lovesouthernsocial.com

Grafenul este un material care are mai multe proprietăți capabile să revoluționeze tehnologia

Imagine OpenClipart-Vectors în Pixabay

Grafenul este un material compus dintr-un strat bidimensional de atomi de carbon dispuși în structuri hexagonale, a cărui înălțime este echivalentă cu cea a unui atom. Acest material poate fi produs prin extragerea straturilor de suprafață de grafit, un mineral abundent pe Pământ și unul dintre cei mai obișnuiți alotropi ai carbonului.

Legăturile chimice și grosimea grafenului sunt responsabile pentru câteva proprietăți importante ale acestui element, cum ar fi rezistența mecanică și conductivitățile termice și electrice. Aceste caracteristici au atras oamenii de știință și industria tehnologiei datorită posibilităților infinite de utilizare.

Descoperirea grafenului

Grafenul stabil, bidimensional, a fost descoperit accidental în 2004 de către fizicienii ruși Andre Geim și Konstantin Novoselov. Această descoperire le-a adus cercetătorilor Premiul Nobel pentru Fizică în 2010. Cu toate acestea, existența acestui alotrop de carbon este cunoscută încă din 1930.

Proprietățile grafenului

Grafenul are numeroase proprietăți care îl fac un material cu mai multe aplicații tehnologice. Cunoașteți principalele proprietăți ale acestui alotrop.

Proprietăți mecanice

Grafenul este cel mai puternic material cunoscut vreodată. Această rezistență provine din legăturile puternice formate între atomii săi de carbon. Materialele utilizate pe scară largă în construcțiile civile, precum oțelul, rezistă doar la o treime din această presiune.

O altă proprietate interesantă a grafenului este modulul său ridicat de Young, ceea ce indică faptul că, pe lângă faptul că este rezistent, acest material este foarte elastic. Prin urmare, este capabil să revină la dimensiunea inițială relativ ușor.

Zonele mici ale fiecărui hexagon de carbon sunt responsabile pentru impermeabilitatea ridicată a grafenului, care poate fi folosit ca o plasă mică capabilă să rețină gaze care se scurg ușor din recipientele lor, cum ar fi hidrogenul gazos. Pe lângă faptul că este extrem de rezistent, grafenul este foarte ușor: densitatea sa este de 0,77 g/m², cu alte cuvinte, de aproximativ o mie de ori mai ușor decât o coală de hârtie.

proprietăți electrice

Electronii sunt capabili să se propagă prin grafen aproape liber, fără a suferi deviații sau ciocniri. Datorită structurii hexagonale a legăturilor de carbon, electronii se deplasează în interiorul acestor straturi subțiri la viteze relativiste, adică aproape de viteza luminii.

La temperatura camerei, rezistivitatea electrică a grafenului este cea mai scăzută. Astfel, acest element poate fi considerat cel mai bun conductor metalic.

proprietati optice

Permițând trecerea a 97,5% din lumina incidentă, grafenul este invizibil cu ochiul liber. Acest comportament optic rezultă din proprietățile relativiste ale electronilor din grafen. Acest lucru implică faptul că, prin stivuirea mai multor foi de grafen, este posibil să se producă un corp perfect negru, capabil să absoarbă aproape toată radiația incidentă asupra acestuia.

proprietati termice

Datorită proprietăților sale electrice, grafenul este un excelent conductor termic. Acest material este capabil să disipeze căldura mai repede decât orice material cunoscut. Mai mult, unele studii sugerează că temperatura sa de topire este de 3851 °C.

Prin urmare, principalele proprietăți și caracteristici ale grafenului sunt:

• Este extrem de subțire: este grosimea unui atom;
• Este foarte rezistent: de aproximativ 200 de ori mai puternic decât oțelul;
• Este flexibil;
• Este rezistent la apa;
• Este transparent: transmite aproximativ 97,5% din razele de lumină;
• Are o conductivitate termică și electrică ridicată: conduce energia electrică de 100 de ori mai rapid decât cuprul. Studiile au mai arătat că viteza cu care electronii călătoresc prin grafen este de 1000 km/s (de 60 de ori mai rapidă decât siliciul);
• Are duritate mare
• Are mai puțin efect Joule: pierde mai puțină energie sub formă de căldură atunci când conduce electronii.

