Grafeen is een materiaal met verschillende eigenschappen die de technologie radicaal kunnen veranderen

Afbeelding van OpenClipart-Vectors op Pixabay

Grafeen is een materiaal dat bestaat uit een tweedimensionale laag koolstofatomen georganiseerd in hexagonale structuren, waarvan de hoogte gelijk is aan die van een atoom. Dit materiaal kan worden geproduceerd door oppervlaktelagen van grafiet te extraheren, een mineraal dat overvloedig aanwezig is op aarde en een van de meest voorkomende allotropen van koolstof.

De chemische bindingen en de dikte van grafeen zijn verantwoordelijk voor verschillende belangrijke eigenschappen van dit element, zoals mechanische weerstand en thermische en elektrische geleidbaarheid. Deze kenmerken hebben wetenschappers en de technologische industrie aangetrokken vanwege hun eindeloze gebruiksmogelijkheden.

De ontdekking van grafeen

Stabiel, tweedimensionaal grafeen werd in 2004 per ongeluk ontdekt door de Russische natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov. Deze ontdekking garandeerde onderzoekers de Nobelprijs voor natuurkunde in 2010. Het bestaan ​​van deze koolstofallotroop is echter al sinds 1930 bekend.

Graphene Eigenschappen

Grafeen heeft tal van eigenschappen waardoor het een materiaal is met verschillende technologische toepassingen. Ken de belangrijkste eigenschappen van deze allotroop.

Mechanische eigenschappen

Grafeen is het sterkste materiaal dat ooit is gekend. Deze weerstand komt voort uit de sterke bindingen die zijn gevormd tussen de koolstofatomen. Materialen die veel worden gebruikt in de civiele bouw, zoals staal, zijn bestand tegen slechts een derde van die druk.

Een andere interessante eigenschap van grafeen is de hoge Young-modulus, wat aangeeft dat dit materiaal niet alleen resistent is, maar ook zeer elastisch. Daarom kan het relatief gemakkelijk terugkeren naar zijn oorspronkelijke grootte.

De kleine gebieden van elke koolstofzeshoek zijn verantwoordelijk voor de hoge ondoordringbaarheid van grafeen, dat kan worden gebruikt als een klein netwerk dat gassen kan vasthouden die gemakkelijk uit hun containers lekken, zoals waterstofgas. Grafeen is niet alleen extreem bestendig, het is ook erg licht: de dichtheid is 0,77 g / m², dat wil zeggen ongeveer duizend keer lichter dan een vel papier.

Elektrische eigenschappen

Elektronen kunnen zich vrijwel vrij in grafeen voortplanten zonder afwijkingen of botsingen te ondergaan. Vanwege de hexagonale structuur van de koolstofbindingen, bewegen de elektronen binnen deze dunne lagen met relativistische snelheden, dat wil zeggen dichtbij de lichtsnelheid.

Bij kamertemperatuur is de elektrische weerstand van grafeen de laagste die er is. Dit element kan dus worden beschouwd als de beste metalen geleider.

Optische eigenschappen

Omdat het 97,5% van het invallende licht doorlaat, is grafeen onzichtbaar voor het blote oog. Dit optische gedrag komt voort uit de relativistische eigenschappen van elektronen in grafeen. Dit houdt in dat het door het stapelen van meerdere vellen grafeen mogelijk is om een ​​perfect zwart lichaam te produceren dat bijna alle straling die erop valt, kan absorberen.

Thermische eigenschappen

Vanwege zijn elektrische eigenschappen is grafeen een uitstekende thermische geleider. Dit materiaal kan warmte sneller afvoeren dan enig ander bekend materiaal. Bovendien suggereren sommige studies dat de smelttemperatuur 3851 ° C is.

Daarom zijn de belangrijkste eigenschappen en kenmerken van grafeen:

• Het is extreem dun: het heeft de dikte van een atoom;
• Het is zeer resistent: ongeveer 200 keer resistenter dan staal;
• Het is flexibel;
• Het is waterdicht;
• Het is transparant: het laat ongeveer 97,5% van de lichtstralen door;
• Het heeft een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid: geleidt elektrische energie 100 keer sneller dan koper. Studies hebben ook aangetoond dat de snelheid waarmee elektronen door grafeen reizen 1000 km / s is (60 keer sneller dan silicium);
• Het heeft een hoge hardheid
• Het heeft minder joule-effect: het verliest minder energie in de vorm van warmte bij het geleiden van elektronen.

