Membuat graphene di rumah. Graphene dan aplikasinya

Serat graphene di bawah mikroskop elektron pemindaian. Grafena murni direduksi dari grafena oksida (GO) dalam oven microwave. Skala 40 µm (kiri) dan 10 µm (kanan). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Universitas Rutgers

Graphene adalah modifikasi karbon 2D, dibentuk oleh lapisan setebal satu atom karbon. Bahan ini memiliki kekuatan tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan sifat fisik dan kimia yang unik. Ini menunjukkan mobilitas elektron tertinggi dari semua material yang diketahui di Bumi. Hal ini membuat graphene menjadi material yang hampir ideal untuk berbagai macam aplikasi, termasuk elektronik, katalis, baterai, material komposit, dll. Yang perlu dilakukan hanyalah mempelajari cara memproduksi lapisan graphene berkualitas tinggi pada skala industri.

Ahli kimia dari Universitas Rutgers (AS) telah menemukan metode sederhana dan cepat untuk menghasilkan graphene berkualitas tinggi dengan mengolah graphene oksida dalam oven microwave konvensional. Metode ini ternyata sangat primitif dan efektif.

Grafit oksida adalah senyawa karbon, hidrogen dan oksigen dalam berbagai proporsi, yang terbentuk ketika grafit diolah dengan zat pengoksidasi kuat. Untuk menghilangkan sisa oksigen dalam grafit oksida dan kemudian mendapatkan graphene murni dalam lembaran dua dimensi memerlukan usaha yang besar.

Grafit oksida dicampur dengan alkali kuat dan bahan tersebut direduksi lebih lanjut. Hasilnya adalah lembaran monomolekul dengan residu oksigen. Lembaran ini biasa disebut graphene oxide (GO). Ahli kimia telah mencoba berbagai cara untuk menghilangkan kelebihan oksigen dari GO ( , , , ), tetapi GO (rGO) yang direduksi dengan metode ini tetap merupakan bahan yang sangat tidak teratur yang jauh dari sifat graphene murni nyata yang diperoleh dengan deposisi uap kimia (CVD) .

Bahkan dalam bentuknya yang tidak teratur, rGO berpotensi berguna untuk pembawa energi ( , , , , ) dan katalis ( , , , ), namun untuk mendapatkan manfaat maksimal dari sifat unik graphene dalam elektronik, seseorang harus belajar menghasilkan murni, tinggi -graphene berkualitas dari GO.

Ahli kimia di Universitas Rutgers mengusulkan cara sederhana dan cepat untuk mereduksi GO menjadi graphene murni menggunakan pulsa radiasi gelombang mikro 1-2 detik. Seperti dapat dilihat pada grafik, graphene yang diperoleh dengan “reduksi gelombang mikro” (MW-rGO) memiliki sifat yang lebih mirip dengan graphene paling murni yang diperoleh dengan menggunakan CVD.

Karakteristik fisik MW-rGO dibandingkan dengan graphene oksida GO murni, graphene oksida rGO tereduksi, dan graphene deposisi uap kimia (CVD). Yang ditampilkan adalah serpihan GO khas yang diendapkan pada substrat silikon (A); Spektroskopi fotoelektron sinar-X (B); Spektroskopi Raman dan rasio ukuran kristal (L a) terhadap l 2D /l G rasio puncak dalam spektrum Raman untuk MW-rGO, GO dan CVD (CVD).

Sifat elektronik dan elektrokatalitik MW-rGO dibandingkan dengan rGO. Ilustrasi: Universitas Rutgers

Proses teknologi untuk memperoleh MW-rGO terdiri dari beberapa tahap.

Oksidasi grafit menggunakan metode Hummers yang dimodifikasi dan melarutkannya menjadi serpihan grafena oksida satu lapis dalam air.
Annealing GO membuat material lebih rentan terhadap iradiasi gelombang mikro.
Iradiasi serpihan GO dalam oven microwave konvensional 1000 W selama 1-2 detik. Selama prosedur ini, GO dengan cepat dipanaskan hingga suhu tinggi, terjadi desorpsi gugus oksigen dan penataan kisi karbon yang sangat baik.

Fotografi dengan mikroskop elektron transmisi menunjukkan bahwa setelah perlakuan dengan pemancar gelombang mikro, struktur yang sangat teratur terbentuk di mana gugus fungsi oksigen hampir hancur total.

