Grafén je materiál, ktorý má niekoľko vlastností schopných spôsobiť revolučnú technológiu

Obrázok OpenClipart-Vectors na Pixabay

Grafén je materiál zložený z dvojrozmernej vrstvy atómov uhlíka usporiadaných do šesťuholníkových štruktúr, ktorej výška je ekvivalentná výške atómu. Tento materiál je možné vyrobiť extrakciou povrchových vrstiev grafitu, minerálu hojného na Zemi a jedného z najbežnejších alotropov uhlíka.

Chemické väzby a hrúbka grafénu sú zodpovedné za niekoľko dôležitých vlastností tohto prvku, ako je mechanická odolnosť a tepelná a elektrická vodivosť. Tieto vlastnosti priťahovali vedcov a technologický priemysel pre ich nekonečné možnosti použitia.

Objav grafénu

Stabilný dvojrozmerný grafén objavili náhodne v roku 2004 ruskí fyzici Andre Geim a Konstantin Novoselov. Tento objav priniesol výskumníkom Nobelovu cenu za fyziku v roku 2010. Existencia tohto uhlíkového alotropu je však známa od roku 1930.

Vlastnosti grafénu

Grafén má množstvo vlastností, ktoré z neho robia materiál s niekoľkými technologickými aplikáciami. Poznajte hlavné vlastnosti tohto alotropu.

Mechanické vlastnosti

Grafén je najsilnejší materiál, aký kedy bol známy. Táto rezistencia je výsledkom silných väzieb vytvorených medzi jej atómami uhlíka. Materiály široko používané v civilných stavbách, ako napríklad oceľ, odolávajú iba tretine tohto tlaku.

Ďalšou zaujímavou vlastnosťou grafénu je jeho vysoký Youngov modul, čo naznačuje, že okrem odolnosti je tento materiál aj veľmi elastický. Preto je schopný pomerne ľahko sa vrátiť do pôvodnej veľkosti.

Malé plochy každého šesťuholníka uhlíka sú zodpovedné za vysokú nepriepustnosť grafénu, ktorý sa dá použiť ako malá sieť schopná zadržiavať plyny, ktoré ľahko unikajú z nádob, napríklad plynný vodík. Okrem toho, že je grafén mimoriadne odolný, je veľmi ľahký: jeho hustota je 0,77 g / m², teda asi tisíckrát ľahší ako list papiera.

Elektrické vlastnosti

Elektróny sú schopné šíriť sa v graféne takmer voľne bez toho, aby sa odchýlili alebo narazili. Vďaka hexagonálnej štruktúre uhlíkových väzieb sa elektróny pohybujú v týchto tenkých vrstvách relativistickými rýchlosťami, to znamená blízko rýchlosti svetla.

Pri izbovej teplote je elektrický odpor grafénu najnižší. Tento prvok teda možno považovať za najlepší kovový vodič.

Optické vlastnosti

Pretože umožňuje priechod 97,5% dopadajúceho svetla, grafén je voľným okom neviditeľný. Toto optické správanie vyplýva z relativistických vlastností elektrónov v graféne. To znamená, že stohovaním niekoľkých vrstiev grafénu je možné vytvoriť dokonale čierne teleso schopné absorbovať takmer všetko žiarenie, ktoré na neho dopadne.

Tepelné vlastnosti

Pre svoje elektrické vlastnosti je grafén vynikajúcim tepelným vodičom. Tento materiál je schopný odvádzať teplo rýchlejšie ako akýkoľvek iný známy materiál. Niektoré štúdie navyše naznačujú, že jeho teplota topenia je 3851 ° C.

Preto sú hlavné vlastnosti a charakteristiky grafénu:

Je extrémne tenký: má hrúbku atómu;
Je vysoko odolný: asi 200-krát odolnejší ako oceľ;
Je flexibilný;
Je vodotesný;
Je priehľadný: prepúšťa asi 97,5% svetelných lúčov;
Má vysokú tepelnú a elektrickú vodivosť: vedie elektrickú energiu stokrát rýchlejšie ako meď. Štúdie tiež preukázali, že rýchlosť, ktorou elektróny prechádzajú grafénom, je 1 000 km / s (60-krát rýchlejšia ako kremík);
Má vysokú tvrdosť
Má menší Jouleov efekt: pri vedení elektrónov stráca menej energie vo forme tepla.

