Bërja e grafenit në shtëpi. Grafeni dhe aplikimet e tij

Fijet grafeni nën një mikroskop elektronik skanues. Grafeni i pastër reduktohet nga oksidi i grafenit (GO) në një furrë me mikrovalë. Shkallë 40 µm (majtas) dhe 10 µm (djathtas). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Universiteti Rutgers

Grafeni është një modifikim 2D i karbonit, i formuar nga një shtresë e trashë me një atom karboni. Materiali ka forcë të lartë, përçueshmëri të lartë termike dhe veti fizike dhe kimike unike. Ai shfaq lëvizshmërinë më të lartë të elektroneve nga çdo material i njohur në Tokë. Kjo e bën grafenin një material pothuajse ideal për një shumëllojshmëri të gjerë aplikimesh, duke përfshirë elektronikën, katalizatorët, bateritë, materialet e përbëra, etj. Gjithçka që mbetet për të bërë është të mësoni se si të prodhoni shtresa grafeni me cilësi të lartë në një shkallë industriale.

Kimistët nga Universiteti Rutgers (SHBA) kanë gjetur një metodë të thjeshtë dhe të shpejtë për prodhimin e grafenit me cilësi të lartë duke trajtuar oksidin e grafenit në një furrë me mikrovalë konvencionale. Metoda është çuditërisht primitive dhe efektive.

Oksidi i grafitit është një përbërës i karbonit, hidrogjenit dhe oksigjenit në përmasa të ndryshme, i cili formohet kur grafiti trajtohet me agjentë të fortë oksidues. Për të hequr qafe oksigjenin e mbetur në oksid grafiti dhe më pas për të marrë grafen të pastër në fletë dydimensionale kërkon përpjekje të konsiderueshme.

Oksidi i grafitit përzihet me alkalet e forta dhe materiali zvogëlohet më tej. Rezultati është fletë monomolekulare me mbetje oksigjeni. Këto fletë zakonisht quhen oksid grafeni (GO). Kimistët kanë provuar mënyra të ndryshme për të hequr oksigjenin e tepërt nga GO ( , , , ), por GO (rGO) i reduktuar nga këto metoda mbetet një material shumë i çrregullt që është larg nga vetitë e grafenit të pastër të vërtetë të përftuar nga depozitimi i avullit kimik (CVD).

Edhe në formën e tij të çrregullt, rGO ka potencialin të jetë i dobishëm për transportuesit e energjisë ( , , , , ) dhe katalizatorët ( , , , , ), por për të nxjerrë përfitimin maksimal nga vetitë unike të grafenit në elektronikë, duhet të mësoni të prodhoni të pastër dhe të lartë. -grafen cilësor nga GO.

Kimistët në Universitetin Rutgers propozojnë një mënyrë të thjeshtë dhe të shpejtë për të reduktuar GO në grafen të pastër duke përdorur 1-2 sekondë impulse të rrezatimit të mikrovalës. Siç mund të shihet në grafikët, grafeni i marrë nga "reduktimi me mikrovalë" (MW-rGO) është shumë më afër në vetitë e tij me grafenin më të pastër të marrë duke përdorur CVD.

Karakteristikat fizike të MW-rGO krahasuar me oksidin e pastër të grafenit GO, oksidin e reduktuar të grafenit rGO dhe grafinin e depozitimit kimik të avullit (CVD). Tregohen thekon tipike GO të depozituara në një substrat silikoni (A); Spektroskopia fotoelektronike me rreze X (B); Spektroskopia Raman dhe raporti i madhësisë së kristalit (L a) me l 2D / l raporti maksimal G në spektrin Raman për MW-rGO, GO dhe CVD (CVD).

Vetitë elektronike dhe elektrokatalitike të MW-rGO krahasuar me rGO. Ilustrimet: Universiteti Rutgers

Procesi teknologjik për marrjen e MW-rGO përbëhet nga disa faza.

Oksidimi i grafitit duke përdorur metodën e modifikuar Hummers dhe shpërbërja e tij në thekon oksid grafeni me një shtresë në ujë.
Pjekja GO për ta bërë materialin më të ndjeshëm ndaj rrezatimit të mikrovalës.
Rrezatoni thekonet GO në një furrë konvencionale me mikrovalë 1000 W për 1-2 sekonda. Gjatë kësaj procedure, GO nxehet shpejt në një temperaturë të lartë, ndodh desorbimi i grupeve të oksigjenit dhe strukturimi i shkëlqyer i rrjetës së karbonit.

Fotografia me mikroskop elektronik transmetues tregon se pas trajtimit me një emetues mikrovalë, formohet një strukturë shumë e rregulluar në të cilën grupet funksionale të oksigjenit janë shkatërruar pothuajse plotësisht.

