Замечательный химический элемент, углерод — тот самый, что уютно расположился под номером 6 в четырнадцатой группе второго периода периодической системы химических элементов. С древних времен людям известны алмаз и графит — две из более чем девяти, обнаруженных на сегодняшний день, аллотропических модификаций данного элемента. Кстати, именно углерод имеет максимальное, по сравнению с другими веществами, число известных нынешней науке аллотропических модификаций.
Аллотропия предполагает возможность существования в природе одного и того же химического элемента в форме двух и более простых веществ, так называемых аллотропических форм или аллотропических модификаций, обуславливающих различия данных веществ как по строению, так и по свойствам. Так вот, у углерода таких основных форм 8: алмаз, графит, лонсдейлит, фуллерены (С60, С540 и С70), аморфный углерод и однослойная нанотрубка.
Есть среди этих форм углерода совершенно разные по свойствам и по характеру: мягкие и твердые, прозрачные и непрозрачные, дешевые и дорогие вещества. Однако, давайте сравним две схожие по своей основе модификации углерода — графит и графен.
С графитом мы все хорошо знакомы еще со школьной скамьи. Грифель простого карандаша — это как раз и есть графит. Он довольно мягок, на ощупь скользкий и жирный, кристаллы здесь пластинчатые, слои атомов располагаются друг над другом, поэтому при трении, например о бумагу, отдельные чешуйки слоистой кристаллической структуры графита легко отслаиваются, оставляя на бумаге характерный темный след.
Графит хорошо проводит электрический ток, его удельное сопротивление в среднем составляет 11 Ом*мм2/м, однако проводимость графита не равномерна в силу естественной анизотропии его кристаллов. Так, проводимость вдоль плоскостей кристалла в сотни раз превосходит проводимость поперек этих плоскостей. Плотность графита от 2,08 до 2,23 г/см3.
В природе графит образуется в условиях высоких температур в магматических и вулканических горных породах, в скарнах и пегматитах. Встречается в кварцевых жилах с минералами в гидротермальных среднетемпературных полиметаллических месторождениях. Широко распространен в метаморфических породах.
Так, крупнейшие мировые запасы природного чешуйчатого графита разрабатываются на острове Мадагаскар с 1907 года. Остров сложен докембрийскими метаморфическими породами, которые выступают на поверхность в гористой местности с гипсометрическими отметками 4000-4600 футов. Графит находится здесь в пределах пояса длиной в 400 миль, преобладает в горах восточной части центра острова.
Графен, в отличие от графита, не обладает объемной структурой кристалла, его отличает двумерная гексагональная кристаллическая решетка, всего в один атом толщиной. В такой аллотропической модификации углерод в естественной природе вообще не встречается, однако теоретически может быть получен искусственно. Можно сказать, что одна плоскость, намеренно отделенная от многослойной объемной кристаллической структуры графита — это и будет тот самый графен.
Получить графен в форме просто двумерной пленки у ученых изначально не получалось, в силу неустойчивости вещества в такой форме. Однако на подложке оксида кремния (благодаря связи со слоем диэлектрика) получить графен толщиной в один атом все же удалось: в 2004 году русские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета опубликовали в журнале Science сообщение о получении графена таким способом.
И даже сегодня такие нехитрые способы получения графена для исследований, как механическое отшелушивание монослоя углерода от объемного кристалла графита при помощи скотча (и похожие методы) оправдывают себя.
Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс наноэлектроники на базе графена, где полевые транзисторы будут иметь толщину менее 10 нм. Дело в том, что подвижность электронов в графене так высока (10 000 см2/В*с), что именно он представляется на сегодняшний день перспективнейшей альтернативой привычному кремнию.
Высокая подвижность носителей тока — это способность электронов и дырок чрезвычайно быстро реагировать на воздействие прикладываемых электрических полей, а это крайне важно для полевых транзисторов — основной рабочей единицы сегодняшней электроники.
Здесь же и перспективы создания различных биологических и химических датчиков, а также тонких пленок для фотоэлектрических устройств и сенсорных экранов. При всем при этом еще и теплопроводность графена в 10 раз превосходит медь, а данный критерий всегда очень важен для электроники.
«
Подписывайтесь на наши каналы в Telegram:
Школа для электрика и Электрика, электромонтажные работы
Ответы на популярные вопросы по теме статьи
Вопрос: Что такое аллотропные модификации углерода?
Ответ: Аллотропия — это свойство химического элемента существовать в виде нескольких различных простых веществ, которые отличаются строением и свойствами. Углерод — рекордсмен по количеству аллотропных форм: их известно более девяти. Это означает, что один и тот же химический элемент (углерод) может быть и твёрдым, и мягким, и прозрачным, и чёрным — в зависимости от того, как расположены его атомы в кристаллической решётке.
