Важность углерода

Графен представляет собой единый атомный слой углерода. Углерод - 15-й самый распространенный элемент в земной коре и четвертый по распространенности элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. В человеческом организме углерод является вторым наиболее распространенным по массе элементом после кислорода, примерно на 18,5 процента. Графен отличается от неорганических материалов тем, что углерод присутствует во всех органических структурах.

Есть несколько свойств, которыми обладает углерод, которые позволяют ему быть общим элементом всей известной жизни. Эти свойства варьируются от его обилия и уникального разнообразия органических соединений до его особой способности образовывать полимеры при температурах, обычно присутствующих на Земле.

Соединение графена

Кроме того, атомы углерода способны создавать многочисленные виды кристаллических структур, которые отличаются по своим свойствам из-за того, как они связываются друг с другом. В типичном поведении связывания одинаковые молекулярные орбитали связываются друг с другом, в частности, s-орбитали с другими s-орбиталями и p-орбитали с другими p-орбиталями. Вместо этого углерод связывается посредством гибридизации орбиталей, называемой «углерод с sp2-связью» при описании графена. В этой формуле одна s-орбиталь связана с двумя p-орбиталями.

Важным инструментом в изучении 2-D материалов являются силовые микроскопы, с помощью которого получают наиболее точные изображения углеродного слоя.

Для углеродного материала с одной двойной связью и двумя одинарными связями, орбитали станут 33,3 процента "s" и 66,7 процента "p", что делает графен "sp2". Это означает, что все графеновые листы идентичны и их свойства воспроизводимы. Графен имеет преимущество перед своим старшим кузеном, углеродными нанотрубками (УНТ), благодаря этой связи sp2.

Тонкости в формировании углеродных связей

В идеале, атомы углерода, которые составляют нанотрубки, должны быть расположены в гексагональной сети так, чтобы каждый атом углерода был связан с тремя другими атомами углерода, следовательно, образуя связь sp2. Но это возможно только тогда, когда нанотрубки идеальны и когда они имеют одинаковый диаметр.

Однако в действительности в нанотрубках есть дефекты, которые приводят к связыванию sp3. Кроме того, нанотрубки не являются плоскими, и в результате они не могут быть точно смоделированы с помощью символов связи sp2. Из-за этого УНТ столкнулся с рядом проблем: от отсутствия контроля над их физическими и химическими свойствами и трудностей с масштабируемостью до высоких затрат на производство и очистку, которые ограничивают область их применения. Однако, поскольку качество и объемы производства УНТ улучшаются, эти проблемы решаются вместе с развитием графена.

Источник: официальный дитрибьютор продукции компании Nanomagnetic Instruments в СНГ