Grafen

Trójwymiarowy model struktury grafenu.

Wzór strukturalny grafenu

Grafit zbudowany jest z warstw grafenowych

Grafen – płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał kształtem przypomina plaster miodu, a ponieważ ma jednoatomową grubość, w przybliżeniu jest strukturą dwuwymiarową. Grafen jest przedmiotem zainteresowania przemysłu ze względu na różne właściwości, w tym elektryczne i mechaniczne.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, to uznawane za najbardziej prestiżowe wyróżnienie za wybitne osiągnięcia naukowe. Przyznawana jest ona od 1901 roku przez Fundację Noblowską.Patent – potocznie: dokument wydawany przez urzędy patentowe; właściwie: ograniczone w czasie prawa właściciela rozwiązania technicznego do wyłącznego korzystania z wynalazku bądź wynalazków będących przedmiotem patentu w celach zawodowych lub zarobkowych na terenie państwa, które decyzją administracyjną patentu udzieliło, pod warunkiem wniesienia opłat za co najmniej pierwszy okres ochrony od daty zgłoszenia.

Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 roku w pracy Philipa Russella Wallace’a. Jednak w tym samym okresie opublikowano szereg innych prac, w których dowodzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie. Na początku lat 80. XX wieku pojawiały się artykuły wskazujące, że grafen można jednak wytworzyć. W 2004 roku nastąpił przełom – równolegle grupy z Georgii i Manchesteru pokazały, że wytworzony przez nie grafen ma unikatowe własności, które zostały przewidziane wcześniej. Po tych publikacjach nastąpiło przyspieszenie prac nad grafenem – zarówno pod kątem czysto badawczym, jak i w poszukiwaniu coraz lepszych metod wytwarzania tego materiału.

Unia Europejska, UE – gospodarczo-polityczny związek 27 demokratycznych państw europejskich. Unia powstała 1 listopada 1993 roku – na mocy podpisanego 7 lutego 1992 traktatu z Maastricht – jako efekt wieloletniego procesu integracji politycznej, gospodarczej i społecznej. Korzenie współczesnej integracji europejskiej sięgają okresu powojennego i ograniczały się do 6 państw zachodnioeuropejskich. Państwa te tworzyły wiele form i mechanizmów współpracy, powoływały organizacje, instytucje i organy, których celem było wzmocnienie jedności między nimi. W 1993 nadrzędną wobec wszystkich poprzednich organizacji została Unia Europejska, sama otrzymując nieznaną wcześniej hybrydową formułę sui generis. Akumulator elektryczny – rodzaj ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym. Wszystkie rodzaje akumulatorów elektrycznych gromadzą i później uwalniają energię elektryczną dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym w elektrolicie oraz na styku elektrolitu i elektrod.

Za badania grafenu Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymali w 2010 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Spis treści

1 Właściwości

1.1 Właściwości biologiczne

2 Zastosowanie

3 Wytwarzanie

4 Zobacz też

5 Przypisy

6 Linki zewnętrzne

Właściwości

Bardzo dobry przewodnik ciepła oraz elektryczności – zmierzona przewodność cieplna wynosi od 4840 ± 440 do 5300 ± 480 W/mK (dla porównania srebro – 429 W/mK).

Ma niewielką rezystywność.

Bardzo wysoka ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej – przy założeniu rozpraszania jedynie na fononach: μ ≈ 200 000 cm²/Vs (dla porównania krzem – 1500 cm²/Vs, arsenek galu – 8500 cm²/Vs).

Prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła w próżni, umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku.

Warstwa o grubości jednego atomu pochłania 2,3% białego światła (dokładnie πα, gdzie α to stała struktury subtelnej).

Jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 130 GPa, w porównaniu do ok. 0,4 GPa dla stali konstrukcyjnej lub kevlaru.

Membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, nawet atomów helu, a równocześnie jest całkowicie przenikalna dla wody. Daje to możliwość zastosowania do filtracji w temperaturze pokojowej, np. w celu zwiększenia stężenia alkoholu bez użycia klasycznej destylacji czy wymrażania oraz taniej produkcji wody pitnej z wody morskiej.

Grafen jest materiałem zbudowanym z atomów węgla połączonych wiązaniami o hybrydyzacji sp².

Destylacja – rozdzielanie ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej poprzez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników. Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Proces wykorzystuje różną lotność względną składników mieszaniny.Alotropia – zjawisko występowania, w tym samym stanie skupienia, różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą strukturą krystaliczną lub liczbą atomów w cząsteczce.

Grafen jest półprzewodnikiem z zerową (zamkniętą) przerwą energetyczną lub półmetalem. Znaczy to, że pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa są ze sobą złączone, ale nie przenikają się, tworząc tzw. stożek Diraca. Struktura pasmowa w grafenie jest więc odmienna od większości znanych kryształów. Półprzewodniki są kryształami o małej przerwie energetycznej (w grafenie zerowa), natomiast w metalach pasma walencyjne i przewodnictwa przenikają się (w grafenie stykają się). Grafen ma cechy obu materiałów, ale nie jest ściśle żadnym z nich.

Superkondensator lub ultrakondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego o specyficznej konstrukcji, który wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów), w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności, lecz przy napięciu pracy 2-3 V (typowo 2,7 V).Półprzewodniki − najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10 do 10 S/cm) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie bądź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.

Ważną cechą grafenu jest też liniowa zależność dyspersyjna energii od pędu. W klasycznych materiałach energia wyraża się przez kwadrat pędu (energia kinetyczna określana jest jako mv²/2 lub tożsamościowym wzorem p²/2m). W kryształach struktura pasmowa wyraża zależność energii od pędu (na osi „x” jest pęd określony przez wektor falowy „k”, a na osi pionowej jest energia). W grafenie zależność energii od pędu nie jest określona wzorem p²/2m a pc’, gdzie c’ jest wartością stałą. Taka zależność występuje w nielicznych kryształach oraz w przypadku światła (E = pc).