Imazhet e mikroskopit elektronik të transmetimit tregojnë strukturën e fletëve të grafenit me një shkallë prej 1 nm. Në të majtë është rGO me një shtresë, e cila ka shumë defekte, duke përfshirë grupet funksionale të oksigjenit (shigjeta blu) dhe vrimat në shtresën e karbonit (shigjeta e kuqe). Në qendër dhe në të djathtë janë të strukturuar në mënyrë perfekte MW-rGO me dy dhe tre shtresa. Foto: Universiteti Rutgers

Vetitë e shkëlqyera strukturore të MW-rGO kur përdoren në transistorët me efekt në terren lejojnë që lëvizshmëria maksimale e elektroneve të rritet në afërsisht 1500 cm 2/V s, e cila është e krahasueshme me performancën e jashtëzakonshme të transistorëve modernë me lëvizshmëri të lartë të elektroneve.

Përveç elektronikës, MW-rGO është i dobishëm në prodhimin e katalizatorëve: ai ka treguar një koeficient jashtëzakonisht të ulët Tafel kur përdoret si katalizator në reaksionin e evolucionit të oksigjenit: afërsisht 38 mV për dekadë. Katalizatori MW-rGO gjithashtu mbeti i qëndrueshëm në reaksionin e evolucionit të hidrogjenit, i cili zgjati për më shumë se 100 orë.

E gjithë kjo sugjeron një potencial të shkëlqyer për përdorimin e grafenit të reduktuar në mikrovalë në industri.

Artikull kërkimor "Grafen me cilësi të lartë nëpërmjet reduktimit me mikrovalë të oksidit të grafenit të eksfoluar me tretësirë" botuar më 1 shtator 2016 në revistë Shkenca(doi: 10.1126/science.aah3398).

Teknologji e lartë në shtëpi. Fituesi i çmimit Nobel, Konstantin Novoselov tregoi se si mund ta bëni vetë grafenin nga materialet e mbeturinave. Ka krijuar një ndjesi të vërtetë në botën e shkencës dhe në të ardhmen mund të përdoret në të gjitha fushat - nga gatimi deri tek fluturimet në hapësirë.

Të ndërtosh një skenë për një laureat Nobel, natyrisht, nuk është shpikje e grafenit. Ekrani për shfaqjen e rrëshqitjeve të fotografive dhe videove u montua në vetëm pak minuta. Korniza, fiksimet dhe ja ku është, magjia e minimalizmit. Konstantin Novoselov solli me vete pajisjet për tregimin për zbulimin më të profilit shkencor të kohëve të fundit në një çantë shpine të zakonshme.

Brenda kishte një laptop. Fituesi i çmimit Nobel në fizikë është mësuar me dritën e udhëtimit. Pyetja e parë nga audienca - dhe menjëherë një përgjigje që ngacmon imagjinatën. Rezulton se pothuajse çdokush mund të marrë material që parashikohet të ketë një të ardhme të shkëlqyer.

"Gjithçka që ju nevojitet është të blini grafit të mirë. Në parim, ju mund të përdorni lapsa, por është më mirë të blini grafit të mirë. Do të shpenzoni 100 dollarë për këtë. Do të duhet të shpenzoni 20 dollarë për vafera silikoni, 1 dollarë për kasetë. Kjo është 121 dollarë dollarë, ju premtoj se do të mësoni se si të bëni grafen të mahnitshëm, "tha shkencëtari.

Nuk është rastësi që bota e shkencës tha menjëherë për këtë zbulim: çdo gjë e zgjuar është e thjeshtë. Materiali i bazuar në grafit mund të revolucionarizojë elektronikën. Ne jemi mësuar tashmë me faktin se pajisjet moderne janë një telefon celular, një kompjuter dhe një aparat fotografik në një pajisje. Me grafen, këto pajisje do të bëhen shumë më të holla, dhe gjithashtu transparente dhe fleksibël. Falë vetive unike të materies, një pajisje e tillë nuk është e rrezikshme të bjerë.

"Ka veti elektronike shumë interesante. Mund të përdoret për transistorë. Dhe në veçanti, shumë kompani po përpiqen të bëjnë transistorë me shpejtësi të lartë nga ky material për t'u përdorur, për shembull, në komunikimet celulare," shpjegoi laureati i Nobelit.

Në të ardhmen, sipas ekspertëve, ky material do të jetë në gjendje të zëvendësojë plotësisht silikonin e vjetëruar gradualisht në të gjitha pajisjet elektronike. Deri tani kjo teknikë duket si një mrekulli. Megjithatë, kohët e fundit, e njëjta surprizë u shkaktua, për shembull, nga TV LCD ose interneti. Nga rruga, Rrjeti Kompjuterik në mbarë botën duke përdorur grafen do të bëhet dhjetëra herë më i shpejtë. Në biologji, së bashku me materialin e ri, do të shfaqen teknologji progresive për deshifrimin e strukturës kimike të ADN-së. Përdorimi i grafenit ultra të lehtë dhe me forcë të lartë do të gjejë aplikim në aviacion dhe në ndërtimin e anijeve kozmike.

