Графен и графит разница: Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

• Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
• В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
• В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

• 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
• 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

ЕЩЁ РАЗ О ГРАФЕНЕ

Наука в Сибири, № 21 (2806) от 26 мая 2011 г.

Углерод — поистине удивительный элемент! Мало того, что он является основой живой материи и главным участником органической химии, углерод можно также отнести и к неорганическим материалам.

В. Фёдоров, доктор химических наук, главный научный сотрудник ИНХ СО РАН

Всем хорошо известны такие удивительные углеродные материалы как алмаз и графит. В этих двух аллотропных модификациях углерод изменяется до неузнаваемости. И хотя алмаз и графит обладают совершенно разными свойствами, они оба нашли широкое практическое применение во многих областях техники и технологии. Существование только этих двух модификаций могл бы создать углероду прекрасную репутацию. Однако этими формами замечательные свойства углерода не ограничиваются. Оказалось, что углерод может кристаллизоваться и в других неожиданных структурах — в виде цепочек (карбин), молекулярных глобул (фуллерены), нанотрубок (одностенных и многостенных), луковиц. Последние формы углерода были открыты благодаря интенсивным исследованиям наноматериалов, оказавшихся в фокусе современного материаловедения.

К этому списку сегодня можно добавить графен.

Термин «графен» как индивидуальный графитовый слой был определён в 1994 году по рекомендации ИЮПАК о номенклатуре интеркалированных соединений графита. Происхождение термина связано с аналогичными названиями полициклических ароматических углеводородов (антрацен, коронен и т.д.).

Недавние события, связанные с присуждением Нобелевской премии по физике Андре Гейму и Константину Новоселову за исследования свойств графена (2010 г.), сегодня, когда умолкли торжественные фанфары, уже не кажутся сенсационными. Действительно, графен — это не что-то необычное, это всего лишь один слой графита. Из этих слоев и создан природный минерал — графит. Вопрос в том, как получить моноатомный слой углерода. В графите моноатомные слои углерода взаимодействуют друг с другом; хотя такое взаимодействие достаточно слабое, тем не менее образуются трёхмерные кристаллы графита. Поскольку Нобелевские лауреаты — физики, то они воспользовались наиболее очевидным и простым приёмом — механическим расщеплением графита с помощью липкой скотч ленты. Им удалось оторвать от кристалла графита тонкую моноатомную пленку, которая и представляет собой графен. И в этом тоже нет ничего удивительного. Когда мы пишем карандашом, карандаш оставляет на бумаге графеновые слои. Ведь название графит происходит от древнегреческого «графо» — пишу.

Исследования графена показали, что этот материал имеет целый ряд замечательных свойств, которые существенно отличаются от графита. Зайдите в Интернет, и вы без труда найдете подробное описание достоинств графеновых материалов. Главные из них — в высокой подвижности носителей заряда, высокой теплопроводности, механической прочности, прозрачности. Эти свойства делают его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, в наноэлектронике. Развернувшиеся работы по изучению свойств графена показали, что области возможных приложений таких материалов достаточно широки — от электроники до медицины.

Однако известно, что для претворения материала в реальные приборы или устройства зачастую необходимо преодолеть разнообразные барьеры, в том числе и фундаментального характера. Здесь уместно вспомнить о неоправдавшихся ожиданиях, связанных с другими интересными соединениями — высокотемпературными сверхпроводниками, которые также были отмечены Нобелевской премией по физике в 1987 г. По-видимому, реальные результаты по созданию приборов на основе графена можно будет оценить уже в недалеком будущем.

В настоящее время основная проблема графенового материаловедения упирается в удобные и надежные методы получения материала с высокими характеристиками не только в лабораторном масштабе, но и пригодных для промышленного производства. И здесь надежды связывают с химическими методами синтеза. Понятно, что предстоят очень большие усилия по разработке таких подходов, которые позволили бы получать совершенные плёнки графена.

В ИНХе проводятся исследования по химическим методам получения плёнок графена с помощью коллоидных дисперсий графена, а также разрабатываются основы по химической модификации таких материалов посредством допирования графена электронодонорными и акцепторными атомами с целью регулирования электрофизических свойств.

Значение открытия графена сегодня можно оценивать по-разному. Одно совершенно очевидно, что оно очень существенно стимулировало работы с этими материалами в разнообразных направлениях (в последние годы публикуется более 3 тысяч статей в год!). Другим очень интересным поворотом событий в данной области является возникший повышенный интерес исследователей к другим родственным неорганическим материалам, в частности, к слоистым халькогенидам переходных металлов. Подобные материалы в прошлом широко исследовались, однако в настоящее время они рассматриваются с новой точки зрения. В частности, в отличие от графена, обладающего металлическими свойствами, слоистые халькогениды являются полупроводниками с удобной величиной щели для создания таких важных приборов как полевые транзисторы.

Нет сомнения, что низкоразмерные материалы различной природы со слоистой и цепочечной структурой становятся весьма привлекательными объектами. Будем ждать интересных результатов и новых открытий.

стр. 5

Версия для печати (постоянный адрес статьи) http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?6+593+1

Семь обличий углерода

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород — самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород — самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» — именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в
форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно
скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели
карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита
графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши.
Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи
естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит
электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять
пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто
раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы
атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она
состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из
шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны
ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих
химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и
определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря
ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но
достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно.
Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее
перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление
возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности
встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве
анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из
графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в
троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из
самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если
поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться
вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над
достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита — невероятная
тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один
из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако
если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он
сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении
графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы
на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную
структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не
отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и
температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться
между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие
плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых
форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита —
это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель
10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность
алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть
добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и
других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски
и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления
используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в
ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных
исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях
изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно
прочитать в нашем материале «Путешествие к
центру Земли».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем
Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек
скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим
эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой
станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен —
материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую
премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода,
полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным
поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают
массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что
и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса,
притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии — золотые контакты, над ними находится графен, выше — тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность
электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой
причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно
графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен
и фаграфен. Первый
из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от
графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и
семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то
фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала
были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок

zeiss.com

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу — карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C₆₀, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов  — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства. 

Фуллериты — кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K₃C₆₀). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина,  Cs₂RbC₆₀. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp²-гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

ncsu.edu

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp¹-гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp¹-углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Много ли материалов можно предсказать такими способами?

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв

Разница между графитом и графеном

Основное различие между графитом и графеном состоит в том, что графит представляет собой аллотроп углерода, имеющий большое количество углеродных слоёв, тогда как графен представляет собой один углеродный слой графита.

Графит является известным аллотропом углерода. Более того, мы рассматриваем его как полуметалл, и он имеет слоистую структуру с несколькими слоями углерода, которые хорошо упакованы друг в друге. Один слой из этих слоев представляет собой графеновый лист. Графеновый лист рассматривается как наночастица в соответствии с его размерами.

Содержание

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое графит
3. Что такое графен
4. В чем разница между графитом и графеном
5. Заключение

Что такое графит?

Графит является стабильным аллотропом углерода, который имеет кристаллическую структуру и форму угля. И мы считаем его самородным минералом. Самородный минерал – это элемент, который встречается в природе без сочетания с каким-либо другим элементом. Кроме того, это самая стабильная форма углерода, которая встречается в стандартных условиях. Единственным повторяющимся звеном этого аллотропа является углерод (С). Имеет гексагональную кристаллическую систему. Этот аллотроп имеет цвет от железно-черного до стального-серого и имеет металлический блеск. Тем не менее, цвет полосы этого минерала черный (цвет, который появляется в его тонком порошке).

Графит

Мы будем называть решетчатую структуру этого аллотропа сотовой решеткой. Он имеет листы графена, разделенные на расстоянии 0,335 нм. В структуре решетки атомы углерода разделены на расстоянии 0,142 нм. Атомы углерода связаны друг с другом через ковалентные связи, один атом углерода имеет три ковалентные связи вокруг него. Поскольку валентность углерода равна 4, в каждом атоме углерода этой структуры находится четвертый незанятый электрон. Следовательно, он может свободно мигрировать, делая графит электропроводящим. Природный графит полезен в огнеупорах, батареях, сталеплавильном производстве, вспененном графите, тормозных накладках, литейных покрытиях и смазочных материалах.

Что такое графен?

Графен представляет собой лист из одного слоя графита. Это полуметалл. Этот лист содержит один слой атомов углерода в плоской структуре. Каждый атом углерода имеет три ковалентные связи вокруг них. Это называется гексагональной решетчатой ​​структурой. В отличие от графита, графен обладает многими необычными свойствами. Самое главное, это самый прочный материал, когда-либо испытанный. Он может эффективно проводить тепло и электричество. это соединение почти прозрачно.

Графеновый лист

Он имеет больший диамагнетизм, чем графит. Листы графена считаются наночастицами в соответствии с размерами (ширина листа находится в диапазоне от 1 до 100 нм). Атомы углерода этого листа имеют четыре связи, в том числе три сигма-связи вокруг атома углерода и одну пи-связь, ориентированную вне плоскости. Основное использование этих листов для производства углеродных нанотрубок.

В чем разница между графитом и графеном?

Графит является стабильным аллотропом углерода, который имеет кристаллическую структуру и форму угля. Имеет большое количество углеродных слоёв. Он хрупкий. Кроме того, атомы углерода графита связаны друг с другом через ковалентные связи, один атом углерода имеет три ковалентные связи и вокруг него и имеется свободный электрон. Графен представляет собой лист из слоя графита. В отличие от графита, у графена один углеродный слой. Кроме того, это самый прочный материал, когда-либо испытанный. Кроме того, этот углеродный лист имеет четыре связи, в том числе три сигма-связи вокруг атома углерода и одну пи-связь, ориентированную вне плоскости.

Заключение – Графит против Графена

Графит и графен являются очень важным углеродсодержащим материалом, связанным друг с другом. Разница между графитом и графеном заключается в том, что графит представляет собой аллотроп углерода, имеющий большое количество углеродных слоёв, тогда как графен представляет собой один углеродный слой графита.

Графен: необычный потенциал весьма обычного материала

Генеральная Ассамблея ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии. Кристаллография — это наука, вклад которой практически во все новые технологии трудно переоценить. Одним из самых интересных научных открытий последних лет является графен — новая форма кристаллического углерода, которая в отличие от алмаза формирует невероятно тонкую кристаллическую сетку атомов. По своей прочности она в 200 раз крепче стали. В 2010 г. двое российских ученых — Андрей Гейм и Константин Новоселов — получили Нобелевскую премию по физике за свои передовые опыты с графеном. Профессор Росица Якимова из Линкьопинского университета в Швеции считает, что в течение ближайшего десятилетия графен может революционизировать сферу новых технологий. С ней побеседовал Никола Крастев.

*****

РЯ: Об этом материале уже написано много, с большой скоростью появляются новые статьи. В основе всего этого интереса лежат необычайные свойства графена — это совершенно новый класс материала.

НК: В чем его инновационность?

Дело в том, что графен — первый двумерный материал, он существует всего лишь в двух измерениях, поскольку толщина кристаллической сетки углерода составляет всего лишь один атом. Графен, так сказать, растет только в ширину и длину, это невероятно тонкий слой. На сегодня графен — самый тонкий материал, который когда-либо был изолирован, толщина, как я уже сказала — всего лишь один атом углерода. Это первое.

Второе, графен — исключительно крепкий материал, его трудно разорвать, он в 200 раз крепче, чем сталь, Именно по причине невероятной своей прочности, предполагается, что у графена огромный потенциал для применения в самых разных технологических направлениях. Графен прекрасно проводит электричество и обладает такими свойствами своей электронной сетки, которые очень интересны для создания новых приборов.

Возможное приложение графена находится пока на теоретической стадии, потому что производство этого материала весьма сложно и не достигло уровня массового производства. Однако в силу большой подвижности электронов в графене можно с уверенностью предсказать создание сверхскоростных транзисторов, которые могут заменить существующие в компьютерах транзисторы на кремниевой основе.

Это даст возможность уменьшить размеры и в то же время увеличить плотность этих приборов, и, что самое интересное, — уменьшить на порядок потребление энергии. Графен — очень многообещающий материал.

НК: С чем это связано и как были обнаружены необычайные свойства графена?

РЯ: Это связано, прежде всего, с его кристаллической структурой: атомы углерода расположены в виде решетки, напоминающей медовые соты. Такое расположение обеспечивает исключительно прочную атомную структуру.

НК: Профессор Якимова, для меня, как обычного человека, довольно необычно выглядит сам факт, что это форма самого обычного вещества — углерода. Почему эта форма углерода была обнаружена так поздно — менее 10 лет назад?

