grafen
Grafen – alotropowa odmiana węgla o płaskiej, dwuwymiarowej strukturze złożonej z jednej warstwy atomów węgla tworzących heksagonalną sieć, odkryta w 2004 r. przez fizyków Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa. Grafen jest materiałem niemal całkowicie przezroczystym, cechującym się dużą wytrzymałością mechaniczną oraz bardzo dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym; warstwy grafenowe wchodzą w skład grafitu, fullerenów oraz nanorurek węglowych. Grafen wykorzystywany jest m.in. w elektronice (ekrany dotykowe), automatyce (detektory gazów, baterie, akumulatory), energetyce solarnej (ogniwa fotowoltaiczne) oraz w chemii, biologii i medycynie (biosensory, arkusze antybakteryjne).
Struktura grafenu
Grafen stanowi alotropową odmianę węgla o płaskiej, dwuwymiarowej strukturze złożonej z jednej warstwy atomów węgla połączonych w sześciokątne pierścienie węglowe, tworzące heksagonalną sieć o wyglądzie „plastra miodu”. Atomy węgla w obrębie warstwy połączone są wiązaniami kowalencyjnymi o hybrydyzacji sp² – każdy atom tworzy z atomami sąsiednimi trzy wiązania σ oraz jedno wiązanie π skierowane poza płaszczyznę. Grafen został odkryty w 2004 r. przez fizyków Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa, którzy za przełomowe badania nad grafenem otrzymali w 2010 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Warstwy grafenu są podstawowymi elementami składowymi innych odmian alotropowych węgla – grafitu, fullerenów oraz nanorurek węglowych. Grafit zbudowany jest z wielu warstw grafenowych połączonych słabymi oddziaływaniami van der Waalsa; w obrębie każdej warstwy występują sprzężone układy cykliczne zbudowane z pierścieni sześciowęglowych, zbliżonych strukturą do benzenu. Fullereny zbudowane są z układu sprzężonych pierścieni pięcio- i sześciowęglowych, tworzących zamknięte, puste w środku bryły w kształcie kopuły. Nanorurki węglowe mają formę cylindrów o ściankach zbudowanych ze zwiniętej warstwy grafenowej; wyróżnia się nanorurki jednościankowe (SWNT – ang. single-walled nanotubes) oraz nanorurki wielościankowe (MWNT – ang. multi-walled nanotubes) zbudowane z 2-50 koncentrycznie ułożonych cylindrów. Grafen jest również często uważany za ostatni element szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych.
Właściwości grafenu
Grafen cechuje się wysoką przepuszczalnością i czułością na światło. Jest materiałem niemal całkowicie przezroczystym – warstwa grafenu pochłania jedynie bardzo niewielką część światła padającego (2,3%).
Grafen jest najlżejszym znanym materiałem (1 m² waży ok. 0,77 mg), przy czym cechuje się bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną – jest ok. 100 razy mocniejszy od stali tej samej grubości. Jest bardzo elastyczny – wytrzymuje rozciąganie nawet do 20-25% w stosunku do pierwotnego rozmiaru. Wartość wytrzymałości grafenu na rozciąganie wynosi 130 GPa, podczas gdy dla stali konstrukcyjnej wynosi ok. 0,4 GPa.
Kolejną cechą tej odmiany węgla jest bardzo dobre przewodnictwo elektryczne, nawet w przypadku zerowej koncentracji ładunku elektrycznego. Elektrony w grafenie cechują się bardzo wysoką ruchliwością w temperaturze pokojowej, wynoszącą ok. 2·10⁵ cm²/V·s (dla porównania ruchliwość elektronów w innych półprzewodnikach wynosi ok. 1000 cm²/V·s dla krzemu, ok. 8500 cm²/V·s dla arsenku galu). Grafen posiada niską wartość rezystancji.
Grafen doskonale przewodzi ciepłomateriału wynosi 4840-5300 W/m·K; czyli jest około dwukrotnie większa niż przewodność cieplna innej formy alotropowej węgla, diamentu, która wynosi 900-2320 W/m·K.
Warstwa utlenionego grafenu może pełnić rolę membrany selektywnej, nieprzepuszczalnej dla gazów oraz atomów helu i całkowicie przepuszczalnej dla wody. Grafen jest odporny na działanie wody i rozpuszczalników organicznychcząsteczek chemicznych, np. enzymów, przeciwciał, fragmentów DNA.
Otrzymywanie grafenu
Grafen na potrzeby badawcze otrzymywany jest z wykorzystaniem metody eksfoliacji mechanicznej opracowanej przez Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa, polegającej na mechanicznym złuszczaniu kolejnych warstw z grafitu za pomocą taśmy klejącej do momentu uzyskania warstwy o grubości jednego atomu węgla.
Grafen na skalę przemysłową wytwarzany jest m.in. z wykorzystaniem metody chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD, ang. chemical vapor deposition) polegającej na osadzaniu cienkich warstw atomów węgla pochodzących z gazu (np. metanu) na powierzchni metali przejściowych (np. miedzi, niklu) oraz metody termicznego rozkładu cząsteczek związków zawierających węgiel, np. węgliku krzemu (SiC).
Zastosowanie grafenu
Grafen jest materiałem używanym w elektronice do produkcji przezroczystych, zwijanych ekranów dotykowych, czułych przetworników obrazu, tranzystorów, wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD), diod elektroluminescencyjnych (LED) oraz superkondensatorów.
Grafen ma również zastosowanie w automatyce do wytwarzania detektorów gazów oraz wysokopojemnych baterii i akumulatorów. Wykorzystywany jest w energetyce słonecznej do produkcji energii odnawialnej za pomocą wydajnych ogniw fotowoltaicznych.
Grafen jest wykorzystywany w badaniach z dziedziny chemii, biologii oraz medycyny. Stanowi materiał do produkcji czujników chemicznych i biosensorów, elektrochemicznych immunosensorów używanych w diagnostyce medycznej do wykrywania markerów nowotworowych, arkuszy antybakteryjnych oraz opatrunków grafenowych. Może być również używany jako rusztowanie w inżynierii tkankowej, np. w celu wzmocnienia implantów kostnych.