"Materiali që është më i hollë, më i fortë, më përçues. Më i padepërtueshëm, më elastik. Në përgjithësi, më i miri, ky do të jetë grafeni", theksoi Novoselov.

Çmimi Nobel në Fizikë u dha për eksperimente të avancuara me grafen në vitin 2010. Kjo është hera e parë që një material që është bërë produkt i kërkimit shkencor kalon kaq shpejt nga laboratorët akademikë në prodhimin industrial. Në Rusi, interesi për zhvillimet e Konstantin Novoselov është i jashtëzakonshëm. Vendi i festivalit Bookmarket dhe Gorky Park është i hapur për të gjithë. Dhe moti i freskët dhe shiu nuk janë pengesë për shkencën e vërtetë.

Grafeni po bëhet gjithnjë e më tërheqës për studiuesit. Nëse në vitin 2007 u botuan 797 artikuj kushtuar grafenit, atëherë në 8 muajt e parë të 2008 kishte tashmë 801 botime. Cilat janë kërkimet dhe zbulimet më të rëndësishme të fundit në fushën e strukturave dhe teknologjive të grafenit?

Sot, grafeni (Fig. 1) është materiali më i hollë i njohur për njerëzimin, me trashësi vetëm një atom karboni. Ai hyri në tekstet shkollore të fizikës dhe realitetin tonë në 2004, kur studiuesit nga Universiteti i Mançesterit Andre Geim dhe Konstantin Novoselov arritën ta merrnin atë duke përdorur shirit të zakonshëm për të ndarë në mënyrë sekuenciale shtresat nga grafiti i zakonshëm kristalor, i njohur për ne në formën e një plumbi lapsi (shih . Aplikacion). Është e jashtëzakonshme që një fletë grafeni e vendosur në një substrat silikoni të oksiduar mund të shihet me një mikroskop të mirë optik. Dhe kjo është me një trashësi prej vetëm disa angstromash (1Å = 10–10 m)!

Popullariteti i grafenit midis studiuesve dhe inxhinierëve po rritet dita-ditës pasi ka veti të jashtëzakonshme optike, elektrike, mekanike dhe termike. Shumë ekspertë parashikojnë në të ardhmen e afërt zëvendësimin e mundshëm të tranzistorëve të silikonit me tranzistorë grafeni më ekonomikë dhe me veprim të shpejtë (Fig. 2).

Megjithëse qërimi mekanik me shirit ngjitës mund të prodhojë shtresa grafeni me cilësi të lartë për kërkime themelore, dhe metoda epitaksiale e rritjes së grafenit mund të sigurojë rrugën më të shkurtër për çipat elektronikë, kimistët po përpiqen të marrin grafen nga tretësira. Përveç kostos së saj të ulët dhe xhiros së lartë, kjo metodë hap rrugën për shumë teknika kimike të përdorura gjerësisht që mund të futin shtresat e grafenit në nanostruktura të ndryshme ose t'i integrojnë ato me materiale të ndryshme për të krijuar nanokompozite. Megjithatë, gjatë prodhimit të grafenit me metoda kimike, ka disa vështirësi që duhen kapërcyer: së pari, është e nevojshme të arrihet ndarja e plotë e grafitit të vendosur në tretësirë; së dyti, sigurohuni që grafeni i eksfoluar në tretësirë të ruajë formën e tij të fletës dhe të mos përkulet ose ngjitet së bashku.

Së fundmi në një revistë prestigjioze Natyra U botuan dy artikuj nga grupe shkencore që punojnë në mënyrë të pavarur, në të cilat autorët arritën të kapërcejnë vështirësitë e lartpërmendura dhe të marrin fletë grafeni të cilësisë së mirë të pezulluara në tretësirë.

Grupi i parë i shkencëtarëve - nga Universiteti Stanford (Kaliforni, SHBA) dhe (Kinë) - prezantoi acidet sulfurik dhe nitrik midis shtresave të grafitit (procesi i ndërthurjes; shih Përbërja e ndërthurjes së grafitit), dhe më pas e ngrohën me shpejtësi kampionin në 1000°C (Fig. 3a). Avullimi shpërthyes i molekulave ndërkalante prodhon “thekon” grafiti të hollë (disa nanometra të trasha) që përmbajnë shumë shtresa grafeni. Pas kësaj, dy substanca, oleumi dhe hidroksidi i tetrabutilamoniumit (HTBA), u futën kimikisht në hapësirën midis shtresave të grafenit (Fig. 3b). Zgjidhja e sonikuar përmbante fletë grafit dhe grafen (Figura 3c). Pas kësaj, grafeni u nda me centrifugim (Fig. 3d).

