Grafén

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Jump to navigation Jump to search

A grafén a szén egy nanoszerkezetű allotrop módosulata, egy egyetlen atom vastagságú grafitréteg, melyet méhsejtrácsos elrendezésben álló szénatomok alkotnak. Más megközelítésben tekinthető végtelen kiterjedésű aromás óriásmolekulának, illetve extrém méretű policiklusos aromás szénhidrogénnek.[1]

A grafit egyatomos rétegeivel kapcsolatban már a 20. század közepén is volt elképzelés, és 1962-ben önállóan is észlelték a grafénlemezeket elektronmikroszkópos vizsgálatok során.[2] Előállításukra egy frappáns eljárást javasolt 2004-ben Andre Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov, a Manchesteri Egyetem fizikusai, mely eredményükért 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak.[3] A két fizikus speciális ragasztószalag segítségével addig szedett le rétegeket egy grafittömbről, amíg sikerült belőle egyetlen atomnyi réteget elválasztani. E munkájuk nyomán a grafén az alapkutatás és a mérnöki fejlesztőmunka népszerű témájává vált a 2000-es évek első és második évtizede határán. Kínai tudósok a napelemek felületére víve elérték, hogy sötétben, ill. esőben is termeljenek elektromos áramot.[4]

Kutatása[szerkesztés]

Története[szerkesztés]

A grafén felfedezésének fontos előzményei közé tartozik, hogy 1859-ben Benjamin Collins Brodie angol kémikus lemezes szerkezetű termékeket figyelt meg grafiton végzett termikus oxidáció során.[5][6] A szerkezetét 1916-ban Peter Debye és Paul Scherrer határozta meg pordiffrakciós vizsgálatokkal.[7] Az anyag részletes vizsgálatait Kohlschütter és Haenni német fizikusok végezték el 1918-ban, a grafit-oxid papírral kapcsolatos kutatásaik során.[8] Az anyagszerkezet részletesebb leírását adta John Desmond Bernal ír kutató egykristály-diffrakciós vizsgálatokon alapuló 1924-es eredménye.[9][10]

A grafén-egyréteg első elméleti leírását Philip Russell Wallace kanadai elméleti fizikus adta 1947-ben, mely egyben lehetőséget adott a háromdimenziós grafit elektromos és mechanikai tulajdonságainak jobb megértésére is.[11] Ezen elmélet következménye, hogy a grafénben terjedő elektronokra felírt Dirac-egyenletből nulla effektív tömeg származik, melyre elsőként Semenoff kanadai fizikus, illetve DiVincenzo és Mele kutatók mutattak rá.[12][13] Semenoff emellett arra a következtetésre is jutott, hogy a grafén reciprokrácsának a Dirac-pontban Landau-nívó jelentkezik, ha az anyagot mágneses erőtérbe helyezzük. Ezzel magyarázható az anomális egész számú kvantum-Hall-effektus jelensége a grafénben.[14][15]

Előállítási módjára Andre Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov 2004-ben javasolt egy eljárást, munkájukat Hanns-Peter Boehm németi fizikus és kutatótársai 1962-es eredményeire alapozták.[5][16] Maga a grafén kifejezés is Boehm kutatócsoportjától származik 1986-ból.[17]

Hazai kutatása[szerkesztés]

A grafént érintő témakörökben Magyarországon számos publikáció született, a magyar kutatók a világ élvonalához tartoznak a grafén kutatásában. Az MTA Természettudományi Kutatóközpontjának Műszaki Fizikai és Anyagtudományi intézetében intenzív kutatás zajlik a témában. Foglalkoznak például grafén grafitból való, kísérleti célú előállításával, nanométeres mérettartományú megmunkálásával,[18] a grafén elektromos jellemzőinek a szerkezeti kialakítása általi befolyásolásával, a grafén különféle pásztázó mikroszkópiai eszközökkel való módosításával,[19] illetve a grafén spintronikai,[20] illetve mágneses jellemzőivel,[21] illetve grafénen kialakított kvantumpöttyök vizsgálataival.[22]