Gambar mikroskop elektron transmisi menunjukkan struktur lembaran graphene dengan skala 1 nm. Di sebelah kiri adalah rGO satu lapis, yang memiliki banyak cacat, termasuk gugus fungsi oksigen (panah biru) dan lubang pada lapisan karbon (panah merah). Di tengah dan di kanan terdapat MW-rGO dua lapis dan tiga lapis yang terstruktur sempurna. Foto: Universitas Rutgers

Sifat struktural MW-rGO yang sangat baik bila digunakan dalam transistor efek medan memungkinkan mobilitas elektron maksimum ditingkatkan hingga sekitar 1500 cm 2 /V s, yang sebanding dengan kinerja luar biasa dari transistor mobilitas elektron tinggi modern.

Selain elektronik, MW-rGO berguna dalam produksi katalis: ia menunjukkan koefisien Tafel yang sangat rendah bila digunakan sebagai katalis dalam reaksi evolusi oksigen: sekitar 38 mV per dekade. Katalis MW-rGO juga tetap stabil dalam reaksi evolusi hidrogen yang berlangsung lebih dari 100 jam.

Semua ini menunjukkan potensi luar biasa untuk penggunaan graphene yang direduksi gelombang mikro dalam industri.

Artikel Penelitian "Grafena berkualitas tinggi melalui reduksi gelombang mikro dari oksida grafena yang terkelupas dengan larutan" diterbitkan pada 1 September 2016 di majalah Sains(doi: 10.1126/science.aah3398).

Teknologi tinggi di rumah. Pemenang Hadiah Nobel Konstantin Novoselov menceritakan bagaimana Anda dapat membuat graphene sendiri dari bahan bekas. Ini telah menciptakan sensasi nyata dalam dunia sains, dan di masa depan dapat digunakan di semua bidang - mulai dari memasak hingga penerbangan luar angkasa.

Membangun panggung untuk peraih Nobel, tentu saja, bukanlah menciptakan graphene. Layar untuk menampilkan slide foto dan video dirakit hanya dalam beberapa menit. Bingkai, pengencang dan ini dia, keajaiban minimalis. Konstantin Novoselov membawa perlengkapan untuk cerita tentang penemuan ilmiah paling terkenal akhir-akhir ini di dalam ransel biasa.

Ada laptop di dalamnya. Pemenang Hadiah Nobel bidang fisika ini terbiasa melakukan perjalanan cahaya. Pertanyaan pertama dari penonton - dan langsung menjadi jawaban yang menggairahkan imajinasi. Ternyata hampir semua orang bisa mendapatkan materi yang digadang-gadang memiliki masa depan cerah.

"Yang Anda butuhkan hanyalah membeli grafit yang bagus. Pada prinsipnya, Anda bisa menggunakan pensil, tapi lebih baik membeli grafit yang bagus. Anda akan menghabiskan $100 untuk itu. Anda harus mengeluarkan $20 untuk wafer silikon, $1 untuk pita perekat. Itu saja $121 dolar, saya berjanji kepada Anda bahwa Anda akan belajar cara membuat graphene yang menakjubkan,” kata ilmuwan tersebut.

Bukan suatu kebetulan jika dunia sains langsung berkata tentang penemuan ini: segala sesuatu yang cerdik itu sederhana. Bahan berbasis grafit dapat merevolusi elektronik. Kita sudah terbiasa dengan kenyataan bahwa gadget modern adalah ponsel, komputer, dan kamera dalam satu perangkat. Dengan graphene, perangkat ini akan menjadi lebih tipis, transparan, dan fleksibel. Karena sifat materi yang unik, perangkat semacam itu tidak berbahaya jika terjatuh.

"Bahan ini memiliki sifat elektronik yang sangat menarik. Dapat digunakan untuk transistor. Dan, khususnya, banyak perusahaan yang mencoba membuat transistor berkecepatan tinggi dari bahan ini untuk digunakan, misalnya, dalam komunikasi seluler," jelas peraih Nobel tersebut.

Di masa depan, menurut para ahli, bahan ini akan mampu sepenuhnya menggantikan silikon yang menua secara bertahap di semua perangkat elektronik. Sejauh ini teknik ini tampak seperti sebuah keajaiban. Namun, baru-baru ini, kejutan yang sama juga disebabkan, misalnya, oleh TV LCD atau Internet. Omong-omong, Jaringan Komputer Seluruh Dunia yang menggunakan graphene akan menjadi sepuluh kali lebih cepat. Dalam biologi, seiring dengan materi baru, teknologi progresif untuk menguraikan struktur kimia DNA akan muncul. Penggunaan graphene ultra-ringan dan berkekuatan tinggi akan diterapkan dalam penerbangan dan konstruksi pesawat ruang angkasa.