РЯ: На самом деле о существовании графена теоретически стало известно еще в 1947 г. Энергетическая структура графена была предсказана и рассчитана канадским ученым Филиппом Уоллесом. В то время активно проводились исследования свойств разных форм графита. Тот же углерод может образовать обычный графит, из него созданы также алмазы, а в определенных своих модификациях тот же углерод превращается в графен. Все зависит от термодинамических условий, при которых одни и те же атомы образуют связь между собой разными способами.

НК: Расскажите, пожалуйста, в чем состоят трудности практического приложения этого материала?

РЯ: Несмотря на то, что теоретически графен был предсказан еще в 1947 году, в то время он не был разработан. Ученые в то время считали, что такой исключительно тонкий, двумерный материал не может существовать в природе по причине того, что он был бы нестабильным. Предполагалось, что в таком тонком состоянии графен будет распадаться под влиянием окружающей среды. Поэтому никто и не пытался его создать.

Однако в 2004 году графен был впервые изолирован при помощи обычной клейкой ленты, которую прижимали к обычному блоку графита. То, что оставалось на ленте, было один или два слоя графита, который приобретал уже совершенно другие, отличные от графита физические свойства. Это и есть графен.

с воспитанниками «Сириуса» встретился Андрей Гейм, лауреат Нобелевской премии по физике

В сентябре нобелевский лауреат Андрей Гейм, нидерландский и британский физик, получивший известность как один из разработчиков первого метода получения графена, рассказал школьникам о работе над своим открытием.    

«Сириус» посетил Андрей Гейм – обладатель самой престижной научной премии в мире. Гость (уроженец Сочи, окончивший факультет общей и прикладной физики Московского физико-технического института и получивший степень кандидата физико-математических наук в Институте физики твердого тела РАН) сейчас является профессором физики Манчестерского университета.

Нобелевской премией Андрей Гейм вместе со своим учеником, профессором Константином Новоселовым, был отмечен в 2010 году за открытие графена – сверхтонкого и крайне прочного материала, представляющего собой углеродную пленку толщиной в один атом. Миллиарды таких слоев образуют графит – тот самый, из которого получают грифели для карандашей. Тогда в возможность отделения слоев и получения сверхтонкого материала никто не верил.

Рассказывать о себе и своих успехах Андрей Константинович не очень любит – больше предпочитает общаться о науке. Поэтому и встреча с гостем была проведена в формате «Вопрос – ответ». Тем более, школьникам было о чем спросить знаменитого физика.

– Андрей Константинович, мы слышали, что, когда ученому звонят и сообщают, что он стал Нобелевским лауреатом, он не верит, поэтому на другом конце провода всегда есть еще один человек, готовый подтвердить, что это не розыгрыш. Это действительно так?

– По всей видимости, это действительно так, людям часто не верится, что их удостоили престижной премии. В моем же случае было не так. Когда много лет работаешь над каким-нибудь изобретением, и коллеги сулят тебе «Нобеля», то ты начинаешь надеяться и немного ожидать, поэтому не могу сказать, что это для меня было полной неожиданностью. Когда у меня дома раздался звонок и в трубке с ярко выраженным шведским акцентом сказали: «Это очень важный разговор, пожалуйста, не вешайте трубку!», то я спросил: «Вы что, хотите мне сообщить, что я получил Нобелевскую премию?» И действительно, меня переключили на представителя комитета, который подтвердил, что я стал лауреатом. Так что убеждать, что это настоящий звонок, а не шуточный, меня не пришлось.

– С чего начался ваш профессиональный путь как физика?

– Наверное, с того же, с чего и ваш, с увлечения любимым предметом в школе. Мне лучше всех остальных предметов давались математика, химия и физика. Не секрет, что мы больше всего концентрируемся на том предмете, который нам лучше всех дается. Так и у меня вышло. Физика, она большая, мне всегда было над чем работать.

– Какие ученые вас вдохновляли в вашей работе?

– Философский вопрос. Помню, когда учился на физтехе, кроме Эйнштейна, меня занимали такие выдающиеся советские ученые, как Королев, Капица. Последний удостоился Нобелевской премии за результаты своих исследований сверхтекучего гелия, с формулировкой «За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». В те времена Капица был очень влиятельным в научной среде человеком. И Ландау, конечно. Вся теоретическая физика построена на его исследованиях. Это все те люди, которые в институтские годы меня очень вдохновляли.

– Где на данный момент используется графен?

– Обычно после открытия материала требуются десятки лет, прежде чем он начнет широко использоваться в производстве. Графен – исключение из этого правила. Реально про его использование люди начали говорить 6-7 лет назад, когда стало понятно, что возможно его массовое производство. Мои коллеги нашли метод, как производить графен в тоннах и даже квадратных километрах.  На сегодняшний день графен в очень маленьком объеме добавляют в защитную краску, которой покрывают мосты или, например, корабли. Он используется в изготовлении теннисных ракеток, лыж, автомобильных покрытий. Лет через 5-10 мы, надеюсь, придумаем революционное решение применению графена. Это ведь тот класс материалов, который, безусловно, прочно закрепится на производственном рынке, нужно только время.

–   Как вы пришли к такому открытию, как долго велись ваши исследования?

– Где-то в 2003 году я решил, что нужно посмотреть, как ведут себя тонкие пленки графита. Изначально о графене я даже не задумывался, поскольку считалось, что двухмерных материалов существовать не может. После этого мы с моими коллегами начали делать транзисторы из графита все тоньше и тоньше и в конце концов поняли, что можем отделить один слой. Наша группа в Манчестерском университете состояла из 3-4 человек, и все переключились на новый эксперимент – получить один слой, отделенный от выше и ниже лежащих. В течение следующего года мы опубликовали 2-3 научных работы, затем в течение 3-4 лет мы продолжали исследования. В итоге у нас получилось отделить один слой от всех остальных, измерить его физические свойства и зафиксировать более-менее устойчивый результат. Все раскрутилось очень быстро, всего за несколько лет.  

– Вы стали первым в истории ученым, который получил как Нобелевскую, так и Шнобелевскую премию. Расскажите, за что вам ее присудили и какие эмоции в вас вызвала эта награда?

– Знаете, в чем разница между Нобелевской и Шнобелевской премией? От первой обычно не отказываются. Когда вам присуждают «Шнобеля», то звонят и спрашивают, готов ли лауреат ее принять. Если нет, то награда за научные достижения, «которые сначала вызывают смех, а затем заставляют задуматься», остается в секрете. Но у меня все хорошо с чувством юмора, и я, конечно же, согласился ее принять.  

