กราฟีนและกราไฟท์แตกต่างกันอย่างไร?

องค์ประกอบทางเคมีที่โดดเด่น คาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่สะดวกอยู่ที่หมายเลข 6 ในกลุ่มที่สิบสี่ของคาบที่สองของตารางธาตุทางเคมี ตั้งแต่สมัยโบราณ ผู้คนรู้จักเพชรและกราไฟต์ ซึ่งเป็นการดัดแปลงแบบ allotropic สองครั้งจากมากกว่าเก้าแบบของธาตุนี้ที่ค้นพบจนถึงตอนนี้ โดยวิธีการที่มันเป็นคาร์บอนที่ใหญ่ที่สุดเมื่อเทียบกับสารอื่น ๆ จำนวนของการดัดแปลงแบบ allotropic ที่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่รู้จัก

Allotropy หมายถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่ตามธรรมชาติขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันในรูปของสารอย่างง่ายตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป ซึ่งเรียกว่ารูปแบบ allotropic หรือการดัดแปลงแบบ allotropic ซึ่งทำให้เกิดความแตกต่างในสารเหล่านี้ทั้งในด้านโครงสร้างและคุณสมบัติ ดังนั้น คาร์บอนจึงมีรูปแบบพื้นฐาน 8 รูปแบบ ได้แก่ เพชร กราไฟต์ ลอนสเดลไลต์ ฟูลเลอรีน (C60, C540 และ C70) คาร์บอนอสัณฐาน และท่อนาโนผนังชั้นเดียว

ในบรรดารูปแบบของคาร์บอนเหล่านี้มีคุณสมบัติและคุณลักษณะที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง: สารที่อ่อนนุ่มและแข็งโปร่งใสและทึบแสงสารราคาถูกและมีราคาแพง อย่างไรก็ตาม ลองเปรียบเทียบการดัดแปลงคาร์บอนสองแบบที่คล้ายกัน — กราไฟต์และกราฟีน

เราทุกคนคุ้นเคยกับกราฟฟิตีตั้งแต่สมัยเรียนไส้ดินสอธรรมดาคือกราไฟต์ มันค่อนข้างนุ่มลื่นและมันเมื่อสัมผัสคริสตัลเป็นแผ่นชั้นของอะตอมอยู่เหนือชั้นอื่น ๆ ดังนั้นเมื่อถูเช่นบนกระดาษเกล็ดแต่ละชั้นของโครงสร้างผลึกชั้นของกราไฟท์จะลอกออกได้ง่าย ทิ้งรอยดำที่มีลักษณะเฉพาะไว้บนกระดาษ

กราไฟต์นำกระแสไฟฟ้าได้ดี ความต้านทานโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 11 โอห์ม * มม.2 / ม. แต่ค่าการนำไฟฟ้าของกราไฟต์ไม่เท่ากันเนื่องจากผลึกแอนไอโซโทรปีตามธรรมชาติ ดังนั้น ค่าการนำไฟฟ้าตามแนวระนาบของคริสตัลจึงสูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าในระนาบเหล่านี้หลายร้อยเท่า ความหนาแน่นของกราไฟท์อยู่ระหว่าง 2.08 ถึง 2.23 g / cm3

โดยธรรมชาติ กราไฟต์ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูงในหินอัคนีและหินภูเขาไฟ ในสการ์นและเพกมาไทต์ มันเกิดขึ้นในเส้นเลือดควอทซ์ที่มีแร่ธาตุในชั้นหินโพลิเมทัลลิคที่อุณหภูมิปานกลางใต้ผิวน้ำ พบกระจายทั่วไปในหินแปร

ดังนั้นตั้งแต่ปี 1907 เป็นต้นมา กราไฟต์เกล็ดธรรมชาติที่มีปริมาณสำรองมากที่สุดในโลกได้รับการพัฒนาบนเกาะมาดากัสการ์ เกาะนี้ประกอบด้วยหินแปร Precambrian ที่โผล่ขึ้นมาบนผิวน้ำในภูมิประเทศแบบภูเขาที่มีรอยเส้นไฮโปเมตริกสูง 4,000-4,600 ฟุต กราไฟท์ถูกพบที่นี่ในแถบยาว 400 ไมล์และตั้งตระหง่านอยู่บนภูเขาทางตะวันออกของใจกลางเกาะ

กราฟีนซึ่งแตกต่างจากกราไฟต์ไม่มีโครงสร้างผลึกจำนวนมาก มีโครงตาข่ายคริสตัลหกเหลี่ยมสองมิติที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม ในการดัดแปลงแบบ allotropic นั้น คาร์บอนไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติเลย แต่ในทางทฤษฎีสามารถได้มาโดยเทียม เราสามารถพูดได้ว่าระนาบที่จงใจแยกออกจากโครงสร้างผลึกจำนวนมากหลายชั้นของกราไฟต์จะเป็นกราฟีนนี้

ในตอนแรก นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถรับกราฟีนในรูปแบบของฟิล์มสองมิติอย่างง่ายได้ เนื่องจากความไม่เสถียรของสสารในรูปแบบนี้ อย่างไรก็ตาม บนพื้นผิวซิลิกอนออกไซด์ (เนื่องจากพันธะกับชั้นไดอิเล็กตริก) ก็ยังมีความเป็นไปได้ที่จะได้กราฟีนที่มีความหนาหนึ่งอะตอม ในปี 2004 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Andrey Geim และ Konstantin Novoselov แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้ตีพิมพ์รายงานใน Science ในการรับกราฟีนด้วยวิธีนี้

และแม้กระทั่งทุกวันนี้ วิธีการง่ายๆ ในการรับกราฟีนสำหรับการวิจัย เช่น การขัดชั้นเชิงกลของคาร์บอนโมโนเลเยอร์จากผลึกกราไฟท์จำนวนมากโดยใช้เทปกาว (และวิธีการที่คล้ายกัน) ก็เป็นสิ่งที่ชอบธรรม

นักวิจัยเชื่อว่าด้วยความก้าวหน้าของพวกเขา นาโนอิเล็คทรอนิกส์ที่ใช้กราฟีนชนิดใหม่จะถือกำเนิดขึ้นในไม่ช้า ซึ่งทรานซิสเตอร์ภาคสนามจะมีความหนาน้อยกว่า 10 นาโนเมตร ความจริงก็คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในกราฟีนนั้นสูงมาก (10,000 cm2 / V * s) ซึ่งดูเหมือนว่าจะเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับซิลิคอนทั่วไปในปัจจุบัน

ความคล่องตัวของพาหะสูงคือความสามารถของอิเล็กตรอนและโฮลในการตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อผลกระทบของสนามไฟฟ้าที่ใช้ และนี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับทรานซิสเตอร์ภาคสนามซึ่งเป็นหน่วยปฏิบัติการพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

นอกจากนี้ยังมีโอกาสในการสร้างเซ็นเซอร์ทางชีวภาพและเคมีต่างๆ เช่นเดียวกับฟิล์มบางสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และหน้าจอสัมผัส แม้จะมีทั้งหมดนี้ ค่าการนำความร้อนของกราฟีนยังสูงกว่าทองแดงถึง 10 เท่า และเกณฑ์นี้มีความสำคัญมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เสมอ