Węgiel i jego odmiany

 

Ostatnio głośno mediach o grafenie, niesamowitym materiale, który za kilka lat zrewolucjonizuje współczesną technikę. Grafen jest odmianą węgla, pod względem składu chemicznego nie różni się niczym od rysika w naszym ołówku. Różni się natomiast znacznie budową ułożenia atomów.

Węgiel jako pierwiastek występuje w kilku odmianach alotropowych, czyli różnych odmianach tego samego pierwiastka chemicznego, w tym samym stanie skupienia, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Mówiąc więc o właściwościach węgla, jako pierwiastka musimy uwzględnić o jaki węgiel nam chodzi. Wybór w tym wypadku jest spory, a każda odmiana zajmuje ważne miejsce w przemyśle i technice.

Węgiel posiada następujące odmiany alotropowe:

 ➡ grafit,

 ➡ diament,

 ➡ fulleren,

 ➡ grafen,

 ➡ lonsdaleit.

Dodatkowo uważa się, że odmianami alotropowymi węgla są również  formy supramolekularne (złożone z wielu jednostek wykonanych z połączonych odmian krystalicznych):

 💡 karbin,

 💡 nanocebulka,

 💡 nanopianka,

 💡 nanorurka,

O każdej odmianie alotropowej można napisać kilka doktoratów, my skupimy się na grafenie.

Historia grafenu zaczęła się 1947 r., kiedy do P. R. Wallace’a opisał teoretycznie istnienie takiej odmiany alotropowej. Przez wiele lat trwały spekulacje czy taki materiał może istnieć. Udało się z pomocą kartki papieru, ołówka i taśmy klejącej! Rosyjscy badacze Andre Geim i Konstantin Novoselov w 2004 r. kartkę papieru zamalowali  rysikiem ołówka. Następnie przykleili taśmę na zarysowaną kartkę, po czym taśmę oderwali. Pozostał ślad grafitowy, na który nalepili kolejny fragment czystej taśmy. Odrywając ją uzyskali mniej widoczny ślad grafitu. Postępowali w ten sposób kilkadziesiąt razy, po czym udało się im uzyskać pojedynczą warstwę węgla stanowiącą jednocześnie warstwę grafenu.  Grafen charakteryzuje się płaską strukturą ułożonych w sześciokąt atomów węgla, przypominającą plaster miodu. Dużo większym problemem jest wytworzenie użytecznej struktury grafenu (idealnie ułożonej warstwy). Z powodu tych trudności do 2010 r. grafen był najdroższym materiałem na naszej planecie – 1 cm2 grafenu jeszcze 2010 r. kosztował prawie 100 milionów dolarów amerykańskich!!! Dzięki polskim badaczom (w tym dr. inż. Włodzimierzowi Strupińskiemu z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie) uzyskanie grafenu stało się znacznie tańsze. Powstała nawet firma polska, która sprzedaje grafen na stronie graphenshop.pl. Ten niezwykły materiał dostępny jest w dwóch odmianach – na podłożu z miedzi i z węgliku krzemu. Pierwszy w cenie ok. 40 dol. za  cm2, drugi – 1000 dol.  cm2. Cena spadła zatem do poziomu, który umożliwia badania nad grafenem dla innych ośrodków, w tym firm produkcyjnych.A jest niesamowity materiał:

  • prawie 100 razy wytrzymalszy od stali i kevlaru, w tym 350 razy bardziej odporny na rozciąganie
  • 1000 000 razy cieńszy niż kartka papieru
  • na podłożu z węgliku krzemu grafen jest przeźroczysty
  • jego przewodność elektryczna jest 1000 000 000 razy większa niż krzemu
  • jego przewodność cieplna jest 12 razy większa niż srebra i 15 razy większa niż miedzi
  • membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, ale jest zdolna przepuścić wodę

Zastosowanie

Ilość potencjalnych zastosowań grafenu jest olbrzymia. Instalacje oczyszczające będą mogły wydzielić poszczególne frakcje składników z wysoką dokładnością  – będzie można oczyszczać wodę czy powietrze z zanieczyszczeń, zatężać produkty ze wskazaną wydajnością. Sprzęt pomiarowy używany do badań będzie mógł szacować stężenie substancji z dokładnością atomową. Procesory wykonane z grafenu przyspieszą komputery 1000 000 razy. Instalacje fotowoltaiczne, pozyskujące energię ze słońca mogą polepszyć sprawność o 400-600%. Ekrany w smartfonach będą cienkie jak karta papieru, będzie można je złożyć, ale nie da się ich zarysować. Aby całkowicie naładować rozładowany telefon posiadający akumulator grafenowy potrzeba będzie zaledwie 5 s, a samochód elektryczny 1 minutę! Grafen przyspieszy elektronikę i zwiększy bezpieczeństwo.

Na wielu stronach internetowych opisujących grafen porównują go do idealnego materiału. Ale i on ma wady, np. w kontakcie z ogniem zapala się. Niestety obecnie nie wiemy jakie skutki zdrowotne dla ludzi będzie miało stosowanie grafenu w rzeczach codziennego użytku. Kilkanaście lat temu olbrzymie nadzieje pokładano w nanorurkach węglowych, dziś pojawiają się ich ograniczenia z powodu potencjalnego zagrożenia dla zdrowia ludzi. Prawdą jest, iż grafen to niezwykły materiał i na pewno zrewolucjonizuje rynek za kilka lat, chyba, że zastąpi go inna „idealna substancja”, jak chociażby czarny fosfor, niedawno odkryta alotropowa odmiana fosforu wykazująca się podobnymi właściwościami do grafenu. Najbliższe lata mogą być wysypem licznych patentów wykorzystujących zarówno grafen jak i czarny fosfor. Trzeba cierpliwie czekać… 

 Źródła

emce – YouTube

http://www.grapheneshop.pl/

http://www2.if.uj.edu.pl/polyfilms/wyklady/JR/epo/pdf/epo_w6_v2013.pdf

http://wyborcza.pl/1,75476,14188023,Bedziemy_mieli_energie_sloneczna_z_grafenu_.html

http://kopalniawiedzy.pl/grafen-wytrzymalosc,5292

Autor: Łukasz Wyka