Шнобелевскую премию я получил в 2000 году за работу по использованию магнитов для левитации лягушек. Результаты этого исследования я с моим коллегой Майклом Берри представил в статье «О летающих лягушках и левитронах», опубликованной в журнале European Journal of Physics.

Сначала я заставлял левитировать разные предметы, потом мне стало скучно, и я решил заставить полетать лягушку. Тогда это вызвало в научной среде небывалый интерес. К слову, меня до сих пор чаще узнают как ученого с лягушкой, а не с графеном. Это очень забавно.

– Какие направления в физике считаются сегодня наиболее перспективными?         

– Если бы кто-нибудь точно знал ответ на этот вопрос, то ученым было бы легче. Наука занятие очень прорывное, и то, что становится объектом большого внимания, как правило, во многом уже изучено. Самое интересное получается в там, где еще никто еще никто никогда не работал. Поэтому перспективными могут быть так называемые Blue skies research – исследования голубых небес (научные исследования в тех областях, где приложения «реального мира» проявляются не сразу). Когда у ученого появляется идеи «не из мира сего», это значит, что могут появиться важнейшие, революционные открытия.

– Много ли вы читаете и какие книги?

– Помню в вашем возрасте я читал очень много романов – всю классику советской и русской литературы. В мое время выходил журнал «Иностранная литература» – активно выписывал и читал его тоже. Потом, когда начинается профессиональная деятельность, начинаешь уже читать статьи в научных журналах, собираешь те крошки информации, которые тебе могут помочь в работе. Потом был период, когда я почти ничего не читал, кроме профильных материалов. Сейчас я по-прежнему читаю в день по несколько научных статей, но, когда я в полете, со мной могут быть разные книжки – например, боевики, которые помогают разрядить мозг.

Британия: нобелевский лауреат осудил закон об иммиграции

30 декабря 2012

Подпись к фото,

По словам профессора Гейма, при нынешних визовых правилах команда разработчиков графена просто не смогла бы собраться вместе

Лауреат Нобелевской премии по физике, выходец из России Андрей Гейм, обрушился с резкой критикой на иммиграционные правила, действующие с недавних пор в Великобритании.

Удостоенный вместе со своим коллегой по работе в Манчестерском университете Константином Новоселовым

рыцарского звания за научные достижения Гейм заявил, что в сегодняшней Британии достичь подобных успехов было бы невозможно.

Гейм назвал «очень глупой» новую иммиграционную политику британского правительства, нацеленную на ограничение притока квалифицированных мигрантов из-за пределов Европейского союза.

Профессор Манчестерского университета сэр Андрей Гейм, ведущий исследования в области нанотехнологий, стал одним из создателей революционного материала графен, использование которого в разных отраслях промышленности способно сделать британскую экономику более конкурентоспособной.

Наука под угрозой

В интервью газете Independent Гейм заявил, что новые ограничения на мигрантов из стран, не входящих в ЕС, — такие, как минимальный порог зарплаты в £31,000 в год и более жесткие визовые правила для студентов, — ставят преграду для выдающихся ученых, желающих работать в британских научных учреждениях.

Сэр Андрей Гейм предупредил, что введенный британскими властями в этом году более строгий контроль с целью сократить поток мигрантов с более чем 200 тыс. человек в год до «десятков тысяч» ставит под серьезную угрозу будущие завоевания Британии в области науки и технологий.

Ранее известные британские политические и общественные деятеля, включая мэра Лондона Бориса Джонсона и некоторых министров в правительстве страны, обращались к премьер-министру Дэвиду Кэмерону с призывом о «более обдуманном» подходе к вопросам миграции. В частности они предлагали не рапространять эти ежегодные лимиты на студентов.

Графен, который впервые был выделен в 2005 году Андреем Геймом и его командой ученых из России и Китая, — это двумерная кристаллическая решетка, состоящая из одинарного слоя атомов углерода, организованных подобно графиту. Графен практически невидим, однако при этом обладает невероятной прочностью, прекрасной тепло- и электропроводностью. Он также способен без проблем выдерживать воздействие высоких температур.

Считается, что новый материал способен кардинально преобразить дальнейшее развитие сенсорных экранов, сверхбыстрых микропроцессоров, тканей для одежды и даже способы производства энергии.

Британский министр финансов Джордж Осборн, с энтузиазмом воспринявший открытие, на прошлой неделе заявил о

выделении 21,5 млн фунтов стерлингов на развитие производства графена в стране. Как сказал министр, выделение ассигнований на эти цели поможет поставить Британию на передний фланг в области коммерческого применения этого научного достижения, что, по его словам, станет стимулом для активного роста британской экономики.

«Никакого смысла»

Говоря об иммиграции, сэр Андрей Гейм отметил: «Нам нужно проводить различие между хорошей и плохой иммиграцией — есть разница между иммигрантом, привозящим с собой семью из двадцати человек, не умеющих говорить по-английски, и выдающимся иностранным студентом».

«Большинство студентов и так не планируют оставаться в Британии. Остаются только порядка 10 процентов. Я даже не могу найти подходящих слов, чтобы выразить, насколько это глупо для правительства помещать иммигрантов и иностранных студентов в одну и ту же категорию. [Образование] это отрасль на миллиарды долларов, и прибытие иностранных студентов нужно только приветствовать», — цитирует Independent профессора Гейма.

Подпись к фото,

Британское правительство пытается сократить поток иммигрантов в страну

По его словам, введение требования по минимальному размеру зарплаты подрывает шансы студентов занять определенные позиции по окончании учебы. «Я не вижу в этом никакого смысла, поскольку в этой сфере и так достаточно ограничений», — говорит ученый.

В попытке сократить поток иммигрантов до «десятков тысяч» к 2015 году правительство Британии ввело ограничения, среди которых, например, более строгие тесты на знание английского языка, а также требования к работникам по минимальной зарплате от 31 до 49 тыс фунтов стерлингов в год.

Наблюдатели отмечают, что новые правила препятствуют приезду в страну квалифицированных работников, ученых, деятелей искусств. Лондонское королевское общество заявило, что по правительственной схеме, введенной в 2011 году с целью привлечения в Британию 1000 выдающихся ученых и деятелей искусств, в страну сумели приехать только 50 человек.

Лидер лейбористов Эд Милибэнд признал в этом месяце, что лейбористское правительство допустило ошибки в вопросе иммиграции, и заявил, что будущий кабинет под его руководством будет действовать жестче.

