Grafenowy związkowy gruntu podfarbowego

Właściwości przewodnictwa i optyczne

Układ węglowych atomów w grafenie jest taki sam jak w jednowarstwowym monatomowym warstwie grafitu, aby wiązać się z orbitałami hibrydowymi sp, i ma następujące cechy: węglowe atomy mają 4 elektrony walencyjne, z których 3 elektrony tworzą wiązanie sp, to znaczy, że każdy atom węgla przekazuje elektron niezwiązanego, który znajduje się w orbitale pz, a orbital pz sąsiedniego atomu jest prostopadły do płaszczyzny, tworząc wiązanie π. Nowo utworzone wiązanie π znajduje się w stanie półwypełnionym. Badania potwierdziły, że węglowe atomy w grafenie mają liczbę koordynacji równą 3, długość wiązania między każdymi dwoma sąsiednimi atomami węgla wynosi 1,42×10 metrów, a kąt między wiązaniami wynosi 120°. Oprócz komórkowej struktury warstwowej, w której σ wiązania łączą inne atomy węgla w sześcienne pierścienie, orbitale pz każdego atomu węgla prostopadłe do płaszczyzny warstwy mogą tworzyć duże wiązania π (podobne do pierścienia benzenowego), które przechodzą przez całą warstwę wielu atomów, co sprawia, że posiadają wybitne właściwości elektryczne i optyczne.

Właściwości mechaniczne

Grafen jest jednym z najmocniejszych znanych materiałów, ale jednocześnie jest bardzo plastyczny i może się giąć. Grafen ma teoretyczny moduł Younga wynoszący 1,0TPa, a własną wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 130GPa. Redukowany grafen modyfikowany plazmą wodoru ma również bardzo dobrą wytrzymałość, z średnią wartością modułu o 0,25TPa większą. Papier grafitowy składający się z warstw grafenu ma wiele otworów, więc papier grafitowy jest bardzo kruchy. Jednak funkcjonalizowany grafen utleniony przekształcony w papier grafitowy z funkcjonalizowanego grafenu jest niesamowicie mocny i silny.

Efekty elektroniczne

Podwojna mobilność nośników w grafenie przy temperaturze pokojowej wynosi około 15 000 cm/(V·s), co jest więcej niż 10 razy większa niż u materiałów na bazie krzemu i ponad dwa razy większa niż u antymonu indyjskiego (InSb), substancji o najwyższej znanej mobilności nośników. W określonych warunkach, takich jak niskie temperatury, mobilność nośników w grafenie może nawet osiągnąć 250 000 cm/(V·s). W przeciwieństwie do wielu materiałów, mobilność elektronów w grafenie mniej zależy od zmian temperatury, a przy każdej temperaturze między 50 a 500K mobilność elektronów w jednej warstwie grafenu wynosi około 15 000 cm/(V·s).

właściwości termiczne

Grafen ma bardzo dobre właściwości przewodnictwa ciepła. Czysty, wolny od defektów monowarstwowy grafen ma najwyższą przewodność cieplną spośród wszystkich materiałów węglowych, z przewodnością cieplną wynoszącą nawet 5300W/mK, co jest wyższe niż u nanorurek węglowych o ściance jednej (3500W/mK) i nanorurek węglowych o wielu ściankach (3000W/mK). Gdy jest używany jako nośnik, przewodność cieplna może również osiągnąć 600W/mK. Ponadto, balistyczna przewodność cieplna grafenu może opadać do dolnego limitu balistycznej przewodności cieplnej nanorurek węglowych na jednostkę obwodu i długości.

Właściwości optyczne

Grafen ma bardzo dobre właściwości optyczne, z współczynnikiem absorpcji wynoszącym około 2,3% w szerokim zakresie długości fali i wydaje się prawie przezroczysty. W zakresie grubości kilku warstw grafenu, współczynnik absorpcji zwiększa się o 2,3% dla każdej dodatkowej warstwy grubości. Duże filmy grafenowe mają również znakomite właściwości optyczne, a ich właściwości optyczne zmieniają się wraz ze zmianą grubości grafenu. Jest to nietypowa struktura elektronowa niskiej energii dla pojedynczej warstwy grafenu. Gdy na tranzystor polowy dwukładkowy bilayer grafenu stosowany jest napięcie przy temperaturze pokojowej, przerwa energetyczna grafenu może być regulowana między 0 a 0,25eV. Gdy jest stosowane pole magnetyczne, odpowiedź optyczna nanopasm grafenu może być dostosowywana do zakresu terahercowego.

rozpuszczalność

Wykazuje dobrą rozpuszczalność w roztworach niepolarnych i jest nadzwyczaj hydrofobny oraz nadzwyczaj lipofilny.

