brain Project , The Sciences , august 2012, s. 46
  24. ^ Lalwani , Gaurav; D'Agati, Michael; Mahmud Khan, Amit; Sitharaman, Balaji et al. , "Toksikologi av grafenbaserte nanomaterialer". , i Advanced Drug Delivery Reviews , vol. 105, n. 109-144, oktober 2016, DOI : 10.1016 / j.addr.2016.04.028 . Hentet 30. august 2015 .
  25. ^ Valerio Porcu, Grafen er giftig, det angriper celler og skader dem , i Tom's Hardware , 16. juli 2013. Hentet 4. april 2017 (arkivert fra originalen 14. september 2015) .

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker