Grafen i tlenek grafenu- właściwości i zastosowania

Hespe • 2013-09-11, 17:15

Witam wszystkich sadoli. To jest mój pierwszy temat na tym portalu i będzie poświęcony nauce, niektórych z was zapewne to zainteresuje, bo temat jest związany z materiałem przyszłości- czyli już sławnym grafenem.
Jest to o tyle fajny temat, bo może zainteresować ludzi, którzy zajmują się różnymi gałęziami przemysłu i nauki, poczynając od typowej chemii czy fizyki, kończąc na dziedzinach zajmującymi się badaniem wytrzymałości materiałów, lub konstrukcją ogniw fotowoltaicznych. Żadna nauka się oczywiście tutaj nie wyklucza, ale każdego może zainteresować coś innego. Jedna osoba może podziwiać strukturę powierzchni grafenu, a ktoś inny może być zainteresowany jedynie właściwościami mechanicznymi tego materiału.

No ale zacznijmy od początku.

Co to w ogóle jest ten grafen??
Jest to struktura atomów węgla tworzących heksagonalne pierścienie. (w literaturze naukowej często można się spotkać z terminem "plaster miodu") Ma ona grubość UWAGA jednego atomu, a więc przyjęło się, ze jest to materiał 2D! A więc jak się domyślacie jest to najcieńszy materiał na świecie.

Niektórzy z was może wiedzą, że grafen jest swego rodzaju pochodną popularnego i bardzo powszechnego grafitu. Grafit to nic innego jak nałożone na siebie warstwy grafenowe

Ale co jest takiego w nim niezwykłego oprócz unikalnej struktury?
Jego przezroczystość i niesamowite przewodnictwo (zarówno cieplne jak i elektryczne) stanowi świetne podłoże do produkcji ekranów dotykowych, baterii nowej generacji, które są w stanie naładować się w przeciągu kilku sekund, czy też do ogniw fotowoltaicznych.

Co więcej! Grafen jest 100-300 razy mocniejszy niż stal (różne źródła różnie podają) i wykazuje się również wysoką elastycznością a jako domieszka do metali np. miedzi zwiększa jej wytrzymałość o kilkaset razy używając zaledwie 0.0004% masowych tej substancji.

Ten cudowny materiał odznacza się również znakomitą ruchliwością elektronów, zdecydowanie przewyższa on materiały takie jak chociażby krzem. Elektrony w grafenie poruszają się z prędkością umożliwiającą badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku. Dzięki niemu już w niewielkiej przyszłości będzie można konstruować procesory z olbrzymią mocą obliczeniową, a jako dodatek do tworzyw sztucznych może je przekształcić w przewodniki elektryczności.

Czujniki zbudowane na bazie grafenu mają ultra wysoką czułość, dzięki nim jest możliwe wykrycie pojedynczej szkodliwej cząsteczki.

Jest jednak jedna przeszkoda- synteza.
Do jeszcze niedawna 1 centymetr kwadratowy ~jednoatomowej warstwy kosztował 100 MILIONÓW DOLARÓW. Na szczęście cena po bardzo krótkim czasie dramatycznie spadła. Nie pamiętam już ile dokładnie teraz kosztuje, ale jak ktoś bardzo chce wiedzieć to na pewno znajdzie gdzieś w internecie.

Politechnika Warszawska może się poszczycić znakomitymi osiągnięciami w dziedzinie badania grafenu (ITM) W tym momencie jest w czołówce światowej. Zachęcam do przesłuchania tego materiału

(Znajdziecie tutaj również pewną informację na temat otrzymywania grafenu)

I jeszcze kilka interesujących filmików

No i jeszcze zamierzam wam przedstawić to czym aktualnie się zajmuję na uczelni. Mianowicie tlenkiem grafenu (GO- graphene oxide) Akurat na jego temat wiem trochę więcej i mógłbym pisać na ten temat całe godziny, ale ograniczę się

Dlaczego w ogóle się tym zająłem?
GO jest to forma grafenu, który ma "przyczepione" do swojej struktury grupy tlenowe, takie jak karboksylowe, epoksydowe i hydroksylowe. W przeciwieństwie do zwykłego grafenu jest zdecydowanie bardziej podatny na modyfikacje (na których nam akurat zależy) Są to modyfikacje w plazmie niskotemperaturowej, polegające po prostu na utlenianiu i redukowaniu tego materiału- przez co POWINIEN nabierać nieco innych właściwości.

Na razie jestem na etapie syntezy metodą tzw Hummersa. Jest to otrzymywanie chemiczne (czysty grafen otrzymuje się raczej jedynie metodami fizycznymi) polegające na zwykłej reakcji redoks. Na pierwszy rzut oka reakcja może nie wydawać się trudna dla doświadczonego chemika, ale mimo wszystko mi i jednemu z doktorantów przysporzyła kilku problemów związanych z produkcją. Na szczęście już sobie poradziliśmy i jesteśmy na etapie analizy powierzchni GO.
Problemy związane z syntezą to:

-Utrzymywanie odpowiednich warunków reakcji
-Likwidacja zanieczyszczeń (zbędne produkty reakcji)
-Przesączenie docelowego produktu i zneutralizowanie pH do ok 7

Co chcemy tak naprawdę uzyskać? Tlenek grafenu może nie jest tak niesamowity jak czysty grafen, ale również otwiera wiele bram na badania i wykorzystanie go w przemyśle. Przede wszystkim chcemy sprawdzić na początku jak będzie się zachowywał jako napełniacz do gum jak NBR, czy SBR.