Aplikácie grafénu

Vďaka svojim vlastnostiam a vlastnostiam je grafén jedným z najsľubnejších známych materiálov. Jeho technologické aplikácie sú rozsiahle, ale obmedzené kapacitou na výrobu tohto materiálu vo veľkom meradle. Zariadenia ako skladacie LED obrazovky, fotovoltaické články, účinnejšie tranzistory, superkondenzátory, chladiče a super batérie mobilných telefónov sú príkladmi technológií vyvinutých pomocou grafénu.

Grafén je možné navyše použiť v ďalších študijných odboroch, ako sú:

Pitná voda

Membrány tvorené grafénom sú schopné odsoľovať a čistiť morskú vodu

Emisie CO2

Grafénové filtre sú schopné znížiť emisie CO2 separáciou plynov generovaných priemyselnými a podnikmi

Zisťovanie chorôb

Oveľa rýchlejšie biomedicínske senzory sú vyrobené z grafénu a dokážu detekovať choroby, vírusy a ďalšie toxíny

Konštrukcia

Stavebné materiály, ako je betón a hliník, sa pridaním grafénu stávajú ľahšími a odolnejšími

Estetika

Farbenie vlasov striekaním grafénu vydrží až 30 umytí

Mikrozariadenia

Menšie a odolnejšie čipy vďaka nahradeniu kremíka grafénom

Energie

Solárne články majú lepšiu flexibilitu, väčšiu transparentnosť a nižšie výrobné náklady pri použití grafénu

Elektronika

Batérie s lepším a rýchlejším ukladaním energie

Mobilita

Bicykle môžu mať pevnejšie pneumatiky a rámy vážiace 350 gramov pomocou grafénu

Medzi štúdiami súvisiacimi s grafénom zdôrazňujeme tie, ktoré zahŕňajú vývoj nových káblov na prenos dát pre internet. Podľa výskumu publikovaného v časopise Nature Communication je cieľom využiť všetku rýchlosť dosiahnutú elektrónmi v graféne - bunky sa v ňom pohybujú stokrát rýchlejšie ako v súčasnosti používaných kábloch.

Dôležitosť grafénu pre Brazíliu

Brazília je zaradená do technologického závodu pri hľadaní lacnejších a efektívnejších metód výroby grafénu. Podľa správy vypracovanej Národným ministerstvom minerálnej výroby (DNPM) by mal byť trh s grafénom jedným z najvýnosnejších na svete s potenciálom dosiahnuť až 10 biliónov dolárov za 10 rokov. Brazília má navyše najväčšie zásoby grafénu na svete.

Cena grafénu

Vďaka svojim zložitým spôsobom získavania je cena grafénu stále vysoká. Najaktuálnejšie techniky, ktoré umožňujú výrobu čistých a tenkých vrstiev tohto materiálu, pracujú s usadzovaním pary na kovových podkladoch, ako sú napríklad medené plechy.

V súčasnosti môže list grafénu s rozmermi 5,08 x 2,54 cm stáť až 275 dolárov: v priemere 21 dolárov na štvorcový centimeter. Faktory ako nečistoty a asymetria však môžu túto cenu drasticky znížiť. Grafén je možné získať aj z grafitu: s 1 kg grafitu, ktorý stojí približne 1 dolár, je možné vyrobiť 150 g grafénu, ktorého hodnota presahuje 15-tisíc dolárov.

Grafénové fakty

Vlajkový projekt Európskej únie v oblasti grafénu vyčlenil okolo 1,3 miliárd eur na výskum súvisiaci s grafénom, aplikáciami a priemyselným vývojom v priemyselnom meradle. Na tomto projekte sa zúčastňuje spolu 150 inštitúcií z 23 krajín.
Prvý kufor vyvinutý pre vesmírne lety má vo svojom zložení grafén. Jeho spustenie je naplánované na rok 2033, keď NASA plánuje uskutočniť expedície na Mars.
Borofén je novým konkurentom pre grafén. Tento materiál, ktorý bol objavený v roku 2015, sa považuje za vylepšenú verziu grafénu, ktorý je ešte pružnejší, odolnejší a vodivejší.

Procesy získavania grafénu, jeho aplikácie a jeho význam pre Brazíliu