Aplicații cu grafen

Datorită proprietăților și caracteristicilor sale, grafenul este unul dintre cele mai promițătoare materiale cunoscute. Aplicațiile sale tehnologice sunt vaste, dar limitate de capacitatea de a produce acest material pe scară largă. Dispozitive precum ecranele LED pliabile, celulele fotovoltaice, tranzistoarele mai eficiente, supercondensatoarele, radiatoarele și bateriile super telefonului mobil sunt câteva exemple de tehnologii dezvoltate folosind grafen.

În plus, grafenul poate fi aplicat în alte domenii de studiu, cum ar fi:

Apă potabilă

Membranele formate din grafen sunt capabile să desalinizeze și să purifice apa de mare

Emisii de CO2

Filtrele cu grafen sunt capabile să reducă emisiile de CO2 prin separarea gazelor generate de industrii și întreprinderi

depistarea bolii

Senzorii biomedicali mult mai rapizi se bazează pe grafen și pot detecta boli, viruși și alte toxine.

Constructie

Materialele de construcție precum betonul și aluminiul devin mai ușoare și mai rezistente prin adăugarea de grafen

Estetică

Vopsirea părului prin pulverizare cu grafen durează până la 30 de spălări

Microdispozitive

Chipuri mai mici și mai puternice datorită înlocuirii siliciului cu grafen

Energie

Celulele solare au o flexibilitate mai bună, mai multă transparență și costuri de producție mai mici cu utilizarea grafenului

Electronică

Baterii cu stocare de energie mai bună și mai rapidă

Mobilitate

Bicicletele pot avea anvelope și cadre mai ferme, cu o greutate de 350 de grame, folosind grafen

Dintre studiile legate de grafen se remarcă cele care implică dezvoltarea de noi cabluri de transmisie a datelor pentru internet. Potrivit unui sondaj publicat de revista Comunicarea Naturii, ideea este să profităm de toată viteza atinsă de electronii din grafen – celulele se mișcă în el de sute de ori mai repede decât în ​​cablurile folosite în prezent.

Importanța grafenului pentru Brazilia

Brazilia face parte din cursa tehnologică în căutarea unor metode mai ieftine și mai eficiente pentru producerea grafenului. Potrivit raportului realizat de Departamentul Național de Producție Minerală (DNPM), piața grafenului ar trebui să fie una dintre cele mai profitabile din lume, cu potențialul de a ajunge până la 1 trilion de dolari în 10 ani. În plus, Brazilia are cele mai mari rezerve de grafen din lume.

Prețul grafenului

Datorită mijloacelor sale complexe de obținere, prețul grafenului este încă ridicat. Cele mai actuale tehnici care permit producerea de straturi pure și subțiri ale acestui material funcționează cu depunerea de vapori pe substraturi metalice, precum foile de cupru.

În prezent, o foaie de grafen de 2,08 cm pe 1,54 cm poate costa până la 275 USD: o medie de 21 USD pe inch pătrat. Cu toate acestea, factori precum impuritățile și asimetriile pot reduce drastic acest preț. Grafenul se poate obține și din grafit: cu 1 kg de grafit, care costă aproximativ 1 dolar, se pot produce 150 g de grafen, a căror valoare depășește 15 mii de dolari.

Curiozități despre grafen

• Proiectul emblematic Graphene, din Uniunea Europeană, a alocat aproximativ 1,3 miliarde de euro pentru cercetări legate de grafen, aplicații și dezvoltarea producției la scară industrială. În total, la acest proiect participă 150 de instituții din 23 de țări.
• Prima valiză dezvoltată pentru călătoriile în spațiu are grafen în compoziția sa. Lansarea sa este programată pentru 2033, când NASA plănuiește să efectueze expediții pe Marte.
• Borofenul este noul concurent al grafenului. Acest material, descoperit în 2015, este văzut ca o versiune îmbunătățită a grafenului, fiind și mai flexibil, mai rezistent și mai conductiv.