Në të njëjtën kohë, një grup i dytë shkencëtarësh - nga Dublini, Oksfordi dhe Kembrixhi - propozuan një metodë të ndryshme për prodhimin e grafenit nga grafiti me shumë shtresa - pa përdorimin e interkalantëve. Gjëja kryesore, sipas autorëve të artikullit, është përdorimi i tretësve organikë "korrektë", siç është N-metil-pirrolidoni. Për të marrë grafen me cilësi të lartë, është e rëndësishme të zgjidhni tretës të tillë që energjia e ndërveprimit sipërfaqësor midis tretësit dhe grafenit të jetë e njëjtë si për sistemin grafen-grafen. Në Fig. Figura 4 tregon rezultatet e prodhimit hap pas hapi të grafenit.

Suksesi i të dy eksperimenteve bazohet në gjetjen e interkalantëve dhe/ose tretësve të duhur. Sigurisht, ka teknika të tjera për prodhimin e grafenit, të tilla si shndërrimi i grafitit në oksid grafiti. Ata përdorin një qasje të quajtur oksidim-eksfolim-reduktim, në të cilën rrafshet bazale të grafitit janë të veshura me grupe funksionale të oksigjenit të lidhur në mënyrë kovalente. Ky grafit i oksiduar bëhet hidrofil (ose thjesht i dashur për lagështinë) dhe mund të delaminohet lehtësisht në fletë individuale grafeni nën ndikimin e ultrazërit ndërsa është në një tretësirë ujore. Grafeni që rezulton ka veti të jashtëzakonshme mekanike dhe optike, por përçueshmëria e tij elektrike është disa herë më e ulët se ajo e grafenit të marrë duke përdorur metodën "Scotch tape" (shih Shtojcën). Prandaj, grafeni i tillë nuk ka gjasa të gjejë aplikim në elektronikë.

Siç doli, grafeni, i cili u përftua si rezultat i dy metodave të sipërpërmendura, është i cilësisë më të lartë (përmban më pak defekte në rrjetë) dhe, si rezultat, ka përçueshmëri më të lartë.

Një arritje tjetër nga studiuesit nga Kalifornia erdhi shumë e dobishme, të cilët së fundi raportuan mikroskopin elektronik me rezolucion të lartë (deri në rezolucion 1Å) me energji të ulët elektrone (80 kV) për vëzhgimin e drejtpërdrejtë të atomeve individuale dhe defekteve në rrjetën kristalore të grafenit. Për herë të parë në botë, shkencëtarët arritën të merrnin imazhe me definicion të lartë të strukturës atomike të grafenit (Fig. 5), në të cilat mund të shihni me sytë tuaj strukturën e rrjetit të grafenit.

Studiuesit nga Universiteti Cornell kanë shkuar edhe më tej. Nga një fletë grafeni, ata ishin në gjendje të krijonin një membranë të trashë vetëm një atom karboni dhe ta frynin atë si një tullumbace. Kjo membranë doli të ishte mjaft e fortë për të përballuar presionin e gazit të disa atmosferave. Eksperimenti përbëhej nga sa vijon. Fletët e grafenit u vendosën në një substrat silikoni të oksiduar me qeliza të prera paraprakisht, të cilat, për shkak të forcave të van der Waals-it, u ngjitën fort në sipërfaqen e silikonit (Fig. 6a). Në këtë mënyrë, u formuan mikrodhoma në të cilat mund të përmbahej gazi. Pas kësaj, shkencëtarët krijuan një ndryshim presioni brenda dhe jashtë dhomës (Fig. 6b). Duke përdorur një mikroskop të forcës atomike, i cili mat sasinë e forcës së devijimit që ndjen një konsol maje kur skanon një membranë vetëm disa nanometra mbi sipërfaqen e saj, studiuesit ishin në gjendje të vëzhgonin shkallën e konkavitetit-konveksitetit të membranës (Figura 6c–e ) pasi presioni varionte deri në disa atmosfera.

Pas kësaj, membrana u përdor si një daulle miniaturë për të matur frekuencën e dridhjeve të saj kur ndryshon presioni. U zbulua se heliumi mbetet në mikrodhomë edhe në presion të lartë. Megjithatë, duke qenë se grafeni i përdorur në eksperiment nuk ishte ideal (ai kishte defekte në strukturën kristalore), gazi gradualisht rrjedh nëpër membranë. Gjatë gjithë eksperimentit, i cili zgjati më shumë se 70 orë, u vu re një rënie e qëndrueshme e tensionit të membranës (Fig. 6e).