Temperatura topnienia

W badaniu z 2015 roku naukowcy stwierdzili, że wynosi ono około 4125K, a są również inne badania sugerujące, że temperatura topnienia może wynosić około 5000 K

inne właściwości

Może adsorbować i desorbować różne atomy i cząsteczki.

Związki

Oksyd grafenu

Materiał warstwowy uzyskany z oksydu grafitu. Po przetworzeniu fazą masową grafitu za pomocą gęstej kwaśnej roztworu dymiącego, warstwa grafenu jest utleniana do hydrofilowego oksydu grafenu, a odstęp między warstwami grafitu wzrasta z 3,35A przed utlenieniem do 7~10A. Struktura oddzielonego arkusza oksydu grafenu łatwo powstaje przez nagrzewanie lub ultradźwiękowe odwarstwianie w wodzie. Wyniki charakteryzacji, takie jak spektroskopia fotoelektronowa (XPS), spektroskopia podczerwieni (IR), spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego w stanie stałym (NMR) i inne pokazują, że oksydy grafenu zawierają wiele grup funkcyjnych zawierających tlenek, w tym grupy hydroksylowe, epoksydowe, karbonylowe, karboksylowe i inne. Grupy hydroksylowe i epoksydowe znajdują się głównie na powierzchni podstawowej grafitu, podczas gdy grupy karbonylowe i karboksylowe znajdują się na krawędziach grafenu.

Graphiane

Uzyskany w wyniku reakcji grafenu z gazem wodorowym, jest nasyconym węglowodorem o formule cząsteczkowej (CH)n, w którym wszystkie węgielki są hybrydowane sp i tworzą szesnastokątną strukturę sieciową, a atomy wodoru są wiązane z węglem w przemiennych formach z obu stron płaszczyzny grafenu, a graphiane wykazuje właściwości półprzewodnikowe z bezpośrednią lukią energetyczną.

Grafen azotodopowy lub azotan węgla

Po wprowadzeniu atomów azotu do krzemienia grafenu, aby stał się grafenem azotodopowanym, otrzymany grafen azotodopowany wykazuje lepsze właściwości niż czysty grafen, w nieuporządkowanej, przeźroczystej, złożonej postaci batystowej, niektóre z arkuszy nakładają się na siebie, tworząc wielowarstwową strukturę, pokazując wysoką pojemność własną i dobrą żywotność cykliczną.

Biokompatybilność

Implantacja jonów karboksylowych może umożliwić powierzchni materiałów z grafenu posiadanie aktywnych grup funkcyjnych, co znacząco poprawia reaktywność komórkową i biologiczną materiału. W porównaniu do węglowych nanorurzek w formie rurok, grafen jest lepszym kandydatem do badań nad biomateriałami. W porównaniu z nanorurkami węglowymi, krawędzie grafenu są dłuższe, łatwiejsze do dopowadzania oraz modyfikacji chemicznej, a także bardziej przyjazne dla grup funkcyjnych.

oksydowalność

Reaguje z aktywnymi metalami.

Redukowalność

Może zostać zoxydowany w powietrzu lub przez kwasy oksydujące, dzięki czemu grafen może zostać podzielony na mniejsze fragmenty. Oksyd grafenu to warstwisty materiał uzyskany przez oksydację grafitu. Łatwo można utworzyć pojedyncze struktury warstwowe oksydów grafenu za pomocą nagrzewania lub ultradźwiękowego odwarstwiania w wodzie.

Reakcja dodawania

Korzystając z wiązań podwójnych w grafenie, pożądane grupy mogą zostać dodane za pomocą reakcji dodawania.

Stabilność

Struktura grafenu jest bardzo stabilna, z wiązaniem węgiel-węgiel o długości tylko 1,42. Wiązania między atomami węgla wewnątrz grafenu są elastyczne, a gdy zewnętrzna siła działa na grafen, atomy węgla gią się i deformują, tak że atomy węgla nie muszą przeszukiwać swojego ułożenia, aby dostosować się do zewnętrznej siły, co utrzymuje stabilność struktury. Ta stabilna siatka krystaliczna nadaje grafenowi doskonałą przewodność cieplną. Ponadto, elektrony w grafenie nie rozpraszają się podczas poruszania po swoich orbitach z powodu defektów siatki krystalicznej lub wprowadzenia obcych atomów. Ze względu na tak silne siły międziatomowe, nawet przy temperaturze pokojowej, kiedy otaczające atomy węgla koligują się, elektrony wewnątrz grafenu są prawie w ogóle nie zakłócone.