Вопрос: Какие основные аллотропные формы углерода вы знаете?
Ответ: Основные формы углерода — это алмаз, графит, лонсдейлит, фуллерены (молекулы с 60, 70 и 540 атомами углерода), аморфный углерод, углеродные нанотрубки и графен. Каждая из этих форм обладает уникальными свойствами. Например, алмаз — самый твёрдый материал в природе, а графит — мягкий и скользкий.
Вопрос: Почему грифель карандаша оставляет след на бумаге?
Ответ: Потому что это графит — углеродное вещество со слоистой кристаллической структурой. Атомы в графите расположены слоями, которые расположены один над другим. При трении о бумагу эти слои легко расслаиваются, и отдельные чешуйки графита остаются на бумаге, создавая чёрный след. Это свойство графита называется расслаиваемостью.
Вопрос: Какие электрические свойства у графита?
Ответ: Графит хорошо проводит электрический ток. Его удельное сопротивление составляет примерно 11 Ом·мм?/м. Однако проводимость графита неравномерна — это связано с анизотропией его кристаллов. Проводимость вдоль плоскостей кристалла в сотни раз выше, чем проводимость поперёк этих плоскостей. Благодаря этому свойству графит применяют в электротехнике.
Вопрос: Где в природе образуется графит?
Ответ: Графит образуется в условиях высоких температур в магматических и вулканических горных породах, а также в специальных геологических условиях — в скарнах, пегматитах и кварцевых жилах. Наиболее часто встречается в метаморфических породах. Крупнейшие мировые запасы природного графита находятся на острове Мадагаскар, где его добывают с 1907 года.
Вопрос: Чем графен отличается от графита по структуре?
Ответ: Главное отличие в том, что графит имеет объёмную (трёхмерную) кристаллическую структуру, состоящую из множества слоёв, а графен — это двумерная структура, толщиной всего в один атом. Можно сказать, что графен — это одна единственная плоскость, которую отделили от многослойного графита. Это коренное различие в строении определяет все остальные различия в свойствах.
Вопрос: Существует ли графен в природе в чистом виде?
Ответ: Нет, графен в природе в естественном виде не встречается. Это чисто искусственный материал, который получают в лабораториях. Однако теоретически его можно получить из графита, отделив отдельные слои. Графен нестабилен в виде свободной двумерной плёнки, поэтому его получают на подложке, например на кремниевом диэлектрике.
Вопрос: Кто первым получил графен и когда?
Ответ: Двое русских учёных, Андрей Гейм и Константин Новоселов, работавшие в Манчестерском университете, получили графен в 2004 году. Они опубликовали результаты своего открытия в авторитетном журнале Science. Для получения графена использовался простой метод — механическое отшелушивание (отслаивание) монослоя углерода от объёмного кристалла графита с помощью скотча. Этот метод оказался настолько удачным, что его используют и сегодня при исследованиях графена.
Вопрос: Какова подвижность электронов в графене?
Ответ: Подвижность электронов в графене чрезвычайно высока — около 10 000 см?/В·с. Это означает, что электроны в графене реагируют на электрические поля с огромной скоростью. Такая высокая подвижность делает графен перспективнейшей альтернативой кремнию для создания высокоскоростных электронных устройств.
Вопрос: Почему графен считают материалом будущего для электроники?
Ответ: Потому что его электрические свойства превосходят свойства кремния. Исследователи надеются создать на основе графена новый класс наноэлектроники, где полевые транзисторы будут иметь толщину менее 10 нанометров. Кроме того, теплопроводность графена в 10 раз превосходит медь, что критически важно для охлаждения электронных устройств.
Вопрос: Какие ещё применения графена предполагают разработчики?
Ответ: Помимо электроники, графен рассматривается для создания различных биологических и химических датчиков, тонких плёнок для фотоэлектрических устройств и сенсорных экранов. Высокая проводимость, прозрачность и механическая прочность делают его универсальным материалом для множества применений. Однако широкое внедрение графена в производство идёт медленнее, чем ожидалось.
Вопрос: В чём основная причина неравномерной проводимости графита?
Ответ: Причина в анизотропии кристаллов графита. Анизотропия означает, что свойства вещества зависят от направления. В графите атомы в одной плоскости связаны очень прочно и проводят ток хорошо, но между плоскостями связи слабые. Поэтому ток легче проходит вдоль плоскостей, чем поперёк них — разница составляет примерно в сотни раз.
Вопрос: Какова плотность графита?
Ответ: Плотность графита составляет от 2,08 до 2,23 г/см?. Это относительно небольшая плотность, что указывает на то, что атомы в графите расположены не очень плотно, особенно если учесть слабые связи между слоями. Для сравнения, плотность алмаза около 3,5 г/см?.
Андрей Повный