Британские власти также готовятся к шквалу критики, ожидаемому в 2014 году, когда перестанут действовать ограничения для жителей Болгарии и Румынии, вступивших в ЕС в 2007 году, и жители этих стран смогут свободно приезжать, чтобы жить и работать в Британии, даже не имея никаких навыков, квалификации и не владея языком.

Газета Independent приводит данные расчетов Института по изучению общественной политики (IPPR), согласно которым правительству, по всей видимости, не удастся достичь поставленной цели сокращения миграции до «десятков тысяч». По этим данным, поток мигрантов в 2013 году сократится до 140 тыс, но в 2014-м снова пойдет в рост, поскольку меньше студентов будут уезжать из страны.

Новые иммиграционные правила, уже вступившие в силу, гласят выводы IPPR, сильнее всего отразятся на визовом режиме для студентов, однако на иммиграцию в целом это, вероятно, произведет лишь краткосрочный эффект.

Графен и графит
— Графенея

– Атрибуты графена — прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость и способность к химическим реакциям с другими веществами — обладают потенциалом для развязывания новой технологической революции более великих масштабов, чем та, которая была начата электричеством в XIX веке и развитием Интернета в 1990-х. ”- LarrainVial

В самых общих чертах графен можно описать как отдельный слой обычно встречающегося минерального графита толщиной в один атом; графит состоит из сотен тысяч слоев графена.На самом деле структурный состав графита и графена, а также метод создания одного из другого немного отличаются.

Графит

Еще когда вы учились в школе, весьма вероятно, что вы встречали термин «грифель карандаша», относящийся к центральной сердцевине карандаша, способной наносить отметки на бумаге и других материалах. Фактически, это центральное ядро, которое чаще всего делается из графита, смешанного с глиной, вместо того, чтобы относиться к химическому элементу и тяжелому металлу, свинцу.Ошибка возникла, когда он был впервые обнаружен, и в этот момент, поскольку он представляет собой форму углерода и содержит аналогичный молекулярный состав с другими членами углеродной группы (хотя в первую очередь из-за визуального сходства), это считалось формой свинца.

Графит — это минерал, который естественным образом встречается в метаморфических породах на разных континентах мира, включая Азию, Южную Америку и некоторые части Северной Америки. Он образуется в результате восстановления осадочных углеродных соединений во время метаморфизма.Вопреки распространенному мнению, химические связи в графите на самом деле сильнее, чем в алмазе. Однако то, что определяет разницу в твердости этих двух соединений, — это структура решетки атомов углерода, содержащихся внутри; алмазы, содержащие связи трехмерной решетки, и графит, содержащий связи двумерной решетки (слои углеродных листов). Хотя в каждом слое графита атомы углерода содержат очень прочные связи, слои могут скользить друг по другу, делая графит более мягким и податливым материалом.

Обширные исследования на протяжении сотен лет доказали, что графит является впечатляющим минералом, демонстрирующим ряд выдающихся и превосходных свойств, включая его способность хорошо проводить электричество и тепло, обладать высочайшей естественной жесткостью и прочностью даже при температурах, превышающих 3600 градусов Цельсия, и также обладает высокой устойчивостью к химическому воздействию и самосмазыванием. Однако, хотя он был впервые обнаружен более тысячи лет назад и впервые назван в 1789 году, промышленности потребовалось время, чтобы полностью реализовать потенциал этого удивительного материала.

Графит — один из трех встречающихся в природе аллотропов углерода (другие — аморфный углерод и алмаз). Разница между тремя встречающимися в природе аллотропами заключается в структуре и связях атомов внутри аллотропов; алмаз имеет кристаллическую структуру алмазной решетки, графит имеет структуру сотовой решетки, а аморфный углерод (такой как уголь или сажа) не имеет кристаллической структуры.

Хотя существует множество различных форм углерода, графит имеет чрезвычайно высокое качество и является наиболее стабильным в стандартных условиях.Поэтому его обычно используют в термохимии как стандартное состояние для определения тепловыделения соединений, состоящих из углерода. В природе он встречается в трех различных формах: кристаллический чешуйчатый, аморфный и кусковой или прожилковый графит, и, в зависимости от его формы, используется для различных целей.

Как упоминалось ранее, графит имеет плоскую слоистую структуру; каждый слой состоит из атомов углерода, связанных вместе гексагональной решеткой. Эти связи, или ковалентные связи, как они более известны с технической точки зрения, чрезвычайно прочны, а атомы углерода разделены только 0.142 нм. Атомы углерода связаны между собой очень прочными sp2-гибридизированными связями в один слой атомов в двух измерениях. Каждый отдельный двумерный слой атомов углерода, связанных sp2-связями, толщиной в один атом в графите разделен на 0,335 нм. По сути, кристаллическая чешуйчатая форма графита, как упоминалось ранее, представляет собой просто сотни тысяч отдельных слоев связанных атомов углерода, уложенных вместе.

«« Атрибуты графена — прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость и способность к химическим реакциям с другими веществами — обладают потенциалом для развязывания новой технологической революции в более грандиозных масштабах, чем та, которая была начата. электричеством в XIX веке и развитием Интернета в 1990-х.»- LarrainVial»

»

Графен

Итак, графен — это, по сути, один слой графита; слой sp2-связанных атомов углерода, расположенных в сотовой (гексагональной) решетке. Однако графен обладает некоторыми впечатляющими свойствами, которые превосходят свойства графита, поскольку он изолирован от своего «исходного материала». Графит, естественно, является очень хрупким составом и не может использоваться как конструкционный материал сам по себе из-за его отвесных плоскостей (хотя он часто используется для армирования стали). С другой стороны, графен — самый прочный из когда-либо зарегистрированных материалов, он более чем в триста раз прочнее конструкционной стали A36, имеет плотность 130 гигапаскалей и более чем в 40 раз прочнее алмаза.

Из-за плоской структуры графита его тепловые, акустические и электронные свойства сильно анизотропны, а это означает, что фононы гораздо легче перемещаются по плоскостям, чем при попытке пройти через плоскости. С другой стороны, графен, представляющий собой один слой атомов и обладающий очень высокой подвижностью электронов, предлагает фантастические уровни электронной проводимости из-за наличия свободного пи (π) электрона для каждого атома углерода.

