グラファイトとグラフェン: 違いと比較

炭素原子は、どちらも炭素系材料であるグラファイトとグラフェンを構成しています。 グラフェンは、グラファイトの 2 つの原子層にすぎません。spXNUMX 結合炭素原子の六角形またはハニカム格子です。

グラファイトは、グラフェンの複数の層で構成されている一般的な材料です。 グラフェンとグラファイトは、構造特性と製造プロセスが多少異なります。

重要なポイント

1. グラファイトは、結晶構造を持つ天然の炭素同素体であり、鉛筆や潤滑剤などのさまざまな用途に使用されています。
2. グラフェンは、六方格子状に配置された炭素原子の単層であり、並外れた強度と導電性で知られています。
3. グラファイトはグラフェン層を持つバルク材料ですが、グラフェンは優れた特性を持つ孤立した単層です。

グラファイト vs グラフェン

グラファイトは、炭素の一種であることに加えて、鉛筆や潤滑剤などに使用される柔らかく薄片状の材料です。 グラファイトの単層であるグラフェンは、熱と電気の優れた伝導体であり、その特性により、技術的応用に有望な材料となっています。

グラファイトは、天然に存在する単一平面の炭素原子が何層にも重なった鉱物です。 それは自然に変成岩で見つけることができます。

変成作用は堆積炭素化合物の還元をもたらし、グラファイトの形成をもたらします。 グラファイトの化学結合は、強度の点でダイヤモンドに見られるものに匹敵します。

グラフェンは広く使われている二次元炭素物質です。 人類が知っている最も薄い素材はグラフェンです。 炭素原子は、グラフェンの単層の六角形のハニカム格子でしっかりと結合されています。

小さなスケールでは、グラフェンは驚異的な引張強度を示します。 各炭素原子には自由なパイ電子があるため、グラフェンは優れた導電性を備えています。  

比較表

何ですか グラファイト?

グラファイトは、石灰岩堆積物中の有機物が変成作用を受けるときに形成される天然元素です。

天然黒鉛は、変成岩や火成岩に見られる鉱物であり、耐火物、バッテリー、製鋼、膨張黒鉛、ブレーキライニング、鋳造所の表面材、潤滑剤などに使用されています。

Edward G. Acheson は、高温カーボランダムの研究を行っているときに、誤ってグラファイトを生成しました。 彼は、カーボランダムのシリコンが約 4,150°C (7,500°F) で蒸発し、炭素がグラファイトの形になることを発見しました。

鉛筆の芯はグラファイトでできています。グラファイトは黒くて柔らかい素材で、層が重なり合うことがあります。

グラファイトを粘土と水と混ぜて、鉛筆のふたを作ります。 粘土を追加すると、鉛筆の先が硬くなります。

パウダーグラファイトは、その柔らかさから動きの速い機器部品の潤滑に使用されます。 グラファイトの層状構造は、広く分離された水平シートに編成された XNUMX つの炭素原子のリングで構成されています。

その結果、ダイヤモンドが八面体または四面体系で結晶化するのとは対照的に、グラファイトは六方晶系で結晶化します。

グラファイトは濃い灰色から黒色で、不透明で非常に柔らかいです。 グラファイトという言葉は、ギリシャ語の動詞グラフェンに由来します。グラフェンは、脂っこいテクスチャーを持ち、黒い痕跡を生成するため、「書く」を意味します。

グラフェンとは何ですか？

六方格子内の sp2 結合炭素原子の単層は、単層グラフェンと呼ばれます。 グラフェンは紙の XNUMX 万分の XNUMX の薄さです。

グラフェンは、優れた電気的特性に加えて、非常に柔軟で透明です。 その結果、ポータブル電子機器の有力な候補となります。

グラフェンは、スマートフォンやタブレットをはるかに堅牢にし、紙のように折りたたむことさえ可能にするかもしれません. グラフェン シートでは、各炭素原子が他の XNUMX つの原子と同様の角度でしっかりと結合しているため、平らなハニカムのような構造になっています。

これらの強力な結合により、各原子が 4 つの隣接原子と結合している 3 次元炭素結晶であるダイヤモンドと同様に、構造に驚異的な弾力性が与えられます。

グラフェンの六角形の形状は、「バッキーボール」として知られる美しい炭素球に似た、60 個以上の炭素分子で構成される中空分子構造であるフラーレンの基盤として機能します。

これらの構造のナノスケール メッシュは非常に柔軟であるため、中空のシリンダーに折り畳むことができ、分子容器として適しています。

炭素元素には結合にアクセス可能な電子が XNUMX つあるため、グラフェンのシート内の各原子は分子に XNUMX つの自由電子を提供します。

材料のアイドル負電荷は、その並外れた導電性および超伝導性に寄与し、洗練された電子機器に理想的です。

グラファイトとグラフェンの主な違い

1. グラファイトシートは、平面炭素原子のハニカム状の層で構成されるグラフェンよりも厚い。 グラフェンは、グラファイト シートが XNUMX つの炭素原子の厚さだけの単層に引き裂かれたときに形成される単層です。
2. グラファイトには、各炭素原子の周りに 3 つの共有結合と 1 つの自由電子が含まれますが、グラフェンには、各炭素原子の周りに 3 つのシグマ結合と、平面から外れた 1 つのパイ結合を含む 4 つの結合が含まれます。
3. グラファイトは、グラファイト分子がページのように積み重なった三次元の微細構造を持っています。 グラフェンは、厚さ XNUMX ナノメートル未満のグラファイト分子の単一シートで構成される二次元物質です。
4. グラファイトはもろいのに対し、グラフェンはこれまでに研究された中で最も耐久性のある物質です。
5. グラファイトはメタリックな輝きを持ち、色相はアイアンブラックからスチールグレーですが、グラフェンはかなり透明です。

参照

1. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.74.075404
2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200702051