Autorët e studimit tregojnë se membranat e tilla mund të kenë një shumëllojshmëri të gjerë aplikimesh - për shembull, të përdorura për të studiuar materialet biologjike të vendosura në tretësirë. Për ta bërë këtë, do të mjaftojë që një material i tillë të mbulohet me grafen dhe të studiohet përmes një membrane transparente me mikroskop, pa frikë nga rrjedhja ose avullimi i tretësirës që mbështet jetën e organizmit. Është gjithashtu e mundur të bëhen shpime me madhësi atomike në membranë dhe më pas të vëzhgohen, nëpërmjet studimeve të difuzionit, se si atome ose jone individuale kalojnë përmes vrimës. Por më e rëndësishmja, hulumtimi i shkencëtarëve nga Universiteti Cornell e ka sjellë shkencën një hap më afër krijimit të sensorëve monoatomikë.

Rritja e shpejtë e numrit të studimeve mbi grafenin tregon se ky është me të vërtetë një material shumë premtues për një gamë të gjerë aplikimesh, por përpara se ato të vihen në praktikë, duhet të ndërtohen ende shumë teori dhe duhen kryer dhjetëra eksperimente.

Membrana atomike të padepërtueshme nga fletët e grafenit (teksti i plotë i disponueshëm) // NanoShkronja. V. 8. Nr. 8, fq. 2458–2462 (2008).

Aleksandër Samardak

Grafeni është materiali më i fortë në Tokë. 300 herë më i fortë se çeliku. Një fletë grafeni me një sipërfaqe prej një metër katror dhe një trashësi prej vetëm një atomi është në gjendje të mbajë një objekt që peshon 4 kilogramë. Grafeni, si një pecetë, mund të përkulet, të rrotullohet dhe të shtrihet. Peceta letre griset në duart tuaja. Kjo nuk do të ndodhë me grafenin.

Forma të tjera të karbonit: grafeni, i përforcuar – grafeni i përforcuar , karabinë, diamant, fullerene, nanotuba karboni, "mustaqe".

Përshkrimi i grafenit:

Grafeni është një formë alotropike dydimensionale e karbonit në të cilën atomet e vendosur në një rrjetë kristalore gjashtëkëndore formojnë një shtresë të trashë një atom. Atomet e karbonit në grafen janë të lidhur me njëri-tjetrin me lidhje sp 2. Grafeni është fjalë për fjalë materie Tekstil.

Karboni ka shumë alotrope. Disa prej tyre, p.sh. diamanti dhe grafiti, janë njohur për një kohë të gjatë, ndërsa të tjerët u zbuluan relativisht kohët e fundit (10-15 vjet më parë) - fullerenet Dhe nanotuba karboni. Duhet të theksohet se grafiti, i njohur për shumë dekada, është një pirg fletësh grafeni, d.m.th. përmban disa plane grafeni.

Në bazë të grafenit janë marrë substanca të reja: oksidi i grafenit, hidridi i grafenit (i quajtur grafan) dhe fluorografeni (produkt i reagimit të grafenit me fluorin).

Grafeni ka veti unike që e lejojnë atë të përdoret në fusha të ndryshme.

Karakteristikat dhe avantazhet e grafenit:

– grafeni është materiali më i fortë në Tokë. 300 herë më i fortë bëhet. Një fletë grafeni me një sipërfaqe prej një metër katror dhe një trashësi prej vetëm një atomi është në gjendje të mbajë një objekt që peshon 4 kilogramë. Grafeni, si një pecetë, mund të përkulet, të rrotullohet dhe të shtrihet. Peceta letre griset në duart tuaja. Kjo nuk do të ndodhë me grafenin.

– Falë strukturës dydimensionale të grafenit, ai është një material shumë fleksibël, i cili do ta lejojë atë të përdoret, për shembull, për thurjen e fijeve dhe strukturave të tjera të litarit. Në këtë rast, një "litar" i hollë grafeni do të jetë i ngjashëm në forcë me një litar çeliku të trashë dhe të rëndë,

– në kushte të caktuara, grafeni aktivizon një aftësi tjetër që e lejon atë të “shërojë” “vrima” në strukturën e tij kristalore në rast dëmtimi,

– grafeni ka përçueshmëri më të lartë elektrike. Grafeni praktikisht nuk ka rezistencë. Grafeni ka lëvizshmëri 70 herë më të lartë të elektroneve sesa silikon. Shpejtësia e elektroneve në grafen është 10,000 km/s, megjithëse në një përcjellës të rregullt shpejtësia e elektroneve është rreth 100 m/s.