A BME Természettudományi Karának Fizika Tanszékén foglalkoznak többek között grafénen kialakított nanorések jellemzésével.[23]

Az Európai Bizottság 2012-ben kiválasztott két kiemelt kutatási projektjének egyike a grafénkutatás. A Graphene Flagship keretében végzett kutatásokban magyar kutatók is közreműködnek.[24][25]

Előállítása[szerkesztés]

Fizikai jellemzői[szerkesztés]

Szerkezete és mechanikai tulajdonságai[szerkesztés]

A grafén izolált előállítására alkalmas módszer 2004-es kidolgozása előtt nem volt ismert más kétdimenziós, kristályos anyag. Emellett a Mermin–Wagner-tétel[26] értelmében kétdimenziós rácsot nem jellemezhet hosszútávú rend, a hőmozgás miatt az atomok kitérése összemérhető a rácsállandóval. Emiatt sokan úgy vélték, hogy kétdimenziós kristály a természetben nem fordulhat elő, mert a hőmozgás szétzilálja a szerkezetet. Csak később, a grafénen történt vizsgálatok ismeretében oldották fel ezt az ellentmondás. A szilárdtestfizikai magyarázat szerint a szabadon álló grafén valójában nem tökéletesen sík, hanem felülete fodrozódik, mely a grafén síkbeli rácsrezgéseivel csatolásba(wd) kerülve stabilizálja a szerkezetet.

A grafén síkjában szénatomok találhatók, melyek legkülső betöltetlen elektronhéján négy elektron található. A hatszöges rács úgy alakul ki, hogy az atomi szén egy s- és három p-pályája hibridizáció során térben átrendeződik. A grafén síkjában sp2 hibridpályák jönnek létre, melyek segítségével a szénatomok síkbeli σ-kötéseket létesítenek. Ezek a kötések biztosítják a szerkezet stabilitását és rugalmasságát. A szénatom körül a három kötés 120°-os szögben helyezkedik el, a szomszédos szénatomok jellemző távolsága 0,142 nm.[27]

Elektromos jellemzői[szerkesztés]

Az ideális grafénban az elektromok mobilitása meghaladhatja a 1 000 000 cm2/Vs-ot,[28] ami mikrométeres méretben már szobahőmérsékleten is veszteségmentes ballisztikus vezetésnek felel meg. Ez azt jelenti, hogy a hibamentes grafénen nem szabadul fel Joule-hő, amikor áramot vezet, ellenállása pedig igen csekély, hiszen az elektronok rajta áthaladva alig szenvednek szóródást. A gyakorlatban hibamentes grafén előállítása nehéz, továbbá a grafénre kapcsolt elektromos csatlakozókon (elektródákon) jelentkezik Joule-hő.

Az extrém elektromos jellemzők a szerkezet mikroszkopikus jelenségeivel, az anyag sajátos kristályszerkezetével, illetve elektromos sávszerkezetével magyarázhatók. A kétdimenziós anyagban az elektronok a tér két irányában szabadon elmozdulhatnak, a grafénsíkra merőlegesen azonban kvantumbezárási jelenség lép fel, mely további érdekes jelenségekhez vezet.[27]

A grafén szénatomjainak hibridizált pályái igen nagy hatással vannak a nanoanyag sávszerkezetére is. A három síkbeli σ-kötés a szénatomnak három elektronját kényszeríti között molekulapályára, a negyedik vegyértékelektron viszont a sík alatt és felett, a megmaradt p-pályán helyezkedik el. E negyedik elektron a sík alatt és felett kovalens π-kötést alakít ki a szomszédos szénatomok között. A σ-kötő elektronok számára a kötéseik alkotta energiasáv teljesen betöltött, így ezeken elektromos vezetés nem történik. Azonban a π-kötések csak félig betöltöttek, rajtuk a töltéshordozók a grafénrács síkjában elmozdulhatnak, így elektromos vezetés jöhet létre.[27]