"Bahan yang paling tipis, paling kuat, paling konduktif. Yang paling tidak bisa ditembus, paling elastis. Secara umum, yang terbaik adalah graphene," Novoselov menekankan.

Hadiah Nobel Fisika diberikan untuk eksperimen lanjutan dengan graphene pada tahun 2010. Ini adalah pertama kalinya suatu bahan yang menjadi produk penelitian ilmiah berpindah begitu cepat dari laboratorium akademis ke produksi industri. Di Rusia, minat terhadap perkembangan Konstantin Novoselov sangat luar biasa. Situs festival Bookmarket dan Taman Gorky terbuka untuk semua orang. Dan cuaca sejuk serta hujan bukanlah halangan bagi ilmu pengetahuan yang sebenarnya.

Graphene menjadi semakin menarik bagi para peneliti. Jika pada tahun 2007 sebanyak 797 artikel tentang graphene diterbitkan, maka dalam 8 bulan pertama tahun 2008 sudah ada 801 publikasi. Apa penelitian dan penemuan terbaru yang paling signifikan di bidang struktur dan teknologi graphene?

Saat ini, graphene (Gbr. 1) adalah bahan tertipis yang diketahui umat manusia, hanya setebal satu atom karbon. Ini memasuki buku teks fisika dan kenyataan kita pada tahun 2004, ketika peneliti dari Universitas Manchester Andre Geim dan Konstantin Novoselov berhasil mendapatkannya menggunakan pita perekat biasa untuk secara berurutan memisahkan lapisan dari grafit kristal biasa, yang kita kenal dalam bentuk ujung pensil (lihat .Aplikasi). Sungguh luar biasa bahwa lembaran graphene yang ditempatkan pada substrat silikon teroksidasi dapat dilihat dengan mikroskop optik yang baik. Dan ini dengan ketebalan hanya beberapa angstrom (1Å = 10–10 m)!

Popularitas Graphene di kalangan peneliti dan insinyur semakin meningkat dari hari ke hari karena ia memiliki sifat optik, listrik, mekanik, dan termal yang luar biasa. Banyak ahli memperkirakan dalam waktu dekat kemungkinan penggantian transistor silikon dengan transistor graphene yang lebih ekonomis dan bekerja cepat (Gbr. 2).

Meskipun pengelupasan mekanis dengan pita perekat dapat menghasilkan lapisan graphene berkualitas tinggi untuk penelitian mendasar, dan metode epitaksi untuk menumbuhkan graphene dapat memberikan rute terpendek menuju chip elektronik, ahli kimia mencoba mendapatkan graphene dari larutan. Selain biayanya yang rendah dan hasil yang tinggi, metode ini membuka jalan bagi banyak teknik kimia yang banyak digunakan yang dapat menanamkan lapisan graphene ke dalam berbagai struktur nano atau mengintegrasikannya dengan berbagai bahan untuk membuat nanokomposit. Namun, ketika memproduksi graphene dengan metode kimia, ada beberapa kesulitan yang harus diatasi: pertama, perlu dilakukan pemisahan sempurna dari grafit yang ditempatkan dalam larutan; kedua, pastikan graphene yang terkelupas dalam larutan mempertahankan bentuk lembarannya dan tidak menggulung atau saling menempel.

Baru-baru ini di majalah bergengsi Alam Dua artikel yang diterbitkan oleh kelompok ilmiah yang bekerja secara independen, di mana penulis berhasil mengatasi kesulitan yang disebutkan di atas dan mendapatkan lembaran graphene berkualitas baik yang tersuspensi dalam larutan.

Kelompok ilmuwan pertama – dari Universitas Stanford (California, AS) dan (Tiongkok) – memasukkan asam sulfat dan nitrat di antara lapisan grafit (proses interkalasi; lihat senyawa interkalasi grafit), dan kemudian dengan cepat memanaskan sampel hingga 1000°C (Gbr. .3a) . Penguapan eksplosif molekul intercalant menghasilkan “serpihan” grafit tipis (tebal beberapa nanometer) yang mengandung banyak lapisan graphene. Setelah ini, dua zat, oleum dan tetrabutylammonium hydroxide (HTBA), secara kimia dimasukkan ke dalam ruang antara lapisan graphene (Gbr. 3b). Solusi sonikasi mengandung lembaran grafit dan graphene (Gambar 3c). Setelah ini, graphene dipisahkan dengan sentrifugasi (Gbr. 3d).