– ka kapacitet të lartë elektrik. Intensiteti specifik i energjisë i grafenit i afrohet 65 kWh/kg. Kjo shifër është 47 herë më e lartë se ajo e baterive litium-jon të përhapura aktualisht. bateritë,

– ka përçueshmëri të lartë termike. Është 10 herë më i përçueshëm termikisht bakri,

– karakterizohet nga transparencë e plotë optike. Thith vetëm 2.3% të dritës,

– filmi i grafenit lejon kalimin e molekulave të ujit dhe në të njëjtën kohë ruan të gjitha të tjerat, gjë që e lejon atë të përdoret si filtër uji,

- materiali më i lehtë. 6 herë më e lehtë se një pendë

– inertiteti ndaj mjedisit,

– thith mbetjet radioaktive,

– falë lëvizjes Browniane (dridhjeve termike) të atomeve të karbonit në një fletë grafeni, kjo e fundit është në gjendje të "prodhojë" energji elektrike,

– është baza për montimin e materialeve të ndryshme jo vetëm të pavarura dy-dimensionale, por edhe heterostrukturave dy-dimensionale shumështresore.

Vetitë fizike të grafenit*:

*në temperaturën e dhomës.

Marrja e grafenit:

Mënyrat kryesore për të marrë grafen janë:

– eksfolimi mikromekanik i shtresave të grafitit (metoda Novoselov - metoda e shiritit skocez). Një mostër grafiti u vendos midis shiritave të shiritit dhe shtresat u qëruan në mënyrë të njëpasnjëshme derisa mbeti shtresa e fundit e hollë, e përbërë nga grafeni.

– dispersion grafit në mjedise ujore,

– eksfolim mekanik;

– rritja epitaksiale në vakum;

– Ftohja e fazës kimike të avullit (procesi CVD),

– metoda e “djersitjes” së karbonit nga tretësirat në metale ose gjatë zbërthimit të karbiteve.

Marrja e grafenit në shtëpi:

Duhet të merrni një blender kuzhine me fuqi të paktën 400 W. Hidhni 500 ml ujë në tasin e blenderit, duke i shtuar lëngut 10-25 ml çdo detergjent dhe 20-50 gram plumb lapsi të grimcuar. Më pas, blenderi duhet të funksionojë për 10 minuta deri në gjysmë ore derisa të shfaqet një pezullim i thekoneve të grafenit. Materiali që rezulton do të ketë përçueshmëri të lartë, gjë që do ta lejojë atë të përdoret në elektroda fotocelulare. Gjithashtu, grafeni i prodhuar në shtëpi mund të përmirësojë vetitë e plastikës.

Grafeni i përket një klase të përbërjeve unike të karbonit që kanë veti të jashtëzakonshme kimike dhe fizike, të tilla si përçueshmëri e shkëlqyer elektrike, e cila kombinohet me butësi dhe forcë të mahnitshme.

Pritet që me kalimin e kohës ai të jetë në gjendje të zëvendësojë silikonin, i cili është baza e prodhimit modern të gjysmëpërçuesve. Aktualisht, ky kompleks ka siguruar në mënyrë të vendosur statusin e "materialit të së ardhmes".

Karakteristikat e materialit

Grafeni, që gjendet më shpesh nën përcaktimin "G", është një formë dydimensionale e karbonit që ka një strukturë të pazakontë në formën e atomeve të lidhur në një rrjetë gjashtëkëndore. Për më tepër, trashësia e saj totale nuk e kalon madhësinë e secilit prej tyre.

Për një kuptim më të qartë të asaj që është grafeni, këshillohet që të njiheni me karakteristika të tilla unike si:

Regjistroni përçueshmëri të lartë termike;
Fortësi e lartë mekanike dhe fleksibilitet i materialit, qindra herë më i lartë se i njëjti tregues për produktet e çelikut;
Përçueshmëri elektrike e pakrahasueshme;
Pika e lartë e shkrirjes (më shumë se 3 mijë gradë);
Padepërtueshmëri dhe transparencë.

Struktura e pazakontë e grafenit dëshmohet nga ky fakt i thjeshtë: kur kombinohen 3 milion fletë boshllëqesh grafeni, trashësia totale e produktit të përfunduar nuk do të jetë më shumë se 1 mm.

Për të kuptuar vetitë unike të këtij materiali të pazakontë, mjafton të theksohet se në origjinën e tij është i ngjashëm me grafitin e zakonshëm me shtresa të përdorur në plumbin e lapsit. Sidoqoftë, për shkak të rregullimit të veçantë të atomeve në rrjetën gjashtëkëndore, struktura e saj fiton karakteristikat e natyrshme në një material kaq të fortë si diamanti.

Kur grafeni izolohet nga grafiti, vetitë e tij më "mrekullitare", karakteristike për materialet moderne 2D, vërehen në trashësinë e atomit të filmit që rezulton. Sot është e vështirë të gjesh një zonë të ekonomisë kombëtare ku përdoret ky kompleks unik dhe ku nuk konsiderohet premtues. Kjo është veçanërisht e dukshme në fushën e zhvillimit shkencor, i cili synon zhvillimin e teknologjive të reja.