Stal konstrukcyjna – stal używana do budowy konstrukcji stalowych, części urządzeń i maszyn o typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale specjalne.Stany Zjednoczone, Stany Zjednoczone Ameryki (ang. United States, US, United States of America, USA) – federacyjne państwo w Ameryce Północnej graniczące z Kanadą od północy, Meksykiem od południa, Oceanem Spokojnym od zachodu, Oceanem Arktycznym od północnego zachodu i Oceanem Atlantyckim od wschodu.

Omawiane właściwości powodują, że elektrony w grafenie są bezmasowymi fermionami Diraca. W praktyce przekłada się to na wysokie parametry przewodnictwa cieplnego i elektrycznego, a także na szereg kwantowych efektów (anomalny kwantowy efekt Halla, rezonansowy efekt Ramana, chiralność, pseudospin, tunelowanie Kleina).

Alkohole – związki organiczne zawierające jedną lub więcej grup hydroksylowych połączonych z atomem węgla w hybrydyzacji sp.Półmetale (metaloidy) – pierwiastki chemiczne, które mają własności pośrednie między metalami i niemetalami. Zalicza się do nich: antymon, arsen, bor, german, krzem, tellur oraz czasami także selen, glin, polon i astat, w niektórych podręcznikach także węgiel, mający najwyższą temperaturę topnienia z dotychczas poznanych pierwiastków, oraz fosfor (tworzący odmianę czarną o właściwościach fizycznych przypominających metal).

Jednym z efektów związanych z liniową zależnością dyspersyjną jest unikalna absorpcja grafenu. Pochłanianie światła zachodzi wtedy, gdy elektron z pasma walencyjnego może pochłonąć foton (efekt fotoelektryczny). Jest to możliwe, jeśli różnica energii między danym punktem z pasma walencyjnego i przewodnictwa jest taka sama jak energia fotonu. W grafenie w okolicy tzw. punktu K jest liniowa zależność dyspersyjna i zamknięta przerwa energetyczna. Powoduje to, że każda długość fali światła (każdy kolor) w zakresie od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu może być zaabsorbowana przez grafen, ponieważ zawsze znajdzie się taki elektron, który będzie mógł pochłonąć dany foton. Ponadto prawdopodobieństwo zaabsorbowania każdej długości fali światła jest takie samo.

Przewodność cieplna, współczynnik przewodnictwa ciepła oznaczany symbolem λ lub k określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej.Węglik krzemu (karborund) - materiał ceramiczny z grupy węglików o ogólnym wzorze SiC. Występuje w naturze jako niezwykle rzadki minerał moissanit. Istnieją jego dwie odmiany krystaliczne α i β.

Dla ultrafioletu efekt nie zachodzi, ponieważ równanie E = pc’ nie jest spełnione w tym obszarze energii. Dla podczerwieni energie są bardzo małe i wektor falowy (pęd) staje się bardzo bliski punktowi K, co powoduje szereg efektów kwantowych zaburzających absorpcję. Zatem dla światła widzialnego absorpcja dla różnych długości fali jest taka sama. Należy przy tym pamiętać, że grafen jest jednowarstwowym materiałem, co powoduje, że pochłania tylko bardzo małą część światła padającego (2,3%). Stąd mówi się, że materiał ten jest bardzo przezroczysty, a jednocześnie mocno absorbuje światło (jak na tak cienki materiał).

Science – recenzowane czasopismo naukowe wydawane przez American Association for the Advancement of Science. Ukazuje się jako tygodnik ilustrowany.Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (często używany skrót to FUW) – wydział Uniwersytetu Warszawskiego prowadzący badania naukowe i kształcący w dziedzinach:

Właściwości biologiczne

W dziedzinie biomedycyny grafen może być wykorzystywany w celach diagnostycznych, wykazuje również potencjał terapeutyczny jako nośnik leku w systemach drug delivery. Grafen i jego pochodne wykazują potencjalne zastosowanie w inżynierii tkankowej i charakteryzują się właściwościami antybakteryjnymi; te możliwości czynią je odpowiednimi kandydatami do wytwarzania struktur nanohybrydowych mających zastosowanie w różnych dziedzinach biomedycznych, takich jak różnicowanie tkanek, regeneracja i leczenie stanów zapalnych. Nanohybrydy grafenowe zostały wyprodukowane jako potencjalnie skuteczne rusztowania opatrunkowe mające na celu gojenie się ran. Idea takich nanohybrydowych rusztowań opierała się na synergistycznym działaniu grafenu na regulację stanów zapalnych, a także na jego zdolności regeneracyjnej. Wysoka zdolność antybakteryjna jest głównie związana z fizycznymi uszkodzeniami występującymi podczas bezpośredniego kontaktu z błonami bakteryjnymi ostrych krawędzi arkuszy grafenowych, podczas gdy działanie regeneracyjne opiera się na potencjale rusztowania do promowania adhezji i proliferacji mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC).

Konstantin Siergiejewicz Nowosiołow, ros. Константин Сергеевич Новосёлов (ur. 23 sierpnia 1974 w Niżnym Tagile) – rosyjski fizyk.Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 2, z grupy helowców (gazów szlachetnych) w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4×10% w górnych warstwach atmosfery).

Wiele prac badawczych ujawniło skuteczność grafenu przeciwko bakteriom Gram-dodatnim i Gram-ujemnym w zależności od różnorodnych mechanizmów i czynników związanych zarówno ze składnikami bakterii, jak i samymi nanocząstkami.

Podstrony: 1 [2] [3] [4]