גרפן הוא חומר שיש לו כמה מאפיינים המסוגלים לחולל מהפכה בטכנולוגיה
תמונה של OpenClipart-Vectors ב- Pixabay
גרפן הוא חומר המורכב משכבה דו מימדית של אטומי פחמן המסודרים במבנים משושים, שגובהם שווה לזה של אטום. ניתן לייצר חומר זה על ידי חילוץ שכבות פני שטח של גרפיט, מינרל השופע על פני כדור הארץ ואחד האלוטרופים הנפוצים ביותר של פחמן.
הקשרים הכימיים ועובי הגרפן אחראים למספר תכונות חשובות של יסוד זה, כגון עמידות מכנית ומוליכות תרמית וחשמלית. מאפיינים אלה משכו מדענים ותעשיית הטכנולוגיה בזכות אפשרויות השימוש האינסופיות שלהם.
גילוי הגרפן
גרפן יציב דו מימדי התגלה בטעות בשנת 2004 על ידי הפיזיקאים הרוסים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב. תגלית זו הבטיחה לחוקרים את פרס נובל לפיזיקה בשנת 2010. עם זאת, קיומו של אלוטרופ פחמן זה ידוע מאז 1930.
מאפייני גרפן
לגרפן יש מאפיינים רבים שהופכים אותו לחומר עם מספר יישומים טכנולוגיים. דע את המאפיינים העיקריים של אלוטרופ זה.
תכונות מכאניות
גרפן הוא החומר החזק ביותר שהיה ידוע. התנגדות זו נובעת מהקשרים החזקים שנוצרו בין אטומי הפחמן שלה. חומרים שנמצאים בשימוש נרחב בבנייה אזרחית, כמו פלדה, עומדים רק בשליש מלחץ זה.
מאפיין מעניין נוסף של גרפן הוא המודולוס הגבוה של יאנג, המצביע על כך שמלבד היותו עמיד, חומר זה אלסטי מאוד. לכן, הוא מסוגל לחזור לגודלו המקורי בקלות יחסית.
האזורים הקטנים של כל משושה פחמן אחראים לאטימות הגבוהה של גרפן, שיכולה לשמש כרשת קטנה המסוגלת להחזיק גזים שנזלפים בקלות ממכולותיהם, כמו גז מימן. מלבד היותו עמיד במיוחד, הגרפן הוא קל מאוד: צפיפותו היא 0.77 גרם / מ"ר, כלומר, פי אלף קלה יותר מגליון נייר.
תכונות חשמליות
אלקטרונים מסוגלים להתפשט בגרפן באופן חופשי כמעט מבלי לסטות או להתנגש. בשל המבנה המשושה של קשרי הפחמן, האלקטרונים נעים בתוך שכבות דקות אלה במהירות יחסית, כלומר קרוב למהירות האור.
בטמפרטורת החדר, ההתנגדות החשמלית של גרפן היא הנמוכה ביותר שיש. לפיכך, אלמנט זה יכול להיחשב כמוליך המתכתי הטוב ביותר.
תכונות אופטיות
מכיוון שהוא מאפשר לעבור ל- 97.5% מאור האירוע, גרפן אינו נראה לעין בלתי מזוינת. התנהגות אופטית זו נובעת מהתכונות הרלטיביסטיות של אלקטרונים בגרפן. זה מרמז שעל ידי ערימת כמה גיליונות של גרפן, ניתן לייצר גוף שחור לחלוטין המסוגל לספוג כמעט את כל קרינת האירוע עליו.
תכונות תרמיות
בגלל התכונות החשמליות שלו, גרפן הוא מוליך תרמי מצוין. חומר זה מסוגל להפיץ חום מהר יותר מכל חומר ידוע אחר. בנוסף, כמה מחקרים מצביעים על כך שטמפרטורת ההיתוך שלה היא 3851 מעלות צלזיוס.
לכן המאפיינים והמאפיינים העיקריים של גרפן הם:
- הוא דק במיוחד: יש לו עובי אטום;
- הוא עמיד מאוד: עמיד פי 200 מפלדה;
- זה גמיש;
- הוא עמיד למים;
- הוא שקוף: הוא מעביר כ- 97.5% מקרני האור;
- יש לו מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה: מוליך אנרגיה חשמלית פי 100 מהר יותר מנחושת. מחקרים הראו גם כי מהירות הנסיעה של אלקטרונים דרך גרפן היא 1000 קמ"ש (מהיר פי 60 מסיליקון);
- יש לו קשיות גבוהה
- יש לו פחות אפקט ג'ול: הוא מאבד פחות אנרגיה בצורת חום כשמוליכים אלקטרונים.
