Grafen er et materiale, der har flere egenskaber, der er i stand til at revolutionere teknologien

Billede af OpenClipart-Vectors fra Pixabay

Grafen er et materiale sammensat af et todimensionalt lag af kulstofatomer organiseret i sekskantede strukturer, hvis højde svarer til et atoms. Dette materiale kan produceres ved at ekstrahere overfladelag af grafit, et mineral der er rigeligt på Jorden og en af de mest almindelige allotrope af kulstof.

De kemiske bindinger og tykkelsen af grafen er ansvarlige for flere vigtige egenskaber ved dette element, såsom mekanisk modstand og termisk og elektrisk ledningsevne. Disse egenskaber har tiltrukket forskere og teknologiindustrien for deres uendelige anvendelsesmuligheder.

Opdagelsen af grafen

Stabil, to-dimensionel grafen blev ved et uheld opdaget i 2004 af russiske fysikere Andre Geim og Konstantin Novoselov. Denne opdagelse garanterede forskere Nobelprisen i fysik i 2010. Imidlertid har eksistensen af denne kulstofallotrop været kendt siden 1930.

Grafenegenskaber

Graphene har adskillige egenskaber, der gør det til et materiale med flere teknologiske anvendelser. Kend de vigtigste egenskaber ved denne allotrop.

Mekaniske egenskaber

Grafen er det stærkeste materiale, der nogensinde er kendt. Denne modstand stammer fra de stærke bindinger dannet mellem dets kulstofatomer. Materialer, der er meget udbredt i civil konstruktion, såsom stål, tåler kun en tredjedel af dette pres.

En anden interessant egenskab ved grafen er dens høje Youngs modul, hvilket indikerer, at dette materiale ud over at være resistent er meget elastisk. Derfor er det i stand til at vende tilbage til sin oprindelige størrelse relativt let.

De små områder af hver carbon-sekskant er ansvarlige for den høje uigennemtrængelighed af grafen, som kan bruges som et lille netværk, der er i stand til at holde gasser, der let lækker fra deres beholdere, såsom brintgas. Ud over at være ekstremt modstandsdygtig er grafen meget let: dens densitet er 0,77 g / m², det vil sige omkring tusind gange lettere end et ark papir.

Elektriske egenskaber

Elektroner er i stand til at forplante sig i grafen næsten frit uden at afvige eller kollidere. På grund af den sekskantede struktur af kulstofbindingerne bevæger elektronerne sig inden i disse tynde lag ved relativistiske hastigheder, dvs. tæt på lysets hastighed.

Ved stuetemperatur er grafens elektriske modstand den laveste der er. Således kan dette element betragtes som den bedste metalliske leder.

Optiske egenskaber

Da det tillader 97,5% af det indfaldende lys at passere igennem, er grafen usynlig for det blotte øje. Denne optiske opførsel stammer fra de relativistiske egenskaber ved elektroner i grafen. Dette indebærer, at det ved at stable flere ark grafen er muligt at fremstille en perfekt sort krop, der er i stand til at absorbere næsten al den stråling, der falder ind på den.

Termiske egenskaber

På grund af dets elektriske egenskaber er grafen en fremragende varmeleder. Dette materiale er i stand til at sprede varmen hurtigere end noget andet kendt materiale. Derudover antyder nogle undersøgelser, at dens smeltetemperatur er 3851 ° C.

Derfor er grafens vigtigste egenskaber og egenskaber:

Det er ekstremt tyndt: det har tykkelsen af et atom;
Det er meget modstandsdygtigt: ca. 200 gange mere modstandsdygtigt end stål;
Det er fleksibelt;
Det er vandtæt;
Det er gennemsigtigt: det transmitterer omkring 97,5% af lysstrålerne;
Den har høj termisk og elektrisk ledningsevne: leder elektrisk energi 100 gange hurtigere end kobber. Undersøgelser har også vist, at den hastighed, hvormed elektroner bevæger sig gennem grafen, er 1000 km / s (60 gange hurtigere end silicium);
Det har høj hårdhed
Det har mindre Joule-effekt: det mister mindre energi i form af varme, når de leder elektroner.