To tak apropo grafenu i tym czym się zajmuje. Może kogoś z was sadole, którzy zajmują się tym tematem, bądź też myślą o jakimś projektem na uczelni to zainteresuje. W razie czego służę pomocą

Proszę o przeniesienie posta do porpawnego działu, coś poszło nie tak i wstawiłem nie tam gdzie trzeba.

FS...........5e

2013-09-11, 18:03

Za dużo hajsu jest w krzemie, w najbliższym czasie raczej to się nie zmieni.

Hespe

2013-09-11, 18:36

1

Może faktycznie- do powszechnego użytku to nie opłaca się korporacjom inwestować w grafen, ale są takie dziedziny technologii, które na koszta nie patrzą- spójrzmy chociaż na konstrukcje, które są narażone na bardzo trudne warunki, czy też przemysł zbrojeniowy.

Dzikiwaz

2013-09-12, 00:10

2

Dobra, a teraz jako osoba siedząca w temacie teorii ciała stałego powymądrzam się. Nie grafen ani jego tlenek jest przyszłością elektroniki wysokich temperatur i częstotliwości, czy przemysłu wykorzystującego wytrzymałe materiały. Autor nie wspomina, że korzystne właściwości elektryczne są dla grafenu w określonym przedziale temperatur. Grafen rodzi ze sobą kilka problemów jak bardzo kosztowna produkcja oraz zjawiska fizyczne oraz sama budowa, niewytłumaczalne na podstawie obecnej wiedzy. Nawet struktura 2D grafenu nie ma słuszności według dowodów fizycznych, a model bazujący na pofalowaniu powierzchni jest tylko domysłem. Jak chcemy efektywnie tworzyć i wykorzystywać coś, co nie wiemy jak działa? Materiałem przyszłości, przynajmniej tej najbliższej będzie węglik krzemu (SiC) w m. in. strukturach 4H-SiC i 6H-SiC, gdzie struktura 4H-SiC w połączeniu z GaN i AlN daje zbliżone do grafenu właściwości elektryczne, przy czym materiał ten jest tańszy w produkcji. Z tego co mi wiadomo nad tym rozwiązaniem pracują w naszym kraju na Uniwersytetach Warszawskim, Wrocławskim i Rzeszowskim. Dodam również, że ośrodkiem badawczym, który otrzymał dotacje na opracowanie przemysłowej metody produkcji grafenu są tarnowskie Azoty. Znając ten zakład o pięknej historii będziemy czekać z jakieś 100 lat jak na coś wpadną, bo samo 10 lat zajmie obsadzanie stołków przez znajomków, począwszy od dyrektorów, skończywszy na laborantach. Bardzo ciekawym rozwiązaniem dla grafenu był model lasera strojonego, który mógł pracować w ogromnych częstotliwościach, z lepszymi parametrami niż dzisiejsze odpowiedniki. Dawałby on możliwość tworzenia sieci światłowodowej pracującej z jeszcze większą szybkością i częstotliwością. Problemem wtedy stają się odbiorniki, które musiałyby nadążyć za tak szybkim nadajnikiem - czyli dalej największym ograniczeniem sieci światłowodowych są przyrządy optoelektroniczne.

Hespe

2013-09-12, 13:20

Hmmm, może i masz racje, ale nie zapominaj o kompozytach jakie można tworzyć z grafenem, czy tlenkiem grafenu. Tak samo jak w domieszkach do betonów. Masz beton który jest mieszaniną związków wapnia krzemu i takich tam... Tak samo domieszka może być związkiem organicznym bądź nieorganicznym, która po wprowadzeniu do najczęściej betonu w stanie jeszcze płynnym (choć nie koniecznie) zmienia jego właściwości, niektóre w olbrzymim stopniu, a niektóre w mniejszym, czy też tylko wizualnym. Tak samo z grafenem i tlenkiem grafenu. Nie znam się jeszcze na fizyce ciała stałego (nie przerabiałem tego, ani szczerze mówiąc nie zainteresowałem się tym jakoś bardzo) dlatego muszę ci tutaj zaufać. Jednakże analogicznie do betonu- tlenek grafenu, czy sam czysty grafen może diametralnie zmieniać właściwości różnych tworzyw, czy to opartych na polimerach, czy zwykłych metali i ich tlenków. Nie widziałem sensu w tworzeniu tematu, który jest przeznaczony jedynie dla ludzi w tym siedzących, ale również dla zwykłego człowieka, którego może to zainteresować

Mimo to muszę przyznać, że mnie trochę zaskoczyłeś i szczerze, to miałem nadzieję, że ktoś napisze coś takiego jak ty, bo czułem, że to nie jest takie kolorowe

Zachęcam do przeczytania publikacji związanych z nanokompozytami opartymi o grafen, czy GO

ko...........ca

2013-09-12, 14:06

ja słyszałem że tym sie interesują już chińczyki . Ciekawe czy wykupili już patent - oby nie