Grafénkémia

Grafén, a kristályos szén kétdimenziós formája, akár egyrétegű szénatomot képezve, egy méhsejt (hatszögletű) rácsot képezve, vagy ennek a méhsejt szerkezetnek több kapcsolt rétege. A grafén szó a forma meghatározása nélkül (pl. Kétrétegű grafén, többrétegű grafén) kifejezésen általában egyrétegű grafénre utal. A grafén a szén összes grafikus struktúrájának szülő alakja: grafit, amely egy háromdimenziós kristály, amely viszonylag gyengén kapcsolt grafén rétegekből áll; nanocsövek, amelyek grafén tekercsekként is megjeleníthetők; és övcsatornák, gömb alakú molekulák, amelyek grafénből készültek, néhány hatszögletű gyűrűvel ötszögletű gyűrűkkel helyettesítve.

A grafén első tanulmányai

A grafén elméleti tanulmányozását 1947-ben kezdte Philip R. Wallace fizikus, a grafit elektronikus szerkezetének megértésének első lépéseként. A grafén kifejezést Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton és Eberhard Stumpp vegyészek 1986-ban vezették be a grafit szó kombinációjaként, utalva a szénre annak rendezett kristályos formájában, és az-utótag, amely olyan policiklusos aromás szénhidrogénekre utal, amelyben a szénatomok hatszögletű vagy hatoldalú gyűrűs struktúrákat alkotnak.

2004-ben a Manchesteri Egyetem fizikusai, Konstantin Novoselov és Andre Geim és munkatársai egyrétegű grafént izoláltak egy rendkívül egyszerű módszerrel, a grafitból történő hámlasztás céljából. A „scotch-tape módszer” ragasztószalaggal használták fel a felső rétegeket a grafitmintából, majd a rétegeket felvitték egy hordozóra. A szalag eltávolításakor néhány grafén maradt az aljzaton egyrétegű formában. Valójában a grafén származtatása önmagában nem nehéz feladat; minden alkalommal, amikor valaki ceruzával rajzol papírra, a ceruza nyoma kis része egyrétegű és többrétegű grafént tartalmaz. A Manchester csoport eredménye nem csak a grafénpehely izolálása volt, hanem annak fizikai tulajdonságainak tanulmányozása is. Különösen bebizonyították, hogy a grafén elektronjai nagyon nagy mobilitással bírnak, ami azt jelenti, hogy a grafén valószínűleg felhasználható elektronikus alkalmazásokban. 2010-ben munkájáért Geim és Novoselov Nobel-fizikai díjat kapott.

Ezekben az első kísérletekben a grafén hordozója szilikon volt, amelyet természetesen egy vékony átlátszó szilícium-dioxid-réteg borított. Kiderült, hogy az egyrétegű grafén optikai kontrasztot hozott létre a szilícium-dioxiddal, amely elég erős ahhoz, hogy a grafén láthatóvá váljon a szokásos optikai mikroszkóp alatt. Ennek a láthatóságnak két oka van. Először, a grafén elektronjai nagyon erősen kölcsönhatásba lépnek a látható fény frekvenciáján lévõ fotonokkal, elnyelve a fény intenzitásának körülbelül 2,3% -át atomrétegenként. Másodszor, az optikai kontrasztot erősen javítják a szilícium-dioxid-réteg interferencia-jelenségei; ezek ugyanazok a jelenségek, amelyek szivárványszíneket hoznak létre vékony fóliákban, például szappanfólia vagy olaj a vízen.