A grafitot felépítő grafénrétegek feltételezett félfémes jellegéről már P. R. Wallace is tett említést a grafit elektronszerkezetéről szóló 1947-es munkájában.[11] A félfémes jelleg egyfajta átmenet a fémes vezető és a félvezető között: a Fermi-szint körül a vezetési sáv és a vegyértéksáv éppen összeér a reciproktér bizonyos pontjaiban. Így ezekben a pontokban maga a Fermi-szint is megengedett energián van, bár a grafén esetén az állapotsűrűség ebben a pontban éppen nulla.[27]

A szerkezet következtében a Fermi-szint feletti kis gerjesztési szinteken a sávelektronok effektív tömege nulla, és bár nem relativisztikus fizikai jelenségkörről van szó, a vezetési sáv elektronjainak viselkedésére a Schrödinger-egyenlet helyett meglepő módon mégis a Dirac-egyenlet ad jó leírást.[29]

Optikai jellemzői[szerkesztés]

Termikus jellemzői[szerkesztés]

Kémiai jellemzői[szerkesztés]

Egyéb tulajdonságai[szerkesztés]

Típusai[szerkesztés]

Többrétegű grafén[szerkesztés]

Grafén nanoszalag[szerkesztés]

Kapcsolata más szén nanoszerkezetekkel[szerkesztés]

Extrém szerkezetek[szerkesztés]

Alkalmazásai[szerkesztés]

A grafén extrém tulajdonságokkal rendelkező nanoszerkezetű alapanyag, amely az elektronikától az orvostudományig nagyon sok területen ígér áttörésjellegű előrelépést. A grafén keményebb a gyémántnál, jobb elektromos vezető a réznél, és rugalmasabb a guminál, bár e jellemzőit a gyakorlatban néha nehéz kihasználni.

2012 végéig a világon összesen 7351, grafénnel kapcsolatos szabadalmi bejelentés született, a legtöbb, 2200 a kínai intézményeké és vállalatoké. Az Egyesült Államok a második helyen áll 1754 szabadalommal. Az Egyesült Királyság, ahol felfedezték az anyagot 2004-ben, csak 54 szabadalmat tud felmutatni, 16 a Manchesteri Egyetemhez kötődik, ahol 2013-ban is ott dolgozik a két Nobel-díjas kutató. Vállalatok szerint a Samsung 407, az IBM 134 szabadalmat birtokol.[30]

Textilipar[szerkesztés]

Jelentős kutatások folynak a grafén textilipari alkalmazására is. E kutatásoknak jelenleg két iránya van: elektromosan vezető textilanyagok[31] ill. hőálló és nagy kopásállóságú textíliák kifejlesztése.[32] Az előbbi irányzat célja olyan szálasanyagok ill. kelmék előállítása, amelyek grafén bevonatuk révén nagy elektromos vezetőképességűek és ezért alkalmasak intelligens ("okos") ruházatokban különböző beépített elektronikus készülékek befogadására és működtetésére. A hőálló és nagy kopásállóságú textíliáknak a védőruhák területén van igen nagy szerepe és amennyiben grafén bevonattal ezeket a tulajdonságokat javítani lehet, ezzel elérhető, hogy ezek az öltözékek sokkal vékonyabbak, könnyebbek legyenek, mint a jelenlegi, sokkal összetettebb szerkezetű védőöltözetek, megkönnyítve ezzel viselőjük mozgását és javítva munkavégzésének hatékonyságát.

A pépszerű állapotba hozott grafén alkalmas arra, hogy a szitanyomás technikájával textilanyagra rétegezzék és ezzel a módszerrel érzékelőket állítsanak elő, amelyek a test hőmérsékletéről, a testfelületet ért nyomásról, a testrész mozgásáról stb. küldjenek információt. A grafén bakteriosztatikus hatása is kihasználható a közvetlenül a testen viselt alsóruházatoknál. Nagyfokú hővezető képessége folytán a grafénbevonat segít a hő egyenletes elosztásában a ruhadarab belső felszínén. A grafén és a víz ill. a grafén és a levegő között nagyon kicsi a súrlódási tényező, ami számos alkalmazási területen (pl. egyes sportruházati termékeknél) előnyös lehet.[33][34]

Elektronika[szerkesztés]