Metodat e marrjes

Zbulimi i këtij materiali mund të datohet në vitin 2004, pas së cilës shkencëtarët zotëruan metoda të ndryshme për prodhimin e tij, të cilat janë paraqitur më poshtë:

Ftohja kimike e zbatuar me metodën e transformimit fazor (quhet procesi CVD);
E ashtuquajtura "rritje epitaksiale", e kryer në kushte vakum;
Metoda e “Eksfolimit mekanik”.

Le të shohim secilën prej tyre në më shumë detaje.

Mekanike

Le të fillojmë me të fundit nga këto metoda, e cila konsiderohet më e arritshme për zbatim të pavarur. Për të marrë grafen në shtëpi, është e nevojshme të kryhen në mënyrë sekuenciale seritë e mëposhtme të operacioneve:

Së pari ju duhet të përgatisni një pllakë të hollë grafiti, e cila më pas ngjitet në anën ngjitëse të një shiriti të veçantë;
Pas kësaj, paloset në gjysmë dhe më pas kthehet në gjendjen e tij origjinale (skajet e tij shpërndahen);
Si rezultat i manipulimeve të tilla, është e mundur të merret një shtresë e dyfishtë grafiti në anën ngjitëse të shiritit;
Nëse e kryeni këtë operacion disa herë, nuk do të jetë e vështirë të arrini një trashësi të vogël të shtresës së aplikuar të materialit;
Pas kësaj, shirit ngjitës me filma të ndarë dhe shumë të hollë aplikohet në nënshtresën e oksidit të silikonit;
Si rezultat, filmi pjesërisht mbetet në substrat, duke formuar një shtresë grafeni.

Disavantazhi i kësaj metode është vështirësia e marrjes së një filmi mjaft të hollë të një madhësie dhe forme të caktuar që do të fiksohej në mënyrë të besueshme në pjesët e caktuara të nënshtresës.

Aktualisht, shumica e grafenit të përdorur në praktikën e përditshme prodhohet në këtë mënyrë. Për shkak të eksfolimit mekanik, është e mundur të merret një përbërje mjaft e cilësisë së lartë, por për kushtet e prodhimit masiv kjo metodë është plotësisht e papërshtatshme.

Metodat industriale

Një nga metodat industriale për prodhimin e grafenit është rritja e tij në vakum, tiparet e të cilit mund të përfaqësohen si më poshtë:

Për ta bërë atë, merret një shtresë sipërfaqësore karabit silikoni, e cila është gjithmonë e pranishme në sipërfaqet e këtij materiali;
Pastaj vafera e silikonit e përgatitur paraprakisht nxehet në një temperaturë relativisht të lartë (rreth 1000 K);
Për shkak të reaksioneve kimike që ndodhin në këtë rast, vërehet ndarja e atomeve të silikonit dhe karbonit, në të cilat i pari prej tyre avullohet menjëherë;
Si rezultat i këtij reagimi, grafeni i pastër (G) mbetet në pjatë.

Disavantazhet e kësaj metode përfshijnë nevojën për ngrohje me temperaturë të lartë, e cila shpesh paraqet vështirësi teknike.

Metoda më e besueshme industriale që shmang vështirësitë e përshkruara më sipër është i ashtuquajturi "proces CVD". Kur zbatohet, një reaksion kimik ndodh në sipërfaqen e katalizatorit metalik kur ai kombinohet me gazrat hidrokarbure.

Si rezultat i të gjitha qasjeve të diskutuara më sipër, është e mundur të përftohen komponime alotropike të pastra të karbonit dydimensional në formën e një shtrese të trashë vetëm një atom. Një tipar i këtij formimi është lidhja e këtyre atomeve në një rrjetë gjashtëkëndore për shkak të formimit të të ashtuquajturave lidhje "σ" dhe "π".

Transportuesit e ngarkesës elektrike në rrjetën e grafenit karakterizohen nga një shkallë e lartë lëvizshmërie, duke e tejkaluar ndjeshëm këtë tregues për materialet e tjera gjysmëpërçuese të njohura. Është për këtë arsye që është në gjendje të zëvendësojë silikonin klasik, i përdorur tradicionalisht në prodhimin e qarqeve të integruara.

Mundësitë e aplikimit praktik të materialeve me bazë grafeni lidhen drejtpërdrejt me veçoritë e prodhimit të tij. Aktualisht, praktikohen shumë metoda për marrjen e fragmenteve individuale të tij, të ndryshme në formë, cilësi dhe madhësi.

Ndër të gjitha metodat e njohura, dallohen qasjet e mëposhtme:

Prodhimi i një shumëllojshmërie të oksidit të grafenit në formën e thekoneve, të përdorura në prodhimin e bojrave përçues elektrik, si dhe llojeve të ndryshme të materialeve të përbëra;
Marrja e grafenit të sheshtë G, nga i cili janë bërë komponentët e pajisjeve elektronike;
Rritja e të njëjtit lloj materiali që përdoret si komponentë joaktivë.

