Evde grafen elde etmek. Grafenin fiziksel özellikleri
Geçen yıla kadar, bilim tarafından grafen üretmek için bilinen tek yol, yapışkan bant üzerine en ince grafit tabakasını uygulamak ve ardından tabanı çıkarmaktı. Bu tekniğe "scotch tape tekniği" denir. Ancak son zamanlarda, bilim adamları yeni bir malzeme elde etmenin daha etkili bir yolu olduğunu keşfettiler: baz olarak, daha sonra aşındırma ile çıkarılan bir bakır, nikel veya silikon tabakası kullanmaya başladılar (Şekil 2). Bu şekilde, Kore, Japonya ve Singapur'dan bir bilim adamları ekibi tarafından 76 santimetre genişliğinde dikdörtgen grafen tabakaları oluşturuldu. Araştırmacılar, karbon atomlarından oluşan tek katmanlı bir yapının bir parçasının boyutu için bir tür rekor kırmanın yanı sıra esnek levhalara dayalı hassas ekranlar da oluşturdular.
Şekil 2: Dağlama ile grafen elde etme
İlk kez, grafen "pulları" fizikçiler tarafından sadece 2004'te, boyutlarının sadece 10 mikrometre olduğu zaman elde edildi. Bir yıl önce, Austin'deki Texas Üniversitesi'nden Rodney Ruoff'un ekibi, santimetre büyüklüğünde grafen "hurdaları" yaratmayı başardıklarını açıkladı.
Ruoff ve meslektaşları, kimyasal buhar biriktirme (CVD) kullanarak bakır folyo üzerine karbon atomları yerleştirdiler. Sunkhyunkhwan Üniversitesi'nden Profesör Byun Hee Hong'un laboratuvarındaki araştırmacılar daha da ileri gittiler ve sayfaları tam teşekküllü bir ekran boyutuna büyüttüler. Yeni “rulo” teknolojisi (rulodan ruloya işleme), grafenden uzun bir şerit elde etmeyi mümkün kılar (Şekil 3).
Şekil 3: Yığılmış grafen katmanlarının yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu görüntüsü.
Fizikteki grafen levhaların üzerine bir yapışkan polimer tabakası yerleştirildi, bakır substratlar çözüldü, ardından polimer film ayrıldı - tek bir grafen tabakası elde edildi. Levhalara daha fazla güç vermek için, bilim adamları aynı şekilde üç grafen katmanı daha "büyüttüler". Sonunda, ortaya çıkan "sandviç" işlendi Nitrik asit- iletkenliği iyileştirmek için. Polyester bir alt tabaka üzerine yepyeni bir grafen levha yerleştirilir ve ısıtılmış silindirler arasından geçirilir (Şekil 4).
Şekil 4: Grafen elde etmek için rulo teknolojisi
Ortaya çıkan yapı ışığın %90'ını iletti ve standarttan daha düşük bir elektrik direncine sahipti, ancak yine de çok pahalı, şeffaf iletken, indiyum kalay oksit (ITO). Bu arada, dokunmatik ekranların temeli olarak grafen tabakalarını kullanan araştırmacılar, yapılarının da daha az kırılgan olduğunu buldular.
Doğru, tüm başarılara rağmen, teknolojinin ticarileşmesi hala çok uzak. Şeffaf karbon nanotüp filmler bir süredir ITO'nun yerini almaya çalışıyor, ancak üreticiler film kusurlarında görülen "ölü pikseller" sorununu çözemiyor gibi görünüyor.
Elektrik mühendisliği ve elektronikte grafen kullanımı
Düz panel ekranlardaki piksellerin parlaklığı, biri izleyiciye bakan iki elektrot arasındaki voltaj tarafından belirlenir (Şekil 5). Bu elektrotlar şeffaf olmalıdır. Şu anda, şeffaf elektrotlar üretmek için kalay katkılı indiyum oksit (ITO) kullanılmaktadır, ancak ITO pahalıdır ve en kararlı malzeme değildir. Ayrıca, dünya yakında indiyum rezervlerini tüketecek. Grafen, ITO'dan daha şeffaf ve daha kararlıdır ve bir grafen elektrot LCD'si zaten gösterilmiştir.