Рекомендуемые товары

GFET-S10
(размер матрицы 10 мм x 10 мм)
Для датчиков
380.00 $

Высококонцентрированный оксид графена (концентрация 2,5 мас.%)
440,00 $

Easy Transfer: однослойный графен на полимерной пленке
(1 см x 1 см)
80,00 $

Однако для реализации такого высокого уровня электронной проводимости необходимо легирование (электронами или дырками), чтобы преодолеть нулевую плотность состояний, которая может наблюдаться в точках Дирака графена. Было объяснено, что высокий уровень электронной проводимости связан с появлением квазичастиц; электроны, которые действуют так, как будто у них нет массы, как у фотонов, и могут путешествовать на относительно большие расстояния без рассеяния (отсюда эти электроны известны как безмассовые фермионы Дирака).

Создание или выделение графена

Есть несколько способов, которыми ученые могут производить графен. Первым успешным способом получения однослойного и многослойного графена было механическое расслоение (техника клейкой ленты). Тем не менее, многие исследовательские институты по всему миру в настоящее время стремятся найти лучший, наиболее эффективный и действенный способ производства высококачественного графена в больших масштабах, который также является экономичным и масштабируемым.

Наиболее распространенный способ создания однослойного или многослойного графена для ученых — это метод, известный как химическое осаждение из паровой фазы (CVD).Это метод, при котором атомы углерода извлекаются из источника, богатого углеродом, путем восстановления. Основная проблема этого метода — найти наиболее подходящую подложку для выращивания графеновых слоев, а также разработать эффективный способ удаления графеновых слоев с подложки без повреждения или изменения атомной структуры графена.

Другие методы создания графена: рост из твердого источника углерода (с использованием термоинженерии), обработка ультразвуком, разрезание открытых углеродных нанотрубок, восстановление диоксида углерода, а также восстановление оксида графита.Этот последний метод использования тепла (с помощью атомно-силового микроскопа или лазера) для восстановления оксида графита до графена в последнее время получил широкую огласку из-за минимальной стоимости производства. Однако качество производимого в настоящее время графена не соответствует теоретическому потенциалу, и для его совершенствования неизбежно потребуется некоторое время.

ЧЕМ НАСТОЯЩАЯ РАЗНИЦА МЕЖДУ ГРАФЕНОМ И ГРАФИТОМ?

По мере развития исследований и разработок мы располагаем множеством ультрасовременных материалов, которые имеют высокий потенциал для применения не только в современных отраслях, но и могут быть легко адаптированы для работы во многих других отраслях.

Графен и графит — два таких материала, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Хотя первое происходит от второго, в их характеристиках есть определенные отличия.

Что такое графит?

Графит — это природный минерал, который состоит из нескольких слоев одноплоскостных атомов углерода. Сегодня это чаще всего используется при изготовлении грифеля для карандашей после смешивания его с глиной.Ранее его ошибочно принимали за свинец, поскольку он имеет несколько общих черт в их атомной структуре, которая совпадает с другими группами углерода.

Графит естественным образом встречается в метаморфических породах на большинстве континентов, включая Южную Америку, Азию и некоторые районы Северной Америки. Графит образуется при восстановлении осадочного углеродного соединения в результате метаморфизма. К удивлению, химическая связь между атомами углерода в графите оказалась значительно прочнее, чем в алмазе.

Свойства графита

Обширные исследования, проведенные с прошлого века, привели к обнаружению превосходных свойств графита. Он имеет:

• Эффективная электропроводность
• Отличная теплопроводность
• Самая высокая естественная жесткость
• Впечатляющая прочность
• Может работать при температуре выше 3600 ° C
• Эффективно устойчив к химическим реакциям
• Самосмазывающийся

Графит известен как одна из самых прочных и жестких форм углеродного компаунда и сегодня имеет множество применений.

Что такое графен?

Графен — еще одна превосходная форма соединения углерода. Он уникален тем, что образован однослойным решетчатым слоем атомов углерода. Атомы углерода делят свой электрон с 5 другими атомами углерода в единственной плоскости, образуя гексагональную сотовую структуру.

Свойства графена

После выделения графена из исходного минерала он проявляет отличительные свойства. Листы графена оказались впечатляюще прочными, и этот материал считается одним из самых прочных материалов, известных человеку.По сравнению со структурой из стандартной стали A36, графен чрезвычайно прочен. Его прочность составляет 130 гигапаскалей, что делает его более чем в 40 раз прочнее, чем даже алмаз.

Графен имеет отличные свойства электропроводности, так как на каждый атом углерода приходится пи электрона.

В целом, графен значительно превосходит графит и даже стандартную конструкционную сталь. Превосходные тепло- и электропроводящие свойства этого материала делают его отличным заменителем многих обычных компонентов батареи.

Techinstro был ведущим поставщиком графена в Индии. Компания экспортирует высококачественный графен в различных формах для множества приложений клиентам по всему миру.

Разница между графитом и графеном

6 июля 2018 г. Автор: Мадху

Ключевое отличие между графитом и графеном состоит в том, что графит представляет собой аллотроп углерода, имеющий большое количество углеродных листов, тогда как графен представляет собой один углеродный лист графита.

Графит — хорошо известный аллотроп углерода. Более того, мы рассматриваем его как полуметалл, и он имеет слоистую структуру с несколькими слоями углерода, которые хорошо уложены друг на друга. Один слой из этих слоев представляет собой лист графена. Лист графена считается наночастицей по своим размерам.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое графит
3. Что такое графен
4. Сравнение бок о бок — графит и графен в табличной форме
5.Резюме

Что такое графит?

Графит — это стабильный аллотроп углерода, имеющий кристаллическую структуру и форму угля. И мы считаем его исконным минералом. Самородный минерал — это элемент, который встречается в природе без объединения с другими элементами. Кроме того, это наиболее стабильная форма углерода, встречающаяся при стандартных условиях. Единственная повторяющаяся единица этого аллотропа — углерод (C). Он имеет гексагональную кристаллическую систему. Этот аллотроп имеет цвет от черного железа до серо-стального и имеет металлический блеск.Однако цвет полос этого минерала черный (цвет, который проявляется в его мелкодисперсном порошке).

Рисунок 01: Графит

Мы называем решетчатую структуру этого аллотропа сотовой решеткой. Листы графена разделены на расстояние 0,335 нм. В структуре решетки атомы углерода разделены на расстояние 0,142 нм. Атомы углерода связаны друг с другом ковалентными связями, причем один атом углерода имеет три ковалентные связи вокруг себя. Поскольку валентность углерода равна 4, в каждом атоме углерода этой структуры есть четвертый незанятый электрон.Следовательно, он может свободно перемещаться, делая графит электропроводящим. Природный графит используется в огнеупорах, батареях, сталеплавильном производстве, расширенном графите, тормозных накладках, литейных покрытиях и смазках.