Pada saat yang sama, kelompok ilmuwan kedua - dari Dublin, Oxford dan Cambridge - mengusulkan metode berbeda untuk memproduksi graphene dari grafit multilayer - tanpa menggunakan intercalant. Hal utama, menurut penulis artikel tersebut, adalah menggunakan pelarut organik yang “benar”, seperti N-metil-pirolidon. Untuk mendapatkan graphene berkualitas tinggi, penting untuk memilih pelarut sedemikian rupa sehingga energi interaksi permukaan antara pelarut dan graphene sama dengan sistem graphene-graphene. Pada Gambar. Gambar 4 menunjukkan hasil produksi graphene langkah demi langkah.

Keberhasilan kedua percobaan didasarkan pada penemuan interkalan dan/atau pelarut yang tepat. Tentu saja, ada teknik lain untuk memproduksi graphene, seperti mengubah grafit menjadi grafit oksida. Mereka menggunakan pendekatan yang disebut oksidasi-eksfoliasi-reduksi, di mana bidang dasar grafit dilapisi dengan gugus fungsi oksigen yang terikat secara kovalen. Grafit teroksidasi ini menjadi hidrofilik (atau sekadar menyukai kelembapan) dan dapat dengan mudah terdelaminasi menjadi lembaran graphene individual di bawah pengaruh ultrasound saat berada dalam larutan berair. Graphene yang dihasilkan memiliki sifat mekanik dan optik yang luar biasa, namun konduktivitas listriknya beberapa kali lipat lebih rendah dibandingkan graphene yang diperoleh dengan metode “Scotch tape” (lihat Lampiran). Oleh karena itu, graphene semacam itu tidak mungkin diterapkan dalam elektronik.

Ternyata, graphene, yang diperoleh melalui dua metode yang disebutkan di atas, memiliki kualitas yang lebih tinggi (mengandung lebih sedikit cacat pada kisi) dan, sebagai hasilnya, memiliki konduktivitas yang lebih tinggi.

Pencapaian lain yang sangat berguna dilakukan oleh para peneliti dari California, yang baru-baru ini melaporkan mikroskop elektron resolusi tinggi (hingga resolusi 1Å) dengan energi elektron rendah (80 kV) untuk pengamatan langsung atom individu dan cacat pada kisi kristal graphene. Untuk pertama kalinya di dunia, para ilmuwan dapat memperoleh gambar definisi tinggi dari struktur atom graphene (Gbr. 5), di mana Anda dapat melihat dengan mata kepala sendiri struktur jaringan graphene.

Para peneliti dari Cornell University telah melangkah lebih jauh. Dari selembar graphene, mereka mampu membuat membran setebal satu atom karbon dan mengembangnya seperti balon. Membran ini ternyata cukup kuat menahan tekanan gas beberapa atmosfer. Percobaan terdiri dari berikut ini. Lembaran graphene ditempatkan pada substrat silikon teroksidasi dengan sel yang telah tergores sebelumnya, yang, karena gaya van der Waals, melekat erat pada permukaan silikon (Gbr. 6a). Dengan cara ini, ruang mikro terbentuk di mana gas dapat ditampung. Setelah itu, para ilmuwan menciptakan perbedaan tekanan di dalam dan di luar ruangan (Gbr. 6b). Dengan menggunakan mikroskop gaya atom, yang mengukur jumlah gaya defleksi yang dirasakan ujung kantilever ketika memindai membran hanya beberapa nanometer di atas permukaannya, para peneliti dapat mengamati tingkat cekungan-cembungan membran (Gambar 6c – e ) karena tekanan bervariasi hingga beberapa atmosfer.

Setelah itu, membran tersebut digunakan sebagai miniatur drum untuk mengukur frekuensi getarannya ketika tekanan berubah. Ditemukan bahwa helium tetap berada di ruang mikro bahkan pada tekanan tinggi. Namun, karena graphene yang digunakan dalam percobaan tidak ideal (memiliki cacat pada struktur kristal), gas secara bertahap bocor melalui membran. Sepanjang percobaan, yang berlangsung lebih dari 70 jam, terjadi penurunan tegangan membran yang stabil (Gbr. 6e).