Şekil 5: Uygulanan voltajın bir fonksiyonu olarak grafen ekranların parlaklığı
Malzeme ayrıca elektroniğin diğer alanlarında da büyük bir potansiyele sahiptir. Nisan 2008'de Manchester'dan bilim adamları dünyanın en küçük grafen transistörünü gösterdiler. Mükemmel derecede doğru bir grafen tabakası, malzemenin direncini kontrol ederek onu bir dielektrik haline getirir. Bireysel elektronların hareketini kontrol etmek için yüksek hızlı bir nano-transistör için mikroskobik bir güç anahtarı oluşturmak mümkün hale geliyor. Mikroişlemcilerdeki transistörler ne kadar küçükse, o kadar hızlıdır ve bilim adamları, modern silikon mikrotransistör teknolojisinin neredeyse sınırına ulaştığı göz önüne alındığında, geleceğin bilgisayarlarındaki grafen transistörlerin bir molekül boyutunda olacağını umuyorlar.
Grafen sadece mükemmel bir elektrik iletkeni değildir. En yüksek termal iletkenliğe sahiptir: atomik titreşimler, hücresel bir yapının karbon ağından kolayca yayılır. Elektronikte ısı dağılımı ciddi bir sorundur çünkü elektroniğin dayanabileceği yüksek sıcaklıkların sınırları vardır. Ancak, Illinois Üniversitesi'ndeki bilim adamları, grafen tabanlı transistörlerin ilginç bir özelliği olduğunu keşfettiler. Cihazın sıcaklığında bir azalmaya yol açan bir termoelektrik etki gösterirler. Bu, grafen tabanlı elektroniklerin soğutucuları ve fanları geçmişte bırakacağı anlamına gelebilir. Böylece, geleceğin mikro devreleri için umut verici bir malzeme olarak grafenin çekiciliği daha da artmaktadır (Şekil 6).
Şekil 6: Sıcaklığı ölçmek için bir grafen-metal temasının yüzeyini tarayan bir atomik kuvvet mikroskobu probu.
Bilim adamları için grafenin termal iletkenliğini ölçmek kolay değildi. Silikon dioksit kristalindeki aynı küçük deliğin üzerine 3 mikron uzunluğunda bir grafen film yerleştirerek sıcaklığını ölçmenin tamamen yeni bir yolunu keşfettiler. Sonra film ısıtıldı lazer ışını titreşmesini sağlar. Bu titreşimler, sıcaklık ve termal iletkenliğin hesaplanmasına yardımcı oldu.
Konu yeni bir maddenin olağanüstü özelliklerini kullanmak olduğunda bilim adamlarının yaratıcılığı sınır tanımıyor. Ağustos 2007'de, buna dayalı olarak tüm olası sensörlerin en hassası oluşturuldu. Toksinlerin veya patlayıcıların varlığını zamanında tespit etmeye yardımcı olacak bir gaz molekülüne yanıt verebilir. Uzaylı moleküller barışçıl bir şekilde grafen ağına iner, elektronları devre dışı bırakır veya ekler. Sonuç olarak, bilim adamları tarafından ölçülen grafen tabakasının elektrik direnci değişir. En küçük moleküller bile güçlü grafen ağ tarafından tutulur. Eylül 2008'de Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Cornell Üniversitesi'nden bilim adamları, en ince balon gibi bir grafen zarının, her iki tarafındaki birkaç atmosferin basınç farkı nedeniyle nasıl şiştiğini gösterdi. Grafenin bu özelliği, çeşitli maddelerin akışını belirlemede faydalı olabilir. kimyasal reaksiyonlar ve genel olarak atomların ve moleküllerin davranışlarının incelenmesinde.
Büyük saf grafen tabakaları elde etmek hala çok zordur, ancak karbon tabakası diğer elementlerle karıştırılırsa görev basitleştirilebilir. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Northwestern Üniversitesi'nde grafit oksitlendi ve suda çözüldü. Sonuç, kağıt benzeri bir malzemeydi - grafen oksit kağıdı (Şekil 7). Yapılışı oldukça zahmetli ve oldukça kolaydır. Grafen oksit, pillerde ve yakıt hücrelerinde dayanıklı bir zar olarak uygundur.
