Sự khác biệt giữa graphene và than chì là gì?
Một nguyên tố hóa học đáng chú ý, cacbon là nguyên tố thuận tiện nằm ở vị trí thứ 6 trong nhóm thứ mười bốn của chu kỳ thứ hai của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Từ thời cổ đại, con người đã biết đến kim cương và than chì, hai trong số hơn chín biến thể đẳng hướng của nguyên tố này được phát hiện cho đến nay. Nhân tiện, carbon có số lượng biến đổi đẳng hướng lớn nhất so với các chất khác mà khoa học hiện đại biết đến.
Allotropy ngụ ý khả năng tồn tại trong tự nhiên của cùng một nguyên tố hóa học ở dạng hai hoặc nhiều chất đơn giản, cái gọi là dạng đẳng hướng hoặc biến đổi đẳng hướng, gây ra sự khác biệt trong các chất này cả về cấu trúc và tính chất. Vì vậy, carbon có 8 dạng cơ bản như vậy: kim cương, than chì, lonsdaleite, fullerene (C60, C540 và C70), carbon vô định hình và ống nano đơn vách.
Trong số các dạng carbon này có các tính chất và đặc tính hoàn toàn khác nhau: chất mềm và cứng, trong suốt và mờ đục, rẻ và đắt. Tuy nhiên, hãy so sánh hai biến đổi carbon tương tự — than chì và graphene.
Tất cả chúng ta đều quen thuộc với graffiti kể từ khi đi học.Đầu của một cây bút chì thông thường chính xác là than chì. Nó khá mềm, trơn và nhờn khi chạm vào, các tinh thể là các tấm, các lớp nguyên tử nằm chồng lên nhau, do đó, khi cọ xát, ví dụ, trên giấy, các mảnh riêng lẻ của cấu trúc tinh thể nhiều lớp của than chì dễ dàng bong ra , để lại vết tối đặc trưng trên giấy.
Than chì dẫn điện tốt, điện trở của nó trung bình là 11 Ohm * mm2 / m, nhưng độ dẫn điện của than chì không giống nhau do tính dị hướng tự nhiên của các tinh thể. Do đó, độ dẫn điện dọc theo các mặt phẳng của tinh thể cao hơn hàng trăm lần so với độ dẫn điện trong các mặt phẳng này. Mật độ của than chì là từ 2,08 đến 2,23 g / cm3.
Trong tự nhiên, than chì được hình thành ở nhiệt độ cao trong đá lửa và núi lửa, trong skarn và pegmatit. Nó xảy ra trong các mạch thạch anh với các khoáng chất trong trầm tích đa kim ở nhiệt độ trung bình thủy nhiệt. Nó được phân bố rộng rãi trong đá biến chất.
Do đó, kể từ năm 1907, trữ lượng than chì vảy tự nhiên lớn nhất thế giới đã được phát triển trên đảo Madagascar. Hòn đảo bao gồm các loại đá biến chất Precambrian nổi lên trên bề mặt ở địa hình đồi núi với các dấu hiệu đo độ cao từ 4.000-4.600 feet. Than chì được tìm thấy ở đây trong một vành đai dài 400 dặm và thống trị các ngọn núi ở phía đông của trung tâm hòn đảo.
Graphene, không giống như than chì, không có cấu trúc tinh thể khối; nó có mạng tinh thể lục giác hai chiều, chỉ dày một nguyên tử. Trong một sửa đổi đẳng hướng như vậy, carbon hoàn toàn không xảy ra một cách tự nhiên, nhưng về mặt lý thuyết có thể thu được một cách nhân tạo. Chúng ta có thể nói rằng một mặt phẳng được cố tình tách ra khỏi cấu trúc tinh thể khối nhiều lớp của than chì sẽ chính là graphene này.
Ban đầu, các nhà khoa học không thể thu được graphene ở dạng phim hai chiều đơn giản do tính không ổn định của vật chất ở dạng này. Tuy nhiên, trên đế oxit silic (do liên kết với lớp điện môi) vẫn có thể thu được graphene dày một nguyên tử: năm 2004, các nhà khoa học Nga Andrey Geim và Konstantin Novoselov của Đại học Manchester đã công bố một báo cáo trên tạp chí Science. thu được graphene theo cách này.
Và thậm chí ngày nay, những phương pháp đơn giản như vậy để thu được graphene cho nghiên cứu, chẳng hạn như tẩy da chết cơ học của lớp đơn lớp carbon từ tinh thể than chì khối bằng băng dính (và các phương pháp tương tự), là hợp lý.
Các nhà nghiên cứu tin rằng nhờ tiến bộ của họ, một lớp điện tử nano dựa trên graphene mới sẽ sớm xuất hiện, trong đó các bóng bán dẫn hiệu ứng trường sẽ dày dưới 10 nm. Thực tế là độ linh động của các electron trong graphene rất cao (10.000 cm2 / V * s) nên nó dường như là chất thay thế hứa hẹn nhất cho silicon thông thường hiện nay.
Độ linh động của hạt tải điện cao là khả năng của các electron và lỗ trống phản ứng cực kỳ nhanh với tác dụng của điện trường ứng dụng và điều này cực kỳ quan trọng đối với bóng bán dẫn hiệu ứng trường, đơn vị vận hành cơ bản của thiết bị điện tử hiện đại.
Ngoài ra còn có triển vọng tạo ra các cảm biến sinh học và hóa học khác nhau, cũng như màng mỏng cho các thiết bị quang điện và màn hình cảm ứng. Bất chấp tất cả những điều này, độ dẫn nhiệt của graphene cao hơn 10 lần so với đồng và tiêu chí này luôn rất quan trọng đối với thiết bị điện tử.