A grafén mindössze 2%-át nyeli el a látható fénynek, közben kitűnő vezetőképességgel rendelkezik. E két tulajdonsága révén fényáteresztő elektródaként alkalmazható, így például kijelzők alapanyagává válhat, kiváltva a ma használatos, de drága ITO-t. A grafén előnye továbbá, hogy rugalmas, így hajlékony kijelzők kialakítására lehetne alkalmazni.[24]

Jó vezetőképessége révén viszonylag nagy a mikrohullámú sugárzást elnyelő képessége. E jellemzője révén például elképzelhető, hogy a bizalmas adatok lehallgatását gátló eszközök, illetve lopakodó repülőgépek kifejlesztésénél is alkalmazzák. A mikrohullámú visszaverés például szigetelőrétegek és grafénrétegek váltakozó kialakításával minimalizálható.[24]

A jövő[szerkesztés]

  • Tengervíz-sótalanítás[35]
  • Nanoáramkörök[18]

Környezeti és egészségügyi hatásai[szerkesztés]

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. Chemistry, International Union of Pure and Applied: IUPAC Gold Book - graphene layer (en nyelven). goldbook.iupac.org. DOI:10.1351/goldbook.G02683. (Hozzáférés: 2018. február 2.)
  2. H. P. Boehm et al. (1962). „Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien”. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 316 (3-4), 119–127. o, Kiadó: Wiley-Blackwell. DOI:10.1002/zaac.19623160303. ISSN 0044-2313.  
  3. The Nobel Prize in Physics 2010. www.nobelprize.org. (Hozzáférés: 2018. február 2.)
  4. Tudomány minden napra, M5 televízió, 2018. május 29.
  5. a b A. K. Geim (2012). „Graphene prehistory”. Physica Scripta 146, 014003. o. DOI:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003.  
  6. B. C. Brodie (1859). „On the Atomic Weight of Graphite”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 149, 249–259. o. DOI:10.1098/rstl.1859.0013.  
  7. P. Debye, P. Scherrer (1916). „Interferenz an regellos orientierten Teilchen im Röntgenlicht I” (német nyelven). Physikalische Zeitschrift 17, 277. o.  
  8. V. Kohlschütter, P. Haenni (1919). „Zur Kenntnis des Graphitischen Kohlenstoffs und der Graphitsäure” (német nyelven). Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 105 (1), 121–144. o. DOI:10.1002/zaac.19191050109.  
  9. Bernal, JD (1924). „The Structure of Graphite”. Proc. R. Soc. Lond. A106 (740), 749–773. o. DOI:10.1098/rspa.1924.0101.  
  10. Hassel, O (1924). „Über die Kristallstruktur des Graphits” (German nyelven). Zeitschrift für Physik 25, 317–337. o. DOI:10.1007/BF01327534.  
  11. a b P. R. Wallace (1947. május 1.). „The Band Theory of Graphite” (angol nyelven) (PDF). Physical Review 71 (9), 622–634. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrev.71.622. ISSN 0031-899X.  
  12. D. P. DiVincenzo, E. J. Mele (1984). „Self-Consistent Effective Mass Theory for Intralayer Screening in Graphite Intercalation Compounds”. Physical Review B 295 (4), 1685–1694. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/PhysRevB.29.1685.  
  13. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov (2005). „Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene”. Nature 438 (7065), 197–200. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nature04233. PMID 16281030.  
  14. V. P. Gusynin, S. G. Sharapov (2005). „Unconventional Integer Quantum Hall Effect in Graphene”. Physical Review Letters 95 (14), 146801. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/PhysRevLett.95.146801. PMID 16241680.  
  15. Y. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, P. Kim (2005). „Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene”. Nature 438 (7065), 201–204. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nature04235. PMID 16281031.  
  16. Boehm, H. P. (1962. július 1.). „Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien”. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 316 (3–4), 119–127. o. DOI:10.1002/zaac.19623160303. ISSN 1521-3749.  