Penulis penelitian menunjukkan bahwa membran tersebut dapat memiliki beragam aplikasi - misalnya, digunakan untuk mempelajari bahan biologis yang ditempatkan dalam larutan. Untuk melakukan ini, cukup menutupi bahan tersebut dengan graphene dan mempelajarinya melalui membran transparan dengan mikroskop, tanpa takut kebocoran atau penguapan larutan yang mendukung kehidupan organisme. Dimungkinkan juga untuk membuat tusukan seukuran atom pada membran dan kemudian mengamati, melalui studi difusi, bagaimana atom atau ion individu melewati lubang tersebut. Namun yang terpenting, penelitian para ilmuwan dari Cornell University telah membawa sains selangkah lebih dekat pada penciptaan sensor monatomik.

Pesatnya pertumbuhan jumlah penelitian tentang graphene menunjukkan bahwa ini memang merupakan bahan yang sangat menjanjikan untuk berbagai aplikasi, namun sebelum dipraktikkan, masih banyak teori yang perlu dibangun dan puluhan eksperimen harus dilakukan.

Membran Atom Kedap Air dari Lembar Grafena (teks lengkap tersedia) // Surat Nano. V.8.Tidak. 8, hal.2458–2462 (2008).

Alexander Samardak

Graphene adalah material terkuat di Bumi. 300 kali lebih kuat dari baja. Selembar graphene dengan luas satu meter persegi dan ketebalan satu atom saja mampu menampung benda seberat 4 kilogram. Graphene, seperti serbet, dapat ditekuk, digulung, dan diregangkan. Serbet kertas robek di tangan Anda. Hal ini tidak akan terjadi pada graphene.

Bentuk karbon lainnya: graphene, diperkuat – graphene yang diperkuat , karabin, intan, fullerene, tabung nano karbon, “kumis”.

Deskripsi grafena:

Graphene adalah bentuk karbon alotropik dua dimensi di mana atom-atomnya tersusun dalam kisi kristal heksagonal membentuk lapisan setebal satu atom. Atom karbon dalam graphene dihubungkan satu sama lain melalui ikatan sp2. Graphene secara harfiah adalah materi tekstil.

Karbon memiliki banyak alotrop. Beberapa di antaranya, misalnya, berlian dan grafit, sudah dikenal sejak lama, sedangkan lainnya baru ditemukan relatif baru (10-15 tahun yang lalu) - fullerene Dan tabung nano karbon. Perlu dicatat bahwa grafit, yang dikenal selama beberapa dekade, adalah tumpukan lembaran graphene, yaitu. berisi beberapa bidang graphene.

Zat baru telah diperoleh berdasarkan graphene: graphene oksida, graphene hydride (disebut graphane) dan fluorographene (produk reaksi graphene dengan fluor).

Graphene memiliki sifat unik yang memungkinkannya digunakan di berbagai bidang.

Sifat dan keunggulan graphene:

– graphene adalah material terkuat di Bumi. 300 kali lebih kuat menjadi. Selembar graphene dengan luas satu meter persegi dan ketebalan satu atom saja mampu menampung benda seberat 4 kilogram. Graphene, seperti serbet, dapat ditekuk, digulung, dan diregangkan. Serbet kertas robek di tangan Anda. Ini tidak akan terjadi dengan graphene.

– Berkat struktur dua dimensi graphene, ini adalah bahan yang sangat fleksibel, sehingga memungkinkannya digunakan, misalnya, untuk menenun benang dan struktur tali lainnya. Dalam hal ini, “tali” graphene yang tipis akan memiliki kekuatan yang serupa dengan tali baja yang tebal dan berat,

– dalam kondisi tertentu, graphene mengaktifkan kemampuan lain yang memungkinkannya untuk “menyembuhkan” “lubang” pada struktur kristalnya jika terjadi kerusakan,

– graphene memiliki konduktivitas listrik yang lebih tinggi. Graphene hampir tidak memiliki resistensi. Graphene memiliki mobilitas elektron 70 kali lebih tinggi dibandingkan silikon. Kecepatan elektron dalam graphene adalah 10.000 km/s, meskipun dalam konduktor biasa kecepatan elektron sekitar 100 m/s.

