ไพรเมอร์กราฟีนที่อัดแน่นด้วยสังกะสี

คุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและการส่งผ่านแสง

การเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนในกราฟีนเหมือนกับของชั้นอะตอมเดี่ยวของกราไฟต์ที่เชื่อมต่อกันด้วยออร์บิทัลไฮบริด sp และมีคุณสมบัติดังนี้: อะตอมคาร์บอนมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 4 ตัว โดยที่ 3 อิเล็กตรอนสร้างพันธะ sp นั่นคือ แต่ละอะตอมคาร์บอนส่งอิเล็กตรอนที่ไม่ได้เชื่อมพันธะซึ่งอยู่ในออร์บิทัล pz ออร์บิทัล pz ของอะตอมเพื่อนบ้านตั้งฉากกับระนาบเพื่อสร้างพันธะ π พันธะ π ที่เกิดขึ้นใหม่นี้อยู่ในสถานะครึ่งเต็ม การศึกษายืนยันว่าอะตอมคาร์บอนในกราฟีนมีจำนวนพิกัดเท่ากับ 3 ความยาวของพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงกันทุกสองตัวคือ 1.42×10 เมตร และมุมระหว่างพันธะคือ 120° นอกจากโครงสร้างแบบเซลล์ชั้นที่ซึ่งพันธะ σ เชื่อมโยงกับอะตอมคาร์บอนอื่นๆ เป็นวงหกเหลี่ยมแล้ว ออร์บิทัล pz ที่ตั้งฉากกับระนาบของชั้นของแต่ละอะตอมคาร์บอนสามารถสร้างพันธะ π ขนาดใหญ่ (คล้ายกับแหวนเบนเซน) ที่ครอบคลุมทั้งชั้นของอะตอมหลายตัว และจึงมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแสงที่ยอดเยี่ยม

คุณสมบัติทางกล

กราฟีนเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแรงที่สุดที่รู้จัก แต่ก็ยืดหยุ่นได้ดีและสามารถโค้งได้ กราฟีนมีค่าโมดูลัสของยังแบบทฤษฎีอยู่ที่ 1.0 เทราปาสคาล และมีความแข็งแรงดึงในตัวเองอยู่ที่ 130 กิกะปาสคาล กราฟีนที่ถูกปรับด้วยพลาสมาไฮโดรเจนก็มีความแข็งแรงดีเช่นกัน โดยมีโมดูลัสเฉลี่ยสูงขึ้นกว่า 0.25 เทราปาสคาล กระดาษกราไฟท์ที่ประกอบด้วยแผ่นกราฟีนมีรูพรุนมากมาย ทำให้กระดาษกราไฟท์เปราะบางมาก อย่างไรก็ตาม กระดาษกราไฟท์ที่ทำจากกราฟีนฟังก์ชันนอลแบบออกไซด์ มีความแข็งแรงมาก

ผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์

ความสามารถในการเคลื่อนที่ของพาหะในกราฟีนที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 15,000 ซม./(V·s) สูงกว่าของวัสดุซิลิกอนมากกว่า 10 เท่า และสูงกว่าวัสดุอินเดียมแอนติโมไนด์ (InSb) ซึ่งเป็นสารที่มีความสามารถในการเคลื่อนที่ของพาหะสูงที่สุดที่รู้จักกันมากกว่าสองเท่า ในบางเงื่อนไข เช่น อุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการเคลื่อนที่ของพาหะในกราฟีนสามารถสูงถึง 250,000 ซม./(V·s) ได้ ไม่เหมือนกับวัสดุหลายชนิด การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในกราฟีนได้รับผลกระทบจากความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิน้อยกว่า และที่อุณหภูมิใด ๆ ระหว่าง 50 ถึง 500K การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในกราฟีนชั้นเดียวจะอยู่ที่ประมาณ 15,000 ซม./(V·s)