  17. H. P. Boehm, R. Setton, E. Stumpp (1986). „Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds”. Carbon 24 (2), 241. o, Kiadó: Elsevier. DOI:10.1016/0008-6223(86)90126-0.  
  18. a b Tapasztó Levente, Dobrik Gergely, Philippe Lambin, Biró László P. (2008. június 8.). „Tailoring the atomic structure of graphene nanoribbons by scanning tunnelling microscope lithography”. Nature Nanotechnology 3 (7), 397–401. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nnano.2008.149. ISSN 1748-3387.  
  19. Biró László P., Philippe Lambin (2010). „Nanopatterning of graphene with crystallographic orientation control” (PDF). Carbon 48 (10), 2677–2689. o, Kiadó: Elsevier. DOI:10.1016/j.carbon.2010.04.013. ISSN 0008-6223.  
  20. Vancsó Péter (2017. február 24.). „A magnetic phase-transition graphene transistor with tunable spin polarization”. 2D Materials 4 (2), 024008. o, Kiadó: IOP Publishing. DOI:10.1088/2053-1583/aa5f2d. ISSN 2053-1583.  
  21. Magda, Gábor Zsolt et al (2014). „Room-temperature magnetic order on zigzag edges of narrow graphene nanoribbons”. Nature 514 (7524), 608–611. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nature13831. ISSN 0028-0836.  
  22. Nils M. Freitag, Larisa A. Chizhova, Nemes-Incze Péter, Colin R. Woods, Roman V. Gorbachev, Yang Cao, Andre K. Geim, Kostya S. Novoselov, Joachim Burgdörfer, Florian Libisch, Morgenstern Florian, Markus Morgenstern (2016. augusztus 8.). „Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings”. Nano Letters 16 (9), 5798–5805. o, Kiadó: Amerikai Kémiai Társaság. DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02548. ISSN 1530-6984.  
  23. Maria El Abbassi, Pósa László, Makk Péter, Cornelia Nef, Kishan Thodkar, Halbritter András, Michel Calame (2017). „From electroburning to sublimation: substrate and environmental effects in the electrical breakdown process of monolayer graphene”. Nanoscale 9 (44), 17312–17317. o, Kiadó: Royal Society of Chemistry. DOI:10.1039/c7nr05348g. ISSN 2040-3364.  
  24. a b c Molnár Csaba: A mindennapokban használható szuperanyag nyomában. mno.hu, 2016. december 20. [2016. december 24-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2018. február 5.)
  25. MFA’s Professor László P. Biró joins the Graphene Flagship project | MTA TTK (en-US nyelven). www.ttk.mta.hu. (Hozzáférés: 2018. február 5.)
  26. N. D. Mermin, H. Wagner (1966. november 28.). „Absence of Ferromagnetism or Antiferromagnetism in One- or Two-Dimensional Isotropic Heisenberg Models”. Physical Review Letters 17 (22), 1133–1136. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevlett.17.1133. ISSN 0031-9007.  
  27. a b c d Castro Neto 2009, 110. o.
  28. D. C. Elias et al (2011. július 24.). „Dirac cones reshaped by interaction effects in suspended graphene”. Nature Physics 7 (9), 701–704. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nphys2049. ISSN 1745-2473.  
  29. Castro Neto 2009, 111. o.
  30. NOL: előttünk a grafénalapú világ. (Hozzáférés: 2013. január 18.)
  31. Chris Wood: Graphene-coated fibers make a good fit for wearable electronics. (Hozzáférés: 2015. szeptember 4.)
  32. Wundermaterial Graphene goes textile. (Hozzáférés: 2015. szeptember 4.)
  33. G+ Textile Applications. (Hozzáférés: 2017. június 27.)
  34. Directa Plus and Colmar launch second graphene-enhanced sportswear collection. (Hozzáférés: 2017. június 27.)
  35. Domanits András: Milliárdok életét teheti jobbá ez a technológia (beszélgetés Bíró László Péterrel). Szigma - a holnap világa (tudományos magazinműsor), 2017. (Hozzáférés: 2018. február 5.)

Fordítás[szerkesztés]

Ez a szócikk részben vagy egészben a History of graphene című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.

Források[szerkesztés]

Szakkönyvek[szerkesztés]

Tudományos közlemények[szerkesztés]

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok[szerkesztés]

További információk[szerkesztés]

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]