Şekil 7: Grafen oksit kağıdı
Grafen membran, elektron mikroskobu altında incelenen nesneler için ideal bir substrattır. Kusursuz hücreler, görüntülerde diğer atomların açıkça öne çıktığı tek tip gri bir arka planda birleşir. Şimdiye kadar, bir elektron mikroskobunda en hafif atomları ayırt etmek neredeyse imkansızdı, ancak substrat olarak grafen ile küçük hidrojen atomları bile görülebilir.
Grafen kullanma olanakları sonsuzdur. Son zamanlarda, ABD'deki Northwestern Üniversitesi'ndeki fizikçiler, grafenin plastikle karıştırılabileceğini keşfettiler. Sonuç, yüksek sıcaklıklara dayanabilen ve gazlara ve sıvılara karşı dayanıklı, ince, süper güçlü bir malzemedir.
Uygulama kapsamı, hafif benzin istasyonları, otomobil ve uçak yedek parçaları, dayanıklı rüzgar türbini kanatlarının üretimidir. Plastik, gıda ürünlerini paketlemek için kullanılabilir ve onları uzun süre taze tutar.
Grafen, dünyanın sadece en ince değil, aynı zamanda en dayanıklı malzemesidir. New York'taki Columbia Üniversitesi'ndeki bilim adamları, bir silikon kristalindeki küçük deliklerin üzerine grafen yerleştirerek bunu doğruladılar. Ardından en ince elmas iğneye basarak grafen tabakasını yok etmeye çalıştılar ve basınç kuvvetini ölçtüler (Şekil 8). Grafenin çelikten 200 kat daha güçlü olduğu ortaya çıktı. Streç film kadar kalın bir grafen tabakası hayal ederseniz, karşı ucunda bir filin veya bir arabanın dengede tutacağı bir kalem ucunun basıncına dayanır.
Şekil 8: Grafen elmas iğne üzerindeki basınç
Taramalı elektron mikroskobu altında grafen lifleri. Saf grafen, bir mikrodalga fırında grafen oksitten (GO) geri kazanılır. Ölçek 40 µm (sol) ve 10 µm (sağ). Fotoğraf: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers Üniversitesi
Grafen, bir karbon atomu kalınlığında bir katman tarafından oluşturulan karbonun 2 boyutlu bir modifikasyonudur. Malzeme yüksek mukavemete, yüksek ısı iletkenliğine ve benzersiz özelliklere sahiptir. fiziksel ve kimyasal özellikler. Dünyadaki bilinen herhangi bir malzemenin en yüksek elektron hareketliliğini sergiler. Bu, grafeni elektronikler, katalizörler, piller, kompozit malzemeler vb. dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için neredeyse ideal bir malzeme yapar. Önemli olan küçük - endüstriyel ölçekte yüksek kaliteli grafen katmanlarının nasıl elde edileceğini öğrenmek.
Rutgers Üniversitesi'nden (ABD) kimyagerler basit ve hızlı yöntem Geleneksel bir mikrodalga fırında grafen oksiti işleyerek yüksek kaliteli grafen üretimi. Yöntem şaşırtıcı derecede ilkel ve etkilidir.
Grafit oksit, grafitin güçlü oksitleyici maddelerle işlenmesiyle oluşan, çeşitli oranlarda karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan bir bileşiktir. Grafit oksitte kalan oksijenden kurtulmak ve daha sonra iki boyutlu tabakalarda saf grafen elde etmek büyük çaba gerektirir.
Grafit oksit, güçlü alkalilerle karıştırılır ve malzeme daha da indirgenir. Sonuç olarak, oksijen kalıntıları olan monomoleküler tabakalar elde edilir. Bu tabakalara yaygın olarak grafen oksit (GO) denir. Kimyagerler denedi Farklı yollar Aşırı oksijenin GO'dan uzaklaştırılması ( , , , ), ancak bu tür yöntemlerle indirgenen GO (rGO), özelliklerinde kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile elde edilen gerçek saf grafenden uzak olan oldukça düzensiz bir malzeme olarak kalır.