คุณสมบัติทางความร้อน

กราฟีนมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีมาก กราฟีนชั้นเดียวที่บริสุทธิ์และไม่มีข้อบกพร่องมีความสามารถในการนำความร้อนสูงที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุคาร์บอนใด ๆ โดยมีค่าการนำความร้อนสูงถึง 5300W/mK สูงกว่า nanotube คาร์บอนแบบ single-walled (3500W/mK) และ multi-walled carbon nanotubes (3000W/mK) เมื่อใช้เป็นตัวกลาง การนำความร้อนสามารถไปถึง 600W/mK นอกจากนี้ การนำความร้อนแบบ ballistic ของกราฟีนสามารถลดค่าลิมิตต่ำสุดของการนำความร้อนแบบ ballistic ของ carbon nanotubes ลงได้ต่อหน่วยเส้นรอบวงและความยาว

คุณสมบัติทางแสง

กราฟีนมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีมาก โดยมีอัตราการดูดซับประมาณ 2.3% ในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง และดูแทบจะโปร่งใส เมื่อเพิ่มจำนวนชั้นของกราฟีน อัตราการดูดซับจะเพิ่มขึ้น 2.3% สำหรับแต่ละชั้นที่เพิ่มเข้ามา ฟิล์มกราฟีนขนาดใหญ่ยังคงมีคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม และคุณสมบัติดังกล่าวจะเปลี่ยนแปลงตามความหนาของกราฟีน สิ่งนี้แสดงโครงสร้างอิเล็กตรอนพลังงานต่ำที่ผิดปกติสำหรับกราฟีนชั้นเดียว เมื่อประยุกต์แรงดันไฟฟ้าไปยังทรานซิสเตอร์สนามผลึกกราฟีนสองเกตที่อุณหภูมิห้อง ช่องว่างแบนด์ของกราฟีนสามารถปรับได้ระหว่าง 0 ถึง 0.25eV นอกจากนี้ เมื่อประยุกต์สนามแม่เหล็ก การตอบสนองทางแสงของนาโนริบบอนกราฟีนสามารถปรับให้อยู่ในช่วงเทราเฮิรตซ์ได้

ความละลาย

ละลายได้ดีในสารละลายที่ไม่เป็นโพลา และมีคุณสมบัติ Waterproof และชอบไขมันสูง

จุดละลาย

นักวิทยาศาสตร์กล่าวในงานวิจัยปี 2015 ว่าค่าดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 4,125K และยังมีงานวิจัยอื่น ๆ ที่ชี้ว่าจุดหลอมเหลวอาจอยู่ที่ประมาณ 5,000 K

คุณสมบัติอื่น ๆ

สามารถดูดซับและปล่อยอะตอมหรือโมเลกุลต่าง ๆ ได้

สารประกอบ

กราฟีนออกไซด์

วัสดุชั้นซ้อนที่ได้จากออกไซด์ของกราฟีต เมื่อกราฟีตในเฟสจำนวนมากถูกทำปฏิกิริยาด้วยสารละลายกรดเข้มข้นแบบควัน ชั้นกราฟีนจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็นกราฟีนออกไซด์ที่ชอบน้ำ และระยะห่างระหว่างชั้นกราฟีตจะเพิ่มขึ้นจาก 3.35Å ก่อนการออกซิไดซ์ เป็น 7~10Å โครงสร้างแผ่นกราฟีนออกไซด์ที่แยกออกจากกันสามารถสร้างขึ้นได้ง่ายโดยการอุ่นหรือการลอกออกจากกันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงในน้ำ ผลจากการวิเคราะห์ด้วย XPS, เสเพคโตรสโคปีอินฟราเรด (IR), เสเพคโตรสโคปีรังสีแม่เหล็กนิวเคลียร์ของของแข็ง (NMR) และอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่ากราฟีนออกไซด์มีกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจนอยู่เป็นจำนวนมาก เช่น ไฮดรอกซิล, กลุ่มอีพ็อกซี, คาร์บอนไนล์, กรุ๊ปคาร์บอกซิล และอื่น ๆ โดยกลุ่มไฮดรอกซิลและอีพ็อกซีจะอยู่บนผิวฐานของกราฟีต ในขณะที่กลุ่มคาร์บอนไนล์และคาร์บอกซิลจะอยู่บริเวณขอบของกราฟีน