Grafeentoepassingen

Vanwege zijn eigenschappen en kenmerken is grafeen een van de meest veelbelovende materialen die we kennen. De technologische toepassingen zijn enorm, maar beperkt door de capaciteit om dit materiaal op grote schaal te produceren. Apparaten zoals opvouwbare LED-schermen, fotovoltaïsche cellen, efficiëntere transistors, supercondensatoren, koellichamen en superbatterijen voor mobiele telefoons zijn enkele voorbeelden van technologieën die zijn ontwikkeld door het gebruik van grafeen.

Bovendien kan grafeen worden toegepast in andere studiegebieden, zoals:

Drinkbaar water

Door grafeen gevormde membranen zijn in staat zeewater te ontzilten en te zuiveren

CO2 uitstoot

Grafeenfilters kunnen de CO2-uitstoot verminderen door gassen te scheiden die worden gegenereerd door industrieën en bedrijven

Detectie van ziekten

Veel snellere biomedische sensoren zijn gemaakt van grafeen en kunnen ziekten, virussen en andere gifstoffen detecteren

Bouw

Bouwmaterialen, zoals beton en aluminium, worden lichter en resistenter door toevoeging van grafeen

Esthetiek

Haarkleuring door grafeen te sproeien gaat tot 30 wasbeurten mee

Microdevices

Kleinere en bestendige chips door vervanging van silicium door grafeen

Energie

Zonnecellen hebben een betere flexibiliteit, meer transparantie en lagere productiekosten door het gebruik van grafeen

Elektronica

Batterijen met betere en snellere energieopslag

Mobiliteit

Bij gebruik van grafeen kunnen fietsen stevigere banden en frames hebben die 350 gram wegen

Onder de onderzoeken met betrekking tot grafeen, belichten we de onderzoeken die betrekking hebben op de ontwikkeling van nieuwe datatransmissiekabels voor internet. Volgens onderzoek gepubliceerd door het tijdschrift Nature Communication is het de bedoeling om te profiteren van alle snelheid die elektronen in grafeen bereiken - cellen bewegen erin honderden keren sneller dan in de momenteel gebruikte kabels.

Belang van grafeen voor Brazilië

Brazilië neemt deel aan de technologische race op zoek naar goedkopere en efficiëntere methoden voor de productie van grafeen. Volgens het rapport van de National Department of Mineral Production (DNPM) wordt verwacht dat de grafeenmarkt een van de meest winstgevende ter wereld zal zijn, met een potentieel van 1 biljoen dollar in 10 jaar. Bovendien heeft Brazilië de grootste grafeenreserves ter wereld.

Grafeen prijs

Vanwege de complexe manier om grafeen te verkrijgen, is de prijs van grafeen nog steeds hoog. De meest actuele technieken die het mogelijk maken om zuivere en dunne lagen van dit materiaal te produceren, werken met de afzetting van stoom op metalen substraten, zoals koperplaten.

Momenteel kan een vel grafeen van 5,08 cm bij 2,54 cm tot 275 dollar kosten: gemiddeld 21 dollar per vierkante centimeter. Factoren zoals onzuiverheden en asymmetrieën kunnen deze prijs echter drastisch verlagen. Grafeen kan ook worden verkregen uit grafiet: met 1 kg grafiet, dat ongeveer 1 dollar kost, is het mogelijk om 150 g grafeen te produceren, waarvan de waarde meer dan 15 duizend dollar bedraagt.

Grafeen feiten

• Het Graphene Flagship-project van de Europese Unie heeft ongeveer 1,3 miljard euro gereserveerd voor onderzoek op het gebied van grafeen, toepassingen en industriële ontwikkeling op industriële schaal. In totaal nemen 150 instellingen uit 23 landen deel aan dit project.
• De eerste koffer die is ontwikkeld voor ruimtevaart heeft grafeen in zijn samenstelling. De lancering is gepland voor 2033, wanneer NASA van plan is expedities naar Mars uit te voeren.
• Borophene is de nieuwe concurrent voor grafeen. Dit materiaal, ontdekt in 2015, wordt beschouwd als een verbeterde versie van grafeen, omdat het nog flexibeler, resistenter en geleidend is.

Original text

Contribute a better translation

---