ما هو الفرق بين الجرافين والجرافيت؟

عنصر كيميائي رائع ، الكربون هو العنصر الذي يجلس بسهولة في الرقم 6 في المجموعة الرابعة عشرة من الفترة الثانية من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية. منذ العصور القديمة ، عرف الناس الألماس والجرافيت ، تم اكتشاف اثنين من أكثر من تسعة تعديلات متآصلة لهذا العنصر حتى الآن. بالمناسبة ، فإن الكربون هو الذي يحتوي على أكبر عدد من التعديلات المتآصلة المعروفة للعلم الحديث ، مقارنة بالمواد الأخرى.

يشير التآصل إلى إمكانية وجود نفس العنصر الكيميائي في الطبيعة في شكل مادتين بسيطتين أو أكثر ، ما يسمى الأشكال المتآصلة أو التعديلات المتآصلة ، والتي تسبب اختلافات في هذه المواد في كل من التركيب والخصائص. لذلك ، يحتوي الكربون على 8 أشكال أساسية: الماس ، الجرافيت ، لونسداليت ، الفوليرين (C60 ، C540 و C70) ، الكربون غير المتبلور والأنبوب النانوي أحادي الجدار.

من بين هذه الأشكال من الكربون ، هناك خصائص وخصائص مختلفة تمامًا: المواد اللينة والصلبة والشفافة وغير الشفافة والرخيصة والمكلفة. ومع ذلك ، دعونا نقارن بين تعديلين متشابهين للكربون - الجرافيت والجرافين.

نحن جميعًا على دراية بالرسم على الجدران منذ المدرسة.رصاص قلم رصاص عادي هو بالضبط الجرافيت. إنها ناعمة جدًا وزلقة ودهنية عند لمسها ، والبلورات عبارة عن ألواح ، وتقع طبقات الذرات واحدة فوق الأخرى ، لذلك عند الاحتكاك ، على سبيل المثال ، على الورق ، تقشر الرقائق الفردية للبنية البلورية ذات الطبقات من الجرافيت بسهولة ، تاركًا أثرًا غامقًا مميزًا على الورق.

يقوم الجرافيت بتوصيل التيار الكهربائي جيدًا ، ومقاومته في المتوسط ​​11 أوم * مم 2 / م ، لكن موصلية الجرافيت ليست هي نفسها بسبب التباين الطبيعي لبلوراتها. وبالتالي ، فإن الموصلية على طول مستويات البلورة أعلى بمئات المرات من الموصلية في هذه الطائرات. تتراوح كثافة الجرافيت من 2.08 إلى 2.23 جم / سم 3.

في الطبيعة ، يتكون الجرافيت في درجات حرارة عالية في الصخور النارية والبركانية ، في السكارن والبيغماتيت. يحدث في عروق الكوارتز مع المعادن في رواسب متعددة المعادن ذات درجة حرارة متوسطة. يتم توزيعه على نطاق واسع في الصخور المتحولة.

وهكذا ، منذ عام 1907 ، تم تطوير أكبر احتياطيات العالم من الجرافيت الطبيعي في جزيرة مدغشقر. تتكون الجزيرة من صخور ما قبل الكمبري المتحولة التي ترتفع إلى السطح في تضاريس جبلية بعلامات قياس فرط قياس من 4000 إلى 4600 قدم. تم العثور على الجرافيت هنا في حزام يبلغ طوله 400 ميل ويسيطر على الجبال في الجزء الشرقي من وسط الجزيرة.

لا يحتوي الجرافين ، على عكس الجرافيت ، على بنية بلورية كبيرة ؛ إنه يتميز بشبكة بلورية سداسية ثنائية الأبعاد ، بسمك ذرة واحدة فقط. في مثل هذا التعديل المتآصل ، لا يحدث الكربون بشكل طبيعي على الإطلاق ، ولكن يمكن نظريًا الحصول عليه بشكل مصطنع. يمكننا القول أن الطائرة المنفصلة عمدا عن التركيب البلوري متعدد الطبقات للجرافيت سيكون هذا الجرافين بالذات.

لم يتمكن العلماء في البداية من الحصول على الجرافين في شكل فيلم بسيط ثنائي الأبعاد ، بسبب عدم استقرار المادة في هذا الشكل. ومع ذلك ، على ركيزة أكسيد السيليكون (بسبب الرابطة مع الطبقة العازلة) ، كان لا يزال من الممكن الحصول على جرافين بسماكة ذرة واحدة: في عام 2004 ، نشر العالمان الروسيان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف من جامعة مانشستر تقريرًا في مجلة Science في الحصول على الجرافين بهذه الطريقة.

وحتى اليوم ، هناك ما يبرر مثل هذه الأساليب البسيطة للحصول على الجرافين لأغراض البحث ، مثل التقشير الميكانيكي لطبقة كربون أحادية الطبقة من بلورة الجرافيت السائبة باستخدام شريط لاصق (وطرق مماثلة).

يعتقد الباحثون أنه بفضل تقدمهم ، ستظهر قريبًا فئة جديدة من الإلكترونيات النانوية القائمة على الجرافين ، حيث ستكون ترانزستورات التأثير الميداني أقل من 10 نانومتر. الحقيقة هي أن حركة الإلكترونات في الجرافين عالية جدًا (10000 سم 2 / V * ثانية) ويبدو أنها البديل الواعد للسيليكون التقليدي اليوم.

الحركة الحاملة العالية هي قدرة الإلكترونات والثقوب على الاستجابة بسرعة كبيرة لتأثير المجالات الكهربائية المطبقة ، وهذا مهم للغاية بالنسبة للترانزستورات ذات التأثير الميداني ، وهي وحدة التشغيل الأساسية للإلكترونيات الحديثة.

هناك أيضًا احتمالات لإنشاء أجهزة استشعار بيولوجية وكيميائية مختلفة ، بالإضافة إلى أغشية رقيقة للأجهزة الكهروضوئية وشاشات اللمس. على الرغم من كل هذا ، فإن الموصلية الحرارية للجرافين أعلى بعشر مرات من الموصلية الحرارية للنحاس ، وهذا المعيار مهم جدًا دائمًا للإلكترونيات.