מה ההבדל בין גרפן לגרפיט?
יסוד כימי יוצא דופן, פחמן הוא אחד שיושב בצורה נוחה במספר 6 בקבוצה הארבע-עשרה של התקופה השנייה של הטבלה המחזורית של יסודות כימיים. מאז ימי קדם, אנשים הכירו יהלום וגרפיט, שניים מתוך יותר מתשע השינויים האלוטרופיים של יסוד זה שהתגלו עד כה. אגב, לפחמן יש את המספר הגדול ביותר, בהשוואה לחומרים אחרים, של שינויים אלוטרופיים המוכרים למדע המודרני.
אלוטרופיה מרמזת על אפשרות קיומו בטבע של אותו יסוד כימי בצורת שני חומרים פשוטים או יותר, מה שנקרא צורות אלוטרופיות או שינויים אלוטרופיים, הגורמים להבדלים בחומרים אלו הן במבנה והן בתכונות. אז, לפחמן יש 8 צורות בסיסיות כאלה: יהלום, גרפיט, לונסדלייט, פולרנים (C60, C540 ו-C70), פחמן אמורפי וננו-צינורית חד-דופן.
בין צורות הפחמן הללו ישנן תכונות ואופי שונים לחלוטין: רכים וקשים, שקופים ואטומים, חומרים זולים ויקרים. עם זאת, הבה נשווה שני שינויים דומים בפחמן - גרפיט וגרפן.
כולנו מכירים את הגרפיטי מאז בית הספר.העופרת של עיפרון רגיל היא בדיוק גרפיט. הוא רך למדי, חלקלק ושמנוני למגע, הגבישים הם צלחות, שכבות האטומים ממוקמות אחת מעל השנייה, ולכן בעת שפשוף, למשל, על נייר, נתזים בודדים של מבנה הגביש השכבתי של גרפיט מתקלפים בקלות. , משאיר עקבות כהה אופייניים על הנייר.
גרפיט מוליך זרם חשמלי היטב, ההתנגדות שלו היא בממוצע 11 אוהם * מ"מ למטר, אבל המוליכות של גרפיט אינה זהה בגלל האניזוטרופיה הטבעית של הגבישים שלו. לפיכך, המוליכות לאורך מישורי הגביש גבוהה פי מאות מהמוליכות במישורים אלו. הצפיפות של גרפיט היא בין 2.08 ל- 2.23 גרם / cm3.
בטבע, גרפיט נוצר בטמפרטורות גבוהות בסלעים וולקניים ובסלעים געשיים, בסארנים ובפגמטיטים. זה מתרחש בוורידי קוורץ עם מינרלים במרבצים פולי מתכתיים בטמפרטורה בינונית הידרותרמית. הוא מופץ באופן נרחב בסלעים מטמורפיים.
כך, מאז 1907 פותחו באי מדגסקר הרזרבות הגדולות בעולם של גרפיט פתיתים טבעי. האי מורכב מסלעים מטמורפיים פרקמבריים העולים אל פני השטח בשטח הררי עם סימנים היפסומטריים של 4,000-4,600 רגל. הגרפיט נמצא כאן בחגורה באורך 400 קילומטרים וחולש על ההרים בחלקו המזרחי של מרכז האי.
לגרפן, בניגוד לגרפיט, אין מבנה גבישי בתפזורת; הוא כולל סריג קריסטל משושה דו מימדי, בעובי אטום אחד בלבד. בשינוי אלוטרופי כזה, פחמן אינו מתרחש באופן טבעי כלל, אך ניתן באופן תיאורטי להשיגו באופן מלאכותי. אנו יכולים לומר שמטוס שהופרד בכוונה ממבנה הגביש הרב-שכבתי של הגרפיט יהיה הגרפן הזה בדיוק.
מדענים לא הצליחו בתחילה להשיג גרפן בצורה של סרט דו מימדי פשוט, בגלל חוסר היציבות של החומר בצורה זו. עם זאת, על מצע תחמוצת סיליקון (בשל הקשר עם השכבה הדיאלקטרית) עדיין ניתן היה להשיג גרפן בעובי אטום אחד: בשנת 2004 פרסמו המדענים הרוסים אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב מאוניברסיטת מנצ'סטר דו"ח ב-Science על השגת גרפן בדרך זו.
וגם היום, שיטות פשוטות כל כך להשגת גרפן לצורך מחקר, כמו פילינג מכני של חד-שכבת פחמן מגביש גרפיט בתפזורת באמצעות סרט דבק (ושיטות דומות), מוצדקות.
החוקרים מאמינים שבזכות ההתקדמות שלהם, בקרוב תופיע מחלקה חדשה של ננו-אלקטרוניקה מבוססת גרפן, שבה טרנזיסטורי אפקט שדה יהיו בעובי של פחות מ-10 ננומטר. העובדה היא שהניידות של אלקטרונים בגרפן כל כך גבוהה (10,000 סמ"ר / V * s) עד שנראה שהיא האלטרנטיבה המבטיחה ביותר לסיליקון קונבנציונלי כיום.
ניידות נושאת גבוהה היא היכולת של אלקטרונים וחורים להגיב במהירות רבה להשפעה של שדות חשמליים מיושמים, וזה חשוב ביותר עבור טרנזיסטורי אפקט שדה, יחידת ההפעלה הבסיסית של האלקטרוניקה המודרנית.
יש גם סיכויים ליצירת חיישנים ביולוגיים וכימיים שונים, כמו גם סרטים דקים למכשירים פוטו-וולטאיים ומסכי מגע. למרות כל זאת, המוליכות התרמית של גרפן גבוהה פי 10 מזו של נחושת, והקריטריון הזה תמיד חשוב מאוד לאלקטרוניקה.