Что такое графен?

Графен — это один слой из множества слоев графита. Это полуметалл. Этот лист содержит один слой атомов углерода в плоской структуре. Каждый атом углерода имеет три ковалентные связи вокруг себя. Мы называем это гексагональной решетчатой ​​структурой.В отличие от графита, графен обладает множеством необычных свойств. Самое главное, что это самый прочный материал, который когда-либо тестировался. Он может эффективно проводить тепло и электричество. это соединение почти прозрачное.

Рисунок 02: Графеновый лист

Он имеет больший диамагнетизм, чем графит. Листы графена считаются наночастицами в соответствии с размерами (ширина листа находится в диапазоне от 1 до 100 нм). Атомы углерода этого листа имеют четыре связи, включая три сигма-связи вокруг атома углерода и одну пи-связь, ориентированную вне плоскости.Основное применение этих листов — производство углеродных нанотрубок.

В чем разница между графитом и графеном?

Графит — это стабильный аллотроп углерода, имеющий кристаллическую структуру и форму угля. Он имеет большое количество углеродных листов. Он хрупкий. Более того, атомы углерода графита связаны друг с другом ковалентными связями, один атом углерода имеет три ковалентные связи вокруг него, и имеется свободный электрон. Графен — это единственный слой из множества слоев графита.В отличие от графита, это цельный углеродный лист. Кроме того, это самый прочный материал, который когда-либо тестировался. Кроме того, этот углеродный лист имеет четыре связи, включая три сигма-связи вокруг атома углерода и одну пи-связь, ориентированную вне плоскости. Это основные различия между графитом и графеном.

Резюме — Графит против графена

Графит и графен — очень важные углеродсодержащие материалы, связанные друг с другом. Разница между графитом и графеном заключается в том, что графит представляет собой аллотроп углерода, имеющий большое количество углеродных листов, тогда как графен представляет собой один углеродный лист графита.

Артикул:

1. «Графит». Википедия, Фонд Викимедиа, 5 июля 2018 г. Доступно здесь
2. «Графен». Википедия, Фонд Викимедиа, 3 июля 2018 г. Доступно здесь

Изображение предоставлено:

1.’Graphite-233436’By Rob Lavinsky (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia
2.’Graphene-3D-balls’By Jynto (обсуждение) — собственная работа (CC0) через Commons Wikimedia

Графит и графен — Graphene Leaders Canada

Графен (2D строительный блок графита) представляет собой однослойный слой атомов углерода с sp2-связями в гексагональной решетке; его обычно называют однослойным графеном.Все свойства, которые делают графит превосходным материалом для покрытий, смазок и композитов, являются результатом связывания в основном структурном строительном блоке — графене. Хотя этот материал можно рассматривать как отдельные атомарно тонкие листы графита, изменения свойств материала происходят по мере того, как он становится тоньше. Например, графен — самый прочный из когда-либо измеренных материалов с пределом прочности на разрыв 130 ГПа. Это полупроводник с нулевой запрещенной зоной и исключительно высокой подвижностью электронов, практически не зависящей от температуры.Графен имеет очень низкую плотность и очень большую площадь поверхности с теоретическим максимумом 2630 м2 / г, что означает, что его можно легко использовать для производства очень легких пен с очень большой площадью поверхности для эффективного удаления масел из воды. Даже смазывающие свойства графена улучшены по сравнению с графитом с графеновыми нанопластинками, что обеспечивает исключительную производительность скольжения листа, когда количество слоев уменьшается до менее 3. Благодаря наноразмерному размеру графена и значимости улучшений его свойств по сравнению с графитом при GLC мы сосредоточили наши разработки на использовании графена в качестве добавки к существующим материалам для улучшения любого количества свойств, от прочности, износостойкости и коррозионной стойкости до улучшения смазывающей способности и гидрофобности.

За последние несколько десятилетий углерод получил плохую репутацию из-за того, что сразу же ассоциируется с изменением климата. Важно помнить, что углекислый газ — не единственная форма углерода. Углерод является исключительно универсальным элементом с 9 возможными степенями окисления и способностью образовывать прочные связи с большим количеством других атомов. Эта универсальность не только приводит к физической возможности углерода в форме CO2, но также позволяет ему выполнять очень необычные вещи, в том числе ответственность за жизнь, топливо многих различных форм, пластмассы, пищу, которую мы едим, и, в последнее время, нашла свой путь в электронную промышленность благодаря целому ряду полимеров и углеродных аллотропов, которые делают возможными такие вещи, как гибкая печатная электроника и очень компактные батареи.Вот где углерод становится очень интересным.

Аллотропы углерода обладают одними из самых полезных свойств материала среди любого материала, поэтому две Нобелевские премии были присуждены за открытие новейших аллотропов углерода для фуллеренов и графена. Графен является особенно ярким примером того, на что способен один только углерод, поскольку он состоит из идеально двумерных атомных слоев атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, в которой каждый атом углерода связан с 3 другими атомами углерода, в отличие от другого знакомого аллотропа углерода. ; алмаз, где каждый составляющий атом связан с 4 другими атомами углерода, придавая ему трехмерную структуру.Именно это соединение придает графену невероятные свойства, такие как проводимость, но также способствует рекордной прочности, гибкости, смазываемости и химической стойкости, что делает этот материал чрезвычайно полезным во множестве приложений, не ограничиваясь использованием проводимости, но с точки зрения обладает очень основными физическими свойствами, что делает его очень мощным исходным материалом для покрытий и обработки воды.

Теоретически графен не нов, так как он является основным структурным строительным блоком графита, и считалось, что он существует почти 100 лет, когда слоистая структура графита была впервые обнаружена и опубликована Джоном Десмондом Берналом в 1924 году.Однако только в 2004 году лауреаты Нобелевской премии Константин Новоселов и Андре Гейм не только изолировали то, что до этого момента считалось невозможным, но и продемонстрировали металлическую проводимость на расстояниях менее 1 микрона. Эта работа помогла продвинуть графен как чудо-наноматериал; невероятно тонкий материал (<3 нм) с необычными свойствами в наномасштабе. Именно благодаря этой работе компании, производящие графен, начали использовать свойства графена как тонкой пленки как таковой или как наноразмерную добавку, которая улучшает свойства существующих материалов, такие как проводимость как электрической, так и тепловой энергии, химической и УФ-излучения. сопротивление, барьерные свойства, смазывающая способность и прочность.Потенциал графена безграничен, и коммерческие разработки улучшенных графеном решений находят свой путь на рынок, и крупномасштабная коммерциализация теперь явно не за горами.