Düzensiz biçiminde bile, rGO enerji taşıyıcıları ( , , , , ) ve katalizörler ( , , , ) için faydalı olma potansiyeline sahiptir, ancak elektronikte grafenin benzersiz özelliklerinden en iyi şekilde yararlanmak için nasıl yapılacağını öğrenmeniz gerekir. GO'dan saf yüksek kaliteli grafen elde etmek için.
Rutgers Üniversitesi'ndeki kimyagerler basit ve hızlı yol 1-2 saniyelik mikrodalga darbeleri kullanılarak GO'nun saf grafene indirgenmesi. Grafiklerden görülebileceği gibi, “mikrodalga indirgeme” (MW-rGO) ile elde edilen grafen, özellikleri bakımından CVD kullanılarak elde edilen en saf grafene çok daha yakındır.
Saf grafen oksit GO, indirgenmiş grafen oksit rGO ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) grafen ile karşılaştırıldığında MW-rGO'nun fiziksel özellikleri. Gösterilenler, bir silikon substrat (A) üzerinde biriken tipik GO pullarıdır; X-ışını fotoelektron spektroskopisi (B); Raman spektroskopisi ve MW-rGO, GO ve CVD için Raman spektrumunda kristal boyutunun (La) tepe oranına oranı l 2D /l G.
MW-rGO'nun rGO'ya kıyasla elektronik ve elektrokatalitik özellikleri. İllüstrasyonlar: Rutgers Üniversitesi
MW-rGO elde etmek için teknik süreç birkaç aşamadan oluşur.
- Grafitin değiştirilmiş Hummers yöntemiyle oksidasyonu ve suda tek katmanlı grafen oksit pullarına çözülmesi.
- Malzemeyi mikrodalga ışımasına daha duyarlı hale getirmek için GO tavlama.
- GO pullarının geleneksel 1000 W mikrodalga fırında 1-2 saniye ışınlanması. Bu prosedür sırasında, GO hızla ısınır. Yüksek sıcaklık, oksijen gruplarının desorpsiyonu ve karbon kafesinin mükemmel yapılandırılması meydana gelir.
İletim elektron mikroskobu görüntüleri, 1 nm ölçeğinde grafen levhaların yapısını göstermektedir. Solda, oksijen fonksiyonel grupları (mavi ok) ve karbon katmanındaki delikler (kırmızı ok) dahil olmak üzere birçok kusuru olan tek katmanlı bir rGO var. Merkezde ve sağda mükemmel bir şekilde yapılandırılmış iki katmanlı ve üç katmanlı bir MW-rGO var. Fotoğraf: Rutgers Üniversitesi
Muhteşem yapısal özellikler MW-rGO, alan etkili transistörlerde kullanıldığında, maksimum elektron hareketliliğini, modern yüksek elektron hareketli transistörlerin olağanüstü performansıyla karşılaştırılabilir olan yaklaşık 1500 cm2/Vs'ye kadar artırabilir.
Elektroniğe ek olarak, MW-rGO katalizörlerin üretiminde de faydalıdır: oksijen oluşum reaksiyonunda katalizör olarak kullanıldığında olağanüstü düşük bir Tafel katsayısı değeri göstermiştir: on yılda yaklaşık 38 mV. MW-rGO katalizörü, 100 saatten fazla süren hidrojen evrimi reaksiyonunda da stabil kaldı.
Bütün bunlar, endüstride mikrodalgada indirgenmiş grafenin kullanımı için mükemmel bir potansiyel olduğunu gösteriyor.
Araştırma Makalesi "Çözelti ile pul pul dökülmüş grafen oksitin mikrodalga indirgenmesi yoluyla yüksek kaliteli grafen" 1 Eylül 2016'da dergide yayınlandı Bilim(doi: 10.1126/science.aah3398).
Grafen dünyadaki en dayanıklı malzemedir. Çelikten 300 kat daha güçlü. Bir yaprak grafen metrekare ve 4 kilogram ağırlığındaki bir nesneyi tutabilen sadece bir atom kalınlığında. Grafen, peçete gibi bükülebilir, katlanabilir, gerilebilir. Kağıt peçete elinde yırtılmış. Bu grafen ile olmayacak.
Diğer karbon formları: grafen, takviyeli - takviye edici grafen , karabina, elmas, fulleren, karbon nanotüpler, bıyık.
