Jaka jest różnica między grafenem a grafitem?

Niezwykły pierwiastek chemiczny, węgiel, dogodnie znajduje się pod numerem 6 w czternastej grupie drugiego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych. Od czasów starożytnych ludzie znali diament i grafit, dwie z ponad dziewięciu odkrytych do tej pory odmian alotropowych tego pierwiastka. Nawiasem mówiąc, to węgiel ma największą, w porównaniu z innymi substancjami, liczbę modyfikacji alotropowych znanych współczesnej nauce.

Alotropia oznacza możliwość istnienia w przyrodzie tego samego pierwiastka chemicznego w postaci dwóch lub więcej prostych substancji, tzw. form alotropowych lub modyfikacji alotropowych, które powodują różnice w tych substancjach zarówno pod względem struktury, jak i właściwości. Tak więc węgiel ma 8 takich podstawowych form: diament, grafit, lonsdaleit, fulereny (C60, C540 i C70), węgiel amorficzny i jednościenne nanorurki.

Wśród tych form węgla występują zupełnie inne właściwości i charakter: miękkie i twarde, przezroczyste i nieprzezroczyste, tanie i drogie substancje. Porównajmy jednak dwie podobne modyfikacje węgla — grafit i grafen.

Wszyscy znamy graffiti od czasów szkolnych.Ołów zwykłego ołówka jest dokładnie grafitowy. Jest dość miękki, śliski i tłusty w dotyku, kryształy to płytki, warstwy atomów są ułożone jedna nad drugą, dlatego przy pocieraniu np. o papier poszczególne płatki warstwowej struktury krystalicznej grafitu łatwo się odklejają , pozostawiając na papierze charakterystyczny ciemny ślad.

Grafit dobrze przewodzi prąd elektryczny, jego rezystancja wynosi średnio 11 Ohm * mm2 / m, ale przewodność grafitu nie jest taka sama ze względu na naturalną anizotropię jego kryształów. Zatem przewodnictwo wzdłuż płaszczyzn kryształu jest setki razy większe niż przewodnictwo w tych płaszczyznach. Gęstość grafitu wynosi od 2,08 do 2,23 g/cm3.

W naturze grafit powstaje w wysokich temperaturach w skałach magmowych i wulkanicznych, w skarnach i pegmatytach. Występuje w żyłach kwarcu z minerałami w hydrotermalnych średniotemperaturowych złożach polimetalicznych. Jest szeroko rozpowszechniony w skałach metamorficznych.

I tak od 1907 roku na wyspie Madagaskar powstały największe na świecie rezerwy naturalnego grafitu płatkowego. Wyspa składa się z prekambryjskich skał metamorficznych, które wznoszą się na powierzchnię w górzystym terenie z hipsometrycznymi śladami 4000-4600 stóp. Grafit występuje tutaj w pasie o długości 400 mil i dominuje w górach we wschodniej części centrum wyspy.

Grafen, w przeciwieństwie do grafitu, nie ma objętościowej struktury krystalicznej; ma dwuwymiarową sześciokątną sieć krystaliczną o grubości tylko jednego atomu. W takiej modyfikacji alotropowej węgiel w ogóle nie występuje naturalnie, ale teoretycznie można go uzyskać sztucznie. Można powiedzieć, że płaszczyzna celowo oddzielona od wielowarstwowej objętościowej struktury krystalicznej grafitu będzie właśnie tym grafenem.

Naukowcom początkowo nie udało się uzyskać grafenu w postaci prostej dwuwymiarowej błony, ze względu na niestabilność materii w tej formie. Jednak na podłożu z tlenku krzemu (ze względu na wiązanie z warstwą dielektryczną) nadal można było uzyskać grafen o grubości jednego atomu: w 2004 roku rosyjscy naukowcy Andrey Geim i Konstantin Novoselov z University of Manchester opublikowali raport w Science na otrzymywanie grafenu w ten sposób.

I nawet dzisiaj takie proste metody pozyskiwania grafenu do badań, jak mechaniczne złuszczanie monowarstwy węglowej z masywnego kryształu grafitu za pomocą taśmy samoprzylepnej (i podobnych metod), mają swoje uzasadnienie.

Naukowcy są przekonani, że dzięki ich postępom wkrótce pojawi się nowa klasa nanoelektroniki opartej na grafenie, w której tranzystory polowe będą miały grubość mniejszą niż 10 nm. Faktem jest, że ruchliwość elektronów w grafenie jest tak wysoka (10 000 cm2/V*s), że wydaje się on być dziś najbardziej obiecującą alternatywą dla konwencjonalnego krzemu.

Wysoka ruchliwość nośników to zdolność elektronów i dziur do niezwykle szybkiego reagowania na działanie przyłożonych pól elektrycznych, a to jest niezwykle istotne w przypadku tranzystorów polowych, podstawowych jednostek operacyjnych współczesnej elektroniki.

Perspektywy są również na tworzenie różnych sensorów biologicznych i chemicznych, a także cienkich warstw do urządzeń fotowoltaicznych i ekranów dotykowych. Mimo to przewodność cieplna grafenu jest 10 razy wyższa niż miedzi, a to kryterium jest zawsze bardzo ważne w elektronice.