– mempunyai kapasitas listrik yang tinggi. Intensitas energi spesifik graphene mendekati 65 kWh/kg. Angka ini 47 kali lebih tinggi dibandingkan baterai lithium-ion yang tersebar luas saat ini. baterai,

– mempunyai konduktivitas termal yang tinggi. Ini 10 kali lebih konduktif terhadap panas tembaga,

– ditandai dengan transparansi optik lengkap. Ia hanya menyerap 2,3% cahaya,

– film graphene memungkinkan molekul air melewatinya dan pada saat yang sama menahan molekul lainnya, sehingga memungkinkannya digunakan sebagai filter air,

– bahan paling ringan. 6 kali lebih ringan dari bulu

– kelembaman terhadap lingkungan,

– menyerap limbah radioaktif,

– berkat gerakan Brown (getaran termal) atom karbon dalam lembaran graphene, yang terakhir mampu “menghasilkan” energi listrik,

– adalah dasar untuk perakitan berbagai tidak hanya material dua dimensi yang independen, tetapi juga heterostruktur dua dimensi multilayer.

Sifat fisik graphene*:

*pada suhu kamar.

Memperoleh graphene:

Cara utama untuk mendapatkan graphene adalah:

– pengelupasan mikromekanis lapisan grafit (metode Novoselov - metode scotch tape). Sampel grafit ditempatkan di antara pita perekat dan lapisan-lapisannya dikupas secara berturut-turut hingga lapisan tipis terakhir, yang terdiri dari graphene, tetap ada.

– penyebaran grafit di lingkungan perairan,

– pengelupasan kulit mekanis;

– pertumbuhan epitaksial dalam ruang hampa;

– pendinginan fase uap kimia (proses CVD),

– metode “berkeringat” karbon dari larutan dalam logam atau selama dekomposisi karbida.

Mendapatkan graphene di rumah:

Anda harus mengambil blender dapur dengan daya minimal 400 W. Tuang 500 ml air ke dalam mangkuk blender, tambahkan 10-25 ml deterjen apa pun dan 20-50 gram pensil yang dihancurkan ke dalam cairan. Selanjutnya, blender harus dijalankan selama 10 menit hingga setengah jam hingga muncul suspensi serpihan graphene. Bahan yang dihasilkan akan memiliki konduktivitas yang tinggi, sehingga memungkinkan untuk digunakan dalam elektroda fotosel. Selain itu, graphene yang diproduksi di rumah juga dapat meningkatkan sifat plastik.

Graphene termasuk dalam kelas senyawa karbon unik yang memiliki sifat kimia dan fisik yang luar biasa, seperti konduktivitas listrik yang sangat baik, yang dipadukan dengan ringan dan kekuatan yang luar biasa.

Diharapkan seiring berjalannya waktu akan mampu menggantikan silikon yang menjadi basis produksi semikonduktor modern. Saat ini, kompleks ini telah mendapatkan status “bahan masa depan”.

Fitur bahan

Grafena, paling sering ditemukan dengan sebutan “G”, adalah bentuk karbon dua dimensi yang memiliki struktur tidak biasa berupa atom-atom yang terhubung dalam kisi heksagonal. Apalagi ketebalan totalnya tidak melebihi ukuran masing-masing.

Untuk pemahaman yang lebih jelas tentang apa itu graphene, disarankan untuk membiasakan diri dengan karakteristik unik seperti:

Rekam konduktivitas termal yang tinggi;
Kekuatan mekanik dan fleksibilitas material yang tinggi, ratusan kali lebih tinggi dari indikator yang sama untuk produk baja;
Konduktivitas listrik yang tak tertandingi;
Titik leleh tinggi (lebih dari 3 ribu derajat);
Impenetrabilitas dan transparansi.

Struktur graphene yang tidak biasa dibuktikan oleh fakta sederhana ini: ketika menggabungkan 3 juta lembar blanko graphene, ketebalan total produk jadi tidak lebih dari 1 mm.

Untuk memahami sifat unik dari bahan yang tidak biasa ini, cukup diperhatikan bahwa asal usulnya mirip dengan grafit berlapis biasa yang digunakan dalam timah pensil. Namun, karena susunan khusus atom dalam kisi heksagonal, strukturnya memperoleh karakteristik yang melekat pada bahan keras seperti berlian.

Ketika graphene diisolasi dari grafit, sifat-sifatnya yang paling “ajaib”, karakteristik material 2D modern, diamati pada ketebalan atom film yang dihasilkan. Saat ini sulit untuk menemukan bidang perekonomian nasional di mana senyawa unik ini digunakan dan dianggap tidak menjanjikan. Hal ini terutama terlihat di bidang pengembangan ilmu pengetahuan yang bertujuan untuk mengembangkan teknologi baru.