Grafen Açıklama:
Grafen, altıgen bir kristal kafes içinde birleştirilen atomların bir atom kalınlığında bir katman oluşturduğu iki boyutlu bir allotropik karbon formudur. Grafendeki karbon atomları, sp 2 bağları ile birbirine bağlanır. Grafen kelimenin tam anlamıyla maddedir bez.
Karbonun birçok allotropu vardır. Bazıları, örneğin, elmas ve grafit, uzun zamandır bilinmektedir, diğerleri ise nispeten yakın zamanda keşfedilmiştir (10-15 yıl önce) - fullerenler ve karbon nanotüpler. Onlarca yıldır bilinen grafitin bir grafen levha yığını olduğu belirtilmelidir, yani. birkaç grafen düzlemi içerir.
Grafene dayalı olarak yeni maddeler elde edilmiştir: grafen oksit, grafen hidrit (grafan olarak adlandırılır) ve florografen (grafenin flor ile reaksiyon ürünü).
Grafen vardır benzersiz özellikler bu da çeşitli alanlarda kullanılmasına izin verir.
Grafenin özellikleri ve faydaları:
Grafen dünyadaki en dayanıklı malzemedir. 300 kat daha güçlü olmak. Bir metrekarelik bir alana ve sadece bir atom kalınlığına sahip bir grafen tabakası, 4 kilogram ağırlığındaki bir nesneyi tutabilir. Grafen, peçete gibi bükülebilir, katlanabilir, gerilebilir. Kağıt peçete elinde yırtılmış. Bu grafen ile olmayacak.
– Grafenin iki boyutlu yapısı sayesinde, örneğin dokuma iplikleri ve diğer halat yapıları için kullanılmasına izin verecek çok esnek bir malzemedir. Aynı zamanda, ince bir grafen “ipi”, mukavemet açısından kalın ve ağır bir çelik halata benzer olacaktır.
- belirli koşullar altında, grafen, hasar durumunda kristal yapısındaki "delikleri" "iyileştirmesini" sağlayan başka bir yeteneği harekete geçirir,
– Grafen daha yüksek bir elektrik iletkenliğine sahiptir. Grafenin neredeyse hiç direnci yoktur. Grafen 70 kat daha fazla elektron hareketliliğine sahiptir. silikon. Grafen içindeki elektronların hızı 10.000 km/s'dir, ancak geleneksel bir iletkende elektronların hızı yaklaşık 100 m/s'dir.
- yüksek elektrik kapasitesine sahiptir. Grafenin özgül enerji kapasitesi 65 kWh/kg'a yaklaşır. Bu rakam, günümüzde çok yaygın olan lityum iyon pillerden 47 kat daha fazladır. akümülatörler,
– yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. 10 kat daha fazla termal iletkendir bakır,
- tam optik şeffaflık ile karakterizedir. Işığın sadece %2,3'ünü emer,
– grafen film, su moleküllerinin geçmesine izin verir ve aynı zamanda diğerlerini de tutar, bu da onun bir su filtresi olarak kullanılmasına izin verir,
- en hafif malzeme. Bir kalemden 6 kat daha hafif
– atalet çevre,
- radyoaktif atıkları emer,
– sayesinde Brown hareketi Bir grafen tabakasındaki karbon atomlarının (termal titreşimleri), ikincisi elektrik enerjisi "üretebilir",
- çeşitli bağımsız iki boyutlu malzemelerin değil, aynı zamanda çok katmanlı iki boyutlu heteroyapıların montajının temelidir.
Grafenin fiziksel özellikleri*:
*oda sıcaklığında.
Grafen elde etmek:
Grafen elde etmenin ana yolları şunlardır:
– grafit tabakaların mikromekanik pul pul dökülmesi (Novoselov yöntemi - yapışkan bant yöntemi). Yapışkan bant bantları arasına bir grafit numunesi yerleştirildi ve sonuncusu kalana kadar tabakalar art arda soyuldu. ince tabaka, grafenden yapılmış,
– dağılım grafit içinde su ortamları,
– mekanik pul pul dökülme;
– vakumda epitaksiyel büyüme;
– kimyasal buhar fazı soğutması (CVD işlemi),
– karbonu metallerdeki çözeltilerden veya karbürlerin ayrışması sırasında "terleme" yöntemi.