Grafen applikationer

På grund af dets egenskaber og egenskaber er grafen et af de mest lovende kendte materialer. Dens teknologiske anvendelser er enorme, men begrænset af kapaciteten til at producere dette materiale i stor skala. Enheder som sammenklappelige LED-skærme, solceller, mere effektive transistorer, superkondensatorer, køleplader og superbatterier til mobiltelefoner er nogle eksempler på teknologier, der er udviklet ved brug af grafen.

Derudover kan grafen anvendes i andre studieretninger, såsom:

Drikkevand

Grafenformede membraner er i stand til at afsalte og rense havvand

CO2-udledning

Grafenfiltre er i stand til at reducere CO2-emissioner ved at adskille gasser genereret af industrier og virksomheder

Påvisning af sygdomme

Meget hurtigere biomedicinske sensorer er lavet af grafen og kan detektere sygdomme, vira og andre toksiner

Konstruktion

Byggematerialer, såsom beton og aluminium, bliver lettere og mere modstandsdygtige ved tilsætning af grafen

Æstetik

Hårfarvning ved sprøjtning af grafen holder op til 30 vask

Mikroenheder

Mindre og mere modstandsdygtige chips på grund af udskiftning af silicium med grafen

Energi

Solceller har bedre fleksibilitet, mere gennemsigtighed og reducerede produktionsomkostninger ved brug af grafen

Elektronik

Batterier med bedre og hurtigere energilagring

Mobilitet

Cykler kan have fastere dæk og stel, der vejer 350 gram ved hjælp af grafen

Blandt undersøgelserne relateret til grafen fremhæver vi dem, der involverer udviklingen af nye datatransmissionskabler til internettet. Ifølge forskning offentliggjort af tidsskriftet Nature Communication er ideen at drage fordel af al den hastighed, som elektroner når i grafen - celler bevæger sig i det hundreder af gange hurtigere end i de kabler, der i øjeblikket anvendes.

Betydningen af grafen for Brasilien

Brasilien er en del af det teknologiske løb på jagt efter billigere og mere effektive metoder til produktion af grafen. Ifølge rapporten produceret af National Department of Mineral Production (DNPM) forventes grafenmarkedet at være et af de mest rentable i verden med potentiale til at nå op til 1 billion dollar på 10 år. Derudover har Brasilien de største reserver af grafen i verden.

Grafenpris

På grund af dets komplekse måde at opnå er prisen på grafen stadig høj. De mest aktuelle teknikker, der tillader produktion af rene og tynde lag af dette materiale, fungerer med aflejring af damp på metalliske substrater, såsom kobberplader.

I øjeblikket kan et 5,08 cm x 2,54 cm grafenark koste op til 275 dollars: i gennemsnit 21 dollars pr. Kvadratcentimeter. Imidlertid kan faktorer som urenheder og asymmetrier reducere denne pris drastisk. Grafen kan også fås fra grafit: med 1 kg grafit, der koster ca. 1 dollar, er det muligt at producere 150 g grafen, hvis værdi overstiger 15 tusind dollars.

Grafen fakta

Den Europæiske Unions Graphene Flagship-projekt har øremærket ca. 1,3 milliarder euro til forskning relateret til grafen, applikationer og industriel udvikling i industriel målestok. I alt deltager 150 institutioner fra 23 lande i dette projekt.
Den første kuffert, der er udviklet til rumrejser, har grafen i sin sammensætning. Dens lancering er planlagt til 2033, når NASA har til hensigt at gennemføre ekspeditioner til Mars.
Borophene er den nye konkurrent til grafen. Dette materiale, der blev opdaget i 2015, betragtes som en forbedret version af grafen, der er endnu mere fleksibelt, modstandsdygtigt og ledende.

Processer til opnåelse af grafen, dets applikationer og dens betydning for Brasilien