Graphiane

ได้มาจากการทำปฏิกิริยาระหว่างกราฟีนกับก๊าซไฮโดรเจน เป็นไฮโดรคาร์บอนอิเล็กทรอลิตที่มีสูตรโมเลกุล (CH)n โดยที่คาร์บอนทั้งหมดเป็น sp ไฮบริดและสร้างโครงสร้างเครือข่ายหกเหลี่ยม อะตอมของไฮโดรเจนจะจับกับคาร์บอนในรูปแบบสลับกันจากทั้งสองด้านของระนาบกราฟีน และกราฟิแอนแสดงคุณสมบัติของการเป็นสารกึ่งตัวนำพร้อมช่องว่างแบนด์โดยตรง

กราฟีนที่เติมไนโตรเจน หรือ คาร์บอนไนไตรด์

หลังจากการนำอะตอมของไนโตรเจนเข้าสู่โครงข่ายกราฟีนเพื่อให้กลายเป็นกราฟีนที่เติมไนโตรเจน จะพบว่ากราฟีนที่เติมไนโตรเจนมีคุณสมบัติเด่นกว่ากราฟีนบริสุทธิ์ โดยมีรูปร่างคล้ายผ้าก๊อซพับที่โปร่งใสและไม่มีระเบียบ บางแผ่นถูกซ้อนกันเพื่อสร้างโครงสร้างหลายชั้น แสดงความจุจำเพาะสูงและความทนทานในการใช้งานซ้ำที่ดี

ความสามารถในการยอมรับทางชีวภาพ

การฝังไอออนคาร์บอกซิลสามารถทำให้ผิวของวัสดุกราฟีนมีกลุ่มฟังก์ชันที่เป็นสารกระตุ้นได้ ซึ่งจะเพิ่มปฏิกิริยาทางเซลล์และชีวภาพของวัสดุอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับรูปแบบท่อของนาโนท่อคาร์บอน กราฟีนเหมาะสมกว่าสำหรับการวิจัยวัสดุชีวภาพ และเมื่อเปรียบเทียบกับนาโนท่อคาร์บอน ขอบของกราฟีนมีความยาวกว่า ง่ายต่อการเจือปนและการดัดแปลงทางเคมี และง่ายต่อการยอมรับกลุ่มฟังก์ชัน

ออกซิเดชัน

เกิดปฏิกิริยากับโลหะที่เป็นสารกระตุ้น

การลดลง

สามารถถูกออกซิเดชันในอากาศหรือโดยกรดออกซิเดชัน ซึ่งกราฟีนสามารถถูกตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ ได้ ออกไซด์ของกราฟีนเป็นวัสดุชั้นที่ได้จากการออกซิเดชันของกราไฟต์ สามารถสร้างโครงสร้างชั้นของออกไซด์กราฟีนแยกกันได้ง่ายโดยการอุ่นหรือการลอกด้วยคลื่นเสียงในน้ำ

ปฏิกิริยาการเติม

ใช้พันธะคู่บนกราฟีน เพื่อเติมกลุ่มที่ต้องการผ่านปฏิกิริยาการเติม

ความคงที่

โครงสร้างของกราฟีนนั้นเสถียรมาก โดยมีพันธะคาร์บอน-คาร์บอนเพียง 1.42 พันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนภายในกราฟีนมีความยืดหยุ่น และเมื่อมีแรงภายนอกกระทำต่อกราฟีน อะตอมคาร์บอนจะโค้งและ distort ซึ่งทำให้อะตอมคาร์บอนไม่จำเป็นต้องเรียงใหม่เพื่อปรับตัวกับแรงภายนอก ส่งผลให้โครงสร้างยังคงเสถียร โครงสร้างตาข่ายที่เสถียรนี้ทำให้กราฟีนมีความสามารถในการนำความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม นอกจากนี้ อิเล็กตรอนในกราฟีนไม่กระจายตัวขณะเคลื่อนที่ผ่านวงโคจรเนื่องจากข้อบกพร่องของโครงสร้างตาข่ายหรือการแทรกของอะตอมแปลกปลอม เนื่องจากแรงระหว่างอะตอมมีความแข็งแกร่งมาก ที่อุณหภูมิห้อง แม้ว่าอะตอมคาร์บอนรอบข้างจะชนกัน อิเล็กตรอนภายในกราฟีนก็แทบจะไม่ถูกรบกวน