Evde grafen elde etmek:
En az 400 watt gücünde bir mutfak blenderi almanız gerekir. 500 ml su blender kasesine dökülür, sıvıya 10-25 mililitre herhangi bir deterjan ve 20-50 gram ezilmiş kurşun kalem ilave edilir. Ardından, blender, bir grafen pulları süspansiyonu görünene kadar 10 dakikadan yarım saate kadar çalışmalıdır. Ortaya çıkan malzeme, fotosel elektrotlarında kullanılmasına izin verecek yüksek iletkenliğe sahip olacaktır. Evde üretilen grafen, plastiğin özelliklerini de iyileştirebilir.
Grafen Uygulamaları:
– Güneş enerjisi,
– su arıtma, su filtrasyonu, tuzdan arındırma deniz suyu,
– elektronik (LCD monitörler, transistörler, mikro devreler, vb.),
– pillerde ve enerji kaynaklarında. Grafen pil, aracın şarj süresi 16 saniyeden fazla olmayan şarj olmadan 1000 km'yi aşmasını sağlar,
– ilaç. Bilim adamları, grafen oksitin grafen pullarının, kök hücrelerin çoğalmasını ve kemik hücrelerinin yenilenmesini hızlandırdığını bulmuşlardır.
– süper kompozitler oluşturmak,
– suyun radyoaktif kirlilikten arındırılması. Grafen oksit, radyoaktif maddeleri kirlenmiş sudan hızla uzaklaştırır. Grafen oksit pulları, doğal ve yapay radyoizotoplara hızla bağlanır ve onları katılara yoğunlaştırır. Pulların kendileri sıvıda çözünürdür ve ticari olarak üretilmesi kolaydır.
grafen nasıl yapılır wikipedia malzeme pil özellikleri aerojel karbon grafit satın alma fiyatı video rusya sunum yoğunluğu
teknik uygulama keşfi teknoloji üretim yapısı LED cihazlarda grafenin icadı ana bıçak
talep oranı 1 729
anketler
Ülkemizin sanayileşmeye ihtiyacı var mı?
- Evet, yapıyorum (%90, 2.486 oy)
- Hayır, gerekli değil (%6, 178 oy)
- Bilmiyorum (%4, 77 oy)
Teknoloji arama
Bulunan teknolojiler 1
İlginç olabilir:
-
Uzaktan fosfor teknolojisi, beyaz ışık üretmenin bir yolu...
Grafen, 21. yüzyılın devrim niteliğinde bir malzemesidir. Karbon bağının en güçlü, en hafif ve elektriksel olarak en iletken versiyonudur.
Grafen, Rus bilim adamlarının ödüllendirildiği Manchester Üniversitesi'nde çalışan Konstantin Novoselov ve Andrey Geim tarafından bulundu. Nobel Ödülü. Bugüne kadar, on yıl boyunca grafenin özelliklerini araştırmak için yaklaşık on milyar dolar tahsis edildi ve özellikle yarı iletken endüstrisinde silikon için mükemmel bir yedek olabileceğine dair söylentiler var.
Bununla birlikte, bu karbonlu malzeme gibi iki boyutlu bir yapı, Periyodik Tablodaki diğer elementler için de öngörülmüştür. kimyasal elementler ve bu maddelerden birinin çok sıra dışı özellikleri yakın zamanda incelenmiştir. Ve bu maddeye "mavi fosfor" denir.
İngiltere'de çalışan Rus yerlileri Konstantin Novoselov ve Andrey Geim, 2004'te bir atom kalınlığında yarı saydam bir karbon tabakası olan grafen yarattılar. O andan itibaren, hemen hemen her yerde, çeşitli türler hakkında övgü dolu sözler duymaya başladık. inanılmaz özellikler dünyamızı değiştirme ve uygulamasını en çok bulma potansiyeline sahip malzeme farklı bölgeler Kuantum bilgisayarların üretiminden, saf elde etmek için filtrelerin üretimine kadar değişen içme suyu. 15 yıl geçti ama grafenin etkisi altındaki dünya değişmedi. Niye ya?