Графен: структура и форма | Graphene-Info

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода. Он состоит из атомов углерода, расположенных в форме шестиугольника, который, можно сказать, напоминает проволочную сетку.

Один слой атомов углерода, расположенный в такой сотовой структуре, образует единый лист графена.Несколько листов, уложенных друг на друга, считаются многослойным графеном, вплоть до того момента, когда материал становится графитом (обычно более 30 слоев, хотя четкая стандартизация в настоящее время сильно отсутствует). Графит, трехмерный кристалл, состоящий из слабо связанных слоев графена, является относительно распространенным материалом, который используется в наконечниках карандашей, батареях и многом другом.

В графене каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими атомами углерода. Благодаря прочности ковалентных связей между атомами углерода графен может похвастаться большой стабильностью и очень высокой прочностью на разрыв (силой, с которой вы можете растянуть что-либо, прежде чем оно сломается).Поскольку графен плоский, каждый атом находится на поверхности и доступен с обеих сторон, поэтому взаимодействие с окружающими молекулами больше. Кроме того, атомы углерода связаны только с тремя другими атомами, хотя они могут связываться с четвертым атомом. Эта способность в сочетании с вышеупомянутой прочностью на разрыв и высоким отношением площади поверхности к объему графена может сделать его привлекательным для использования в композитных материалах. Графен также обладает более высокой подвижностью электронов, чем любой известный материал, и исследователи разрабатывают методы использования этого свойства в электронике.

Используя графен, когда-нибудь станет возможным изготавливать транзисторы и другие электронные устройства, которые будут намного тоньше, чем устройства, сделанные из традиционных материалов, и это только один пример потенциала графена в области электроники. Поскольку графен электропроводный, прозрачный, прочный и гибкий, он также может быть привлекательным материалом для использования в сенсорных экранах. Графен также обладает очень высокой теплопроводностью, поэтому его можно использовать для отвода тепла от электронных схем.

Графен как основа других углеродных структур

Графен может быть исходной формой для многих углеродных структур, таких как вышеупомянутый графит, углеродные нанотрубки (которые можно рассматривать как свернутые листы графена, сформированные в трубки) и букиболов. (сферические структуры с каркасной структурой из графена только с заменой некоторых шестиугольных колец на пятиугольные).

Графен — один из первых и самых известных примеров двумерного кристалла.Двумерные материалы и системы во многом принципиально отличаются от трехмерных. Графен можно использовать в качестве модельной системы для изучения двумерной физики и химии в целом, и поэтому он вызывает большой академический интерес с момента его выделения в 2004 году. Также считается, что он имеет огромный потенциал для множества приложений, таких как следующие. gen аккумуляторы, датчики, солнечные элементы и многое другое — благодаря широкому спектру свойств, некоторые из которых уже упоминались в этой статье, например, отличная электрическая и теплопроводность, механическая прочность, уникальные оптические свойства и многое другое.

Графит против графена — в чем разница?

В чем разница между Карбином и Графеном

Графен представляет собой плоский лист толщиной один атом
sp2-связанные атомы углерода.Графен
является основным структурным элементом некоторых углеродных аллотропов
в том числе графит ,
углерода
нанотрубки и фуллеренов.
Нобелевская премия по физике за 2010 г. присуждена Андре Гейму.
и Константину Новоселову «за новаторские эксперименты по
двумерный материал графен ».
описание графена см. наш графен
Страница молекулы 3D.

Карбин
(Линейный ацетиленовый углерод) в последнее время был в новостях, поскольку
структура, которая, возможно, является самым прочным материалом в мире
у этого есть большой потенциал, если кто-то сможет сделать это оптом. Карбин
в основном представляет собой цепочку из одиночных атомов углерода, но имеющую два
прочность на разрыв графена, и в три раза больше прочности на разрыв
жесткость алмаза (1,2). Химическая структура повторяется
цепь с чередующимися одинарными и тройными связями —…Потому что
это просто одна цепочка молекул, которую часто называют
как «одномерная» структура.

или
последовательные двойные облигации

Физический
Свойства графена и карбина

Графен —

1 — графен великолепен
дирижер; электроны могут проходить через графен больше
легче, чем через даже медь.

2 — Графены рядом с
идеальная кристаллическая решетка, ограничивая электроны только
в двух измерениях, они демонстрируют «аномальный квантовый эффект Холла»
и «туннелирование Клейна». (3)

3 — графен тверже
чем алмаз и примерно в 300 раз тверже стали.

4 — Вы можете растягиваться
графен до 20% от его исходной длины.Ожидается, что
механические свойства графенов найдут применение в
создание нового поколения сверхпрочных композитных материалов
и в сочетании с его оптическими свойствами, делая гибкие
отображает.

5 — Графен, несмотря на
являясь самым тонким материалом из когда-либо созданных, он все еще виден
невооруженным глазом. Он поглощает 2,3% проходящего света
через него, что достаточно, чтобы вы могли видеть его в воздухе.

Карбин
—

1 — Карбин
гибкость где-то между типичным полимером
и двухцепочечная ДНК. А при скручивании может либо вращаться
свободно или становятся жесткими на кручение в зависимости от химического вещества
группа, прикрепленная к его концу. (2)

2 — Меньше
соответствующее окончание, карбин может быть превращен в магнитный
состояние полупроводника при механическом скручивании.

3 — Карбин
цепи могут принимать побочные молекулы, которые могут образовывать цепи
подходит для хранения энергии.

4 — Карбин может быть самым высоким энергетическим состоянием
для стабильного углерода.

5 — Если оборудован молекулярными ручками на
концы, его также можно скрутить, чтобы изменить ширину запрещенной зоны. С
поворот на 90 градусов из конца в конец превращает его в магнитный полупроводник.

6 — карбин
может приобретать связи с боковыми цепями, и эти химические связи
может быть сделан и сломан для хранения и высвобождения энергии.

7—
Растяжение или скручивание карбина изменяет его электронные свойства.

.Источник:
см. аннотацию ниже (Университет Райса. Физик-теоретик
Борис Якобсон).

Список литературы
и чтения

1-карбин
из первых принципов: цепочка атомов углерода, наностержень или наноропа
-Университет Райса.