יישומי גרפן
בשל תכונותיו ומאפייניו, גרפן הוא אחד החומרים המבטיחים ביותר הידועים. היישומים הטכנולוגיים שלה עצומים, אך מוגבלים ביכולת לייצר חומר זה בקנה מידה גדול. התקנים כגון מסכי LED מתקפלים, תאים פוטו-וולטאיים, טרנזיסטורים יעילים יותר, קבלים-על, כיורי חום וסוללות-על לטלפון סלולרי הם כמה דוגמאות לטכנולוגיות שפותחו באמצעות גרפן.
בנוסף, ניתן ליישם גרפן בתחומי לימוד אחרים, כגון:
- ממברנות בצורת גרפן מסוגלות להתפיל ולטהר מי ים
- מסנני גרפן מסוגלים להפחית את פליטת CO2 על ידי הפרדת גזים הנוצרים על ידי תעשיות ועסקים
- חיישנים ביו-רפואיים מהירים הרבה יותר עשויים מגרפן ויכולים לזהות מחלות, נגיפים ורעלים אחרים
- חומרי בניין, כמו בטון ואלומיניום, הופכים קלים ועמידים יותר בתוספת גרפן
- צביעת שיער באמצעות ריסוס גרפן מחזיקה עד 30 כביסות
- שבבים קטנים ועמידים יותר עקב החלפת סיליקון בגרפן
- לתאים סולאריים יש גמישות טובה יותר, שקיפות רבה יותר ועלויות ייצור מופחתות עם שימוש בגרפן
- סוללות עם אחסון אנרגיה טוב ומהיר יותר
- אופניים יכולים להיות בעלי צמיגים מוצקים יותר ומסגרות במשקל 350 גרם באמצעות גרפן
מים ראויים לשתייה
פליטת CO2
איתור מחלות
בְּנִיָה
אֶסתֵטִיקָה
מכשירי מיקרו
אֵנֶרְגִיָה
מכשירי חשמל
ניידות
בין המחקרים הקשורים לגרפן, אנו מדגישים את אלה הכרוכים בפיתוח כבלים חדשים להעברת נתונים לאינטרנט. על פי מחקרים שפרסם כתב העת Nature Communication , הרעיון הוא לנצל את כל המהירות שמשיגים אלקטרונים בגרפן - תאים נעים בה מאות פעמים מהר יותר מאשר בכבלים המשמשים כיום.
חשיבות הגרפן לברזיל
ברזיל מוכנסת למרוץ הטכנולוגי בחיפוש אחר שיטות זולות ויעילות יותר לייצור גרפן. על פי הדו"ח שהפיק המחלקה הלאומית לייצור מינרלים (DNPM), שוק הגרפן צפוי להיות אחד הרווחים בעולם, עם פוטנציאל להגיע עד לטריליון דולר בעוד 10 שנים. בנוסף, ברזיל מחזיקה ברזרבות הגרפן הגדולות בעולם.
מחיר גרפן
בשל אמצעי ההשגה המורכבים שלו, מחיר הגרפן עדיין גבוה. הטכניקות העדכניות ביותר המאפשרות ייצור של שכבות טהורות ודקות של חומר זה עובדות עם שקיעת קיטור על מצעים מתכתיים, כמו יריעות נחושת.
נכון לעכשיו, גיליון גרפן של 5.08 ס"מ על 2.54 ס"מ יכול לעלות עד 275 דולר: 21 דולר בממוצע לסנטימטר מרובע. עם זאת, גורמים כמו זיהומים ואסימטריות יכולים להפחית באופן דרסטי מחיר זה. ניתן להשיג גרפין גם מגרפיט: עם 1 ק"ג גרפיט שעולה בערך דולר אחד, ניתן לייצר 150 גר 'גרפן ששוויו עולה על 15 אלף דולר.
עובדות גרפן
- פרויקט הדגל של האיחוד האירופי ייעד כ -1.3 מיליארד יורו למחקר הקשור בגרפן, יישומים ופיתוח תעשייתי בקנה מידה תעשייתי. בסך הכל משתתפים בפרויקט זה 150 מוסדות מ -23 מדינות.
- המזוודה הראשונה שפותחה לנסיעה בחלל כוללת הרכב גרפן. השקתו נקבעה לשנת 2033, כאשר נאס"א מתכוונת לבצע משלחות למאדים.
- בורופין הוא המתחרה החדש של גרפן. חומר זה, שהתגלה בשנת 2015, נחשב לגרסה משופרת של גרפן, כשהוא גמיש עוד יותר, עמיד ומוליך.
תהליכים להשגת גרפן, יישומיו וחשיבותו עבור ברזיל