Metode memperoleh

Penemuan bahan ini dimulai pada tahun 2004, setelah itu para ilmuwan menguasai berbagai metode produksinya, yang disajikan di bawah ini:

Pendinginan kimia dilakukan dengan metode transformasi fasa (disebut proses CVD);
Apa yang disebut “pertumbuhan epitaksi”, dilakukan dalam kondisi vakum;
Metode “pengelupasan mekanis”.

Mari kita lihat masing-masing secara lebih rinci.

Mekanis

Mari kita mulai dengan metode terakhir, yang dianggap paling mudah diakses untuk eksekusi independen. Untuk mendapatkan graphene di rumah, perlu melakukan serangkaian operasi berikut secara berurutan:

Pertama, Anda perlu menyiapkan pelat grafit tipis, yang kemudian ditempelkan pada sisi perekat dengan pita khusus;
Setelah itu, ia terlipat menjadi dua dan kemudian kembali ke keadaan semula (ujungnya menjauh);
Sebagai hasil dari manipulasi tersebut, dimungkinkan untuk mendapatkan lapisan ganda grafit pada sisi perekat pita;
Jika Anda melakukan operasi ini beberapa kali, tidak akan sulit untuk mencapai ketebalan kecil dari lapisan material yang diterapkan;
Setelah itu, pita perekat dengan film terbelah dan sangat tipis diaplikasikan pada substrat silikon oksida;
Akibatnya, sebagian film tetap berada di substrat, membentuk lapisan graphene.

Kerugian dari metode ini adalah sulitnya mendapatkan film yang cukup tipis dengan ukuran dan bentuk tertentu yang dapat dipasang dengan aman pada bagian substrat yang ditentukan.

Saat ini, sebagian besar graphene yang digunakan dalam praktik sehari-hari diproduksi dengan cara ini. Karena pengelupasan kulit secara mekanis, dimungkinkan untuk memperoleh senyawa dengan kualitas yang cukup tinggi, tetapi untuk kondisi produksi massal metode ini sama sekali tidak cocok.

Metode industri

Salah satu metode industri untuk memproduksi graphene adalah menumbuhkannya dalam ruang hampa, ciri-cirinya dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Untuk membuatnya, diambil lapisan permukaan silikon karbida, yang selalu ada pada permukaan bahan ini;
Kemudian wafer silikon yang telah disiapkan sebelumnya dipanaskan hingga suhu yang relatif tinggi (sekitar 1000 K);
Karena reaksi kimia yang terjadi, pemisahan atom silikon dan karbon diamati, di mana atom pertama segera menguap;
Sebagai hasil dari reaksi ini, graphene murni (G) tetap berada di pelat.

Kerugian dari metode ini antara lain perlunya pemanasan bersuhu tinggi, yang seringkali menimbulkan kesulitan teknis.

Metode industri yang paling dapat diandalkan untuk menghindari kesulitan yang dijelaskan di atas adalah apa yang disebut “proses CVD”. Dalam penerapannya, reaksi kimia terjadi pada permukaan katalis logam bila digabungkan dengan gas hidrokarbon.

Sebagai hasil dari semua pendekatan yang dibahas di atas, senyawa alotropik murni karbon dua dimensi dapat diperoleh dalam bentuk lapisan yang tebalnya hanya satu atom. Ciri dari formasi ini adalah penggabungan atom-atom ini menjadi kisi heksagonal karena pembentukan apa yang disebut ikatan “σ” dan “π”.

Pembawa muatan listrik dalam kisi graphene dicirikan oleh tingkat mobilitas yang tinggi, secara signifikan melebihi bahan semikonduktor lain yang dikenal. Karena alasan inilah ia mampu menggantikan silikon klasik, yang secara tradisional digunakan dalam produksi sirkuit terpadu.

Kemungkinan penerapan praktis bahan berbasis graphene berhubungan langsung dengan kekhasan produksinya. Saat ini, banyak metode yang dipraktikkan untuk memperoleh masing-masing fragmennya, yang berbeda dalam bentuk, kualitas dan ukuran.