Vetitë kryesore të këtij përbërësi dhe funksionaliteti i tij përcaktohen nga cilësia e substratit, si dhe nga karakteristikat e materialit me të cilin është rritur. E gjithë kjo në fund të fundit varet nga metoda e prodhimit të saj të përdorur.

Në varësi të metodës së marrjes së këtij materiali unik, ai mund të përdoret për një sërë qëllimesh, përkatësisht:

Grafeni i përftuar me eksfolim mekanik është i destinuar kryesisht për kërkime, gjë që shpjegohet me lëvizshmërinë e ulët të transportuesve të ngarkesës falas;
Kur grafeni prodhohet nga një reaksion kimik (termik), ai përdoret më shpesh për të krijuar materiale të përbëra, si dhe veshje mbrojtëse, bojëra dhe ngjyra. Lëvizshmëria e tij e transportuesve të lirë është disi më e lartë, gjë që bën të mundur përdorimin e tij për prodhimin e kondensatorëve dhe izolatorëve të filmit;
Nëse përdoret metoda CVD për të marrë këtë përbërje, ajo mund të përdoret në nanoelektronikë, si dhe për prodhimin e sensorëve dhe filmave fleksibël transparentë;
Grafeni i marrë me metodën e "vaferave të silikonit" përdoret për prodhimin e elementeve të pajisjeve elektronike si transistorët RF dhe komponentë të ngjashëm. Lëvizshmëria e transportuesve të ngarkesës falas në komponime të tilla është maksimale.

Karakteristikat e listuara të grafenit hapin horizonte të gjera për prodhuesit dhe i lejojnë ata të përqendrojnë përpjekjet në zbatimin e tij në fushat e mëposhtme premtuese:

Në fushat alternative të elektronikës moderne që lidhen me zëvendësimin e përbërësve të silikonit;
Në industritë kryesore kimike;
Kur dizajnoni produkte unike (të tilla si materialet e përbëra dhe membranat grafeni);
Në inxhinieri elektrike dhe elektronikë (si një përcjellës "ideal").

Përveç kësaj, bazuar në këtë përbërje mund të prodhohen katoda të ftohta, bateri të ringarkueshme, si dhe elektroda speciale përçuese dhe veshje transparente të filmit. Vetitë unike të këtij nanomateriali i ofrojnë atij një gamë të gjerë mundësish për përdorimin e tij në zhvillime premtuese.

Avantazhet dhe disavantazhet

Përparësitë e produkteve me bazë grafeni:

Shkallë e lartë e përçueshmërisë elektrike, e krahasueshme me atë të bakrit të zakonshëm;
Pastërti optike pothuajse perfekte, falë së cilës thith jo më shumë se dy përqind të rrezes së dritës së dukshme. Prandaj, nga jashtë duket pothuajse i pangjyrë dhe i padukshëm për vëzhguesin;
Forca mekanike më e lartë se diamanti;
Fleksibilitet, për sa i përket të cilit grafeni me një shtresë është superior ndaj gomës elastike. Kjo cilësi ju lejon të ndryshoni lehtësisht formën e filmave dhe t'i shtrini ato nëse është e nevojshme;
Rezistenca ndaj ndikimeve të jashtme mekanike;
Përçueshmëri termike e pakrahasueshme, për sa i përket së cilës është dhjetëra herë më e lartë se bakri.

Disavantazhet e këtij përbërësi unik të karbonit përfshijnë:

Pamundësia e marrjes në vëllime të mjaftueshme për prodhimin industrial, si dhe arritja e vetive fizike dhe kimike të nevojshme për të siguruar cilësi të lartë. Në praktikë, është e mundur të merren vetëm fragmente fletësh me përmasa të vogla të grafenit;
Produktet e prodhuara në mënyrë industriale janë më shpesh inferiorë në karakteristikat e tyre ndaj mostrave të marra në laboratorët kërkimorë. Nuk është e mundur t'i arrish ato duke përdorur teknologji të zakonshme industriale;
Kostot e larta jo të punës, të cilat kufizojnë ndjeshëm mundësitë e prodhimit dhe aplikimit praktik të tij.

Pavarësisht gjithë këtyre vështirësive, studiuesit nuk i braktisin përpjekjet e tyre për të zhvilluar teknologji të reja për prodhimin e grafenit.

Si përfundim, duhet thënë se perspektivat për këtë material janë thjesht fantastike, pasi mund të përdoret gjithashtu në prodhimin e pajisjeve moderne ultra të hollë dhe fleksibël. Përveç kësaj, në bazë të tij është e mundur të krijohen pajisje moderne mjekësore dhe ilaçe që mund të luftojnë kancerin dhe sëmundjet e tjera të zakonshme të tumorit.