Di antara semua metode yang diketahui, pendekatan berikut ini menonjol:

Produksi berbagai graphene oksida dalam bentuk serpihan, digunakan dalam produksi cat penghantar listrik, serta berbagai jenis material komposit;
Memperoleh graphene G datar, dari mana komponen perangkat elektronik dibuat;
Menumbuhkan jenis bahan yang sama digunakan sebagai komponen tidak aktif.

Sifat utama senyawa ini dan fungsinya ditentukan oleh kualitas substrat, serta karakteristik bahan yang digunakan untuk menanamnya. Semua ini pada akhirnya tergantung pada metode produksi yang digunakan.

Tergantung pada cara memperoleh bahan unik ini, dapat digunakan untuk berbagai tujuan, yaitu:

Graphene yang diperoleh dengan pengelupasan mekanis terutama ditujukan untuk penelitian, yang dijelaskan oleh rendahnya mobilitas pembawa muatan bebas;
Ketika graphene diproduksi melalui reaksi kimia (termal), graphene paling sering digunakan untuk membuat material komposit, serta lapisan pelindung, tinta, dan pewarna. Mobilitas pembawa bebasnya agak lebih tinggi, yang memungkinkannya digunakan untuk pembuatan kapasitor dan isolator film;
Jika metode CVD digunakan untuk memperoleh senyawa ini, maka dapat digunakan dalam nanoelektronik, serta untuk pembuatan sensor dan film fleksibel transparan;
Grafena yang diperoleh dengan metode “wafer silikon” digunakan untuk pembuatan elemen perangkat elektronik seperti transistor RF dan komponen serupa. Mobilitas pembawa muatan bebas dalam senyawa tersebut maksimal.

Fitur-fitur graphene yang terdaftar membuka cakrawala luas bagi produsen dan memungkinkan mereka memusatkan upaya pada penerapannya di bidang-bidang yang menjanjikan berikut:

Di bidang alternatif elektronik modern terkait dengan penggantian komponen silikon;
Di industri kimia terkemuka;
Saat merancang produk unik (seperti material komposit dan membran graphene);
Dalam teknik elektro dan elektronik (sebagai konduktor “ideal”).

Selain itu, katoda dingin, baterai isi ulang, serta elektroda konduktif khusus dan pelapis film transparan dapat diproduksi berdasarkan senyawa ini. Sifat unik dari bahan nano ini memberikan berbagai kemungkinan untuk digunakan dalam pengembangan yang menjanjikan.

Keuntungan dan kerugian

Keunggulan produk berbahan dasar graphene:

Konduktivitas listrik tingkat tinggi, sebanding dengan tembaga biasa;
Kemurnian optik hampir sempurna, sehingga menyerap tidak lebih dari dua persen rentang cahaya tampak. Oleh karena itu, dari luar tampak hampir tidak berwarna dan tidak terlihat oleh pengamat;
Kekuatan mekanik lebih unggul dari berlian;
Fleksibilitas, dalam hal graphene satu lapis lebih unggul daripada karet elastis. Kualitas ini memungkinkan Anda dengan mudah mengubah bentuk film dan meregangkannya jika perlu;
Ketahanan terhadap pengaruh mekanis eksternal;
Konduktivitas termal yang tak tertandingi, yang sepuluh kali lebih tinggi dari tembaga.

Kerugian dari senyawa karbon unik ini antara lain:

Ketidakmungkinan memperoleh volume yang cukup untuk produksi industri, serta mencapai sifat fisik dan kimia yang diperlukan untuk menjamin kualitas tinggi. Dalam praktiknya, hanya mungkin untuk memperoleh pecahan lembaran graphene berukuran kecil;
Produk yang diproduksi secara industri seringkali memiliki karakteristik yang lebih rendah dibandingkan sampel yang diperoleh di laboratorium penelitian. Hal ini tidak mungkin dicapai dengan menggunakan teknologi industri biasa;
Biaya non-tenaga kerja yang tinggi, yang secara signifikan membatasi kemungkinan produksi dan penerapan praktisnya.

Terlepas dari semua kesulitan ini, para peneliti tidak meninggalkan upaya mereka untuk mengembangkan teknologi baru untuk produksi graphene.

Sebagai kesimpulan, harus dikatakan bahwa prospek bahan ini sangat luar biasa, karena bahan ini juga dapat digunakan dalam produksi gadget modern yang sangat tipis dan fleksibel. Selain itu, dimungkinkan untuk menciptakan peralatan medis modern dan obat-obatan yang dapat melawan kanker dan penyakit tumor umum lainnya.