Grafīts pret grafēnu: atšķirība un salīdzinājums

Oglekļa atomi veido grafītu un grafēnu, kas abi ir materiāli uz oglekļa bāzes. Grafēns ir tikai viens grafīta atomu slānis – sešstūra vai šūnveida režģis no sp2 saistītu oglekļa atomu.

Grafīts ir izplatīts materiāls, kas sastāv no vairākiem grafēna slāņiem. Grafēnam un grafītam ir nedaudz atšķirīgas struktūras īpašības un ražošanas procesi.

Atslēgas

1. Grafīts ir dabā sastopams oglekļa allotrops ar kristālisku struktūru, ko izmanto dažādos lietojumos, piemēram, zīmuļos un smērvielās.
2. Grafēns ir viens oglekļa atomu slānis, kas sakārtots sešstūra režģī, kas pazīstams ar savu neparasto izturību un vadītspēju.
3. Grafīts ir beztaras materiāls ar grafēna slāņiem, savukārt grafēns ir izolēts viens slānis ar izcilām īpašībām.

Grafīts pret grafēnu

Grafīts ir mīksts, pārslains materiāls, ko izmanto, piemēram, zīmuļos un smērvielās, papildus tam, ka tas ir oglekļa veids. Grafēns, tas ir vienslāņa grafīts, ir lielisks siltuma un elektrības vadītājs, un tā īpašības padara to par daudzsološu materiālu tehnoloģiskiem pielietojumiem.

Grafīts ir minerāls, kas sastāv no daudziem vienplaknes oglekļa atomu slāņiem, kas sastopams dabā. Dabiski to var atrast metamorfajos iežos.

Metamorfisms noved pie nogulumu oglekļa savienojumu samazināšanās, kā rezultātā veidojas grafīts. Ķīmiskās saites grafītā stiprības ziņā ir salīdzināmas ar dimantiem.

Grafēns ir divdimensiju oglekļa viela, ko plaši izmanto. Plānākais cilvēkam zināmais materiāls ir grafēns. Oglekļa atomi ir droši savienoti sešstūra šūnveida režģī grafēna monoslānī.

Nelielā mērogā grafēnam ir milzīga stiepes izturība. Tā kā katrā oglekļa atomā ir brīvs pi-elektrons, grafēnam ir izcilas elektrovadītspējas īpašības.  

Salīdzināšanas tabula

Salīdzināšanas parametri	grafīts	Grafēna
Biezums	Tas ir biezāks, jo tajā ir vairāki oglekļa slāņi.	Vienslāņains un līdz ar to plānāks.
Ķīmiskā saistīšana	Katrs atoms ir saistīts ar trim kovalentām saitēm, un tam ir brīvs elektrons.	Katrs atoms ir saistīts ar trim sigma saitēm un vienu pi saiti, kas ir orientēta uz plakni.
struktūra	Trīsdimensiju	Divdimensiju
spēks	Trausls	Visu laiku spēcīgākais materiāls.
Izskats	Šķiet, ka krāsa ir no dzelzs melnas līdz tērauda pelēkai krāsai, un tai ir spīdums.	Nedaudz caurspīdīgs.

Kas ir grafīts?

Grafīts ir dabā sastopams elements, kas veidojas, kad kaļķakmens atradnēs notiek organiskās vielas metamorfoze.

Dabīgais grafīts ir minerāls, ko var atrast metamorfajos un magmatiskajos iežos, un to cita starpā izmanto ugunsizturīgos materiālos, akumulatoros, tērauda ražošanā, izpūstā grafītā, bremžu uzlikās, lietuvju apšuvumos un smērvielās.

Edvards G. Eisons nejauši ražoja grafītu, veicot augstas temperatūras karborunda pētījumus. Viņš atklāja, ka karborundā esošais silīcijs iztvaiko aptuveni 4,150 °C (7,500 °F) temperatūrā, atstājot oglekli grafīta formā.

Zīmuļu serdeņi ir izgatavoti no grafīta, kas ir melns, mīksts materiāls ar slāņiem, kas var slīdēt viens pāri.

Grafītu sajauc ar māliem un ūdeni, lai izveidotu zīmuļa vāku. Jo cietāks kļūst zīmuļa uzgalis, jo tie pievieno vairāk māla.

Pulvergrafīts tiek izmantots, lai ieeļļotu ātri kustīgas iekārtas daļas tā maiguma dēļ. Grafīta slāņveida struktūru veido sešu oglekļa atomu gredzeni, kas sakārtoti horizontālās loksnēs, kas ir plaši atdalītas.

Rezultātā grafīts kristalizējas sešstūra sistēmā, atšķirībā no dimanta, kas kristalizējas oktaedrālā vai tetraedriskā sistēmām.

Grafīts ir no tumši pelēkas līdz melnai krāsai, tas ir necaurspīdīgs un ārkārtīgi mīksts. Vārds grafīts cēlies no grieķu darbības vārda graphene, kas nozīmē “rakstīt”, jo tam ir taukaina tekstūra un tas rada melnu nospiedumu.

Kas ir grafēns?

Viens sp2 saistītu oglekļa atomu slānis sešstūra režģī tiek saukts par viena slāņa grafēnu. Grafēns ir miljons reižu plānāks par papīru, un tas ir tik plāns, ka ir tikai divdimensiju.

Grafēns ir ļoti elastīgs un caurspīdīgs, turklāt tam ir ievērojamas elektriskās īpašības. Rezultātā tas ir labs kandidāts portatīvajai elektronikai.

Grafēns var padarīt viedtālruņus un planšetdatorus daudz izturīgākus un pat ļaut tos salocīt kā papīru. Grafēna loksnē katrs oglekļa atoms ir cieši saistīts ar trim citiem atomiem līdzīgos leņķos, kā rezultātā veidojas plakana šūnveida struktūra.

Šie spēcīgie savienojumi piešķir struktūrai milzīgu noturību, līdzīgi kā dimants, kas ir trīsdimensiju oglekļa kristāls, kurā katrs atoms ir saistīts ar četriem kaimiņiem.

Grafēna sešstūra forma kalpo par pamatu fullerēniem, kas ir dobas molekulāras struktūras, kas sastāv no 60 vai vairāk oglekļa molekulām, kas ir līdzīgas jaukajām oglekļa sfērām, kas pazīstamas kā "buckyballs".

Šo konstrukciju nanomēroga siets ir tik elastīgs, ka tos var salocīt dobos cilindros, padarot tos par piemērotiem molekulāriem konteineriem.

Katrs grafēna loksnes atoms nodrošina molekulai vienu brīvu elektronu, jo elementam ogleklim ir četri pieejami elektroni savienošanai.

Materiāla dīkstāves negatīvais lādiņš veicina tā izcilās vadītspējas un supravadīšanas spējas, padarot to ideāli piemērotu sarežģītai elektronikai.

Galvenās atšķirības starp grafītu un grafēnu

1. Grafīta loksnei ir lielāks biezums nekā grafēnam, kas sastāv no šūnveida plakanu oglekļa atomu slāņiem. Grafēns ir viens slānis, kas veidojas, kad grafīta loksne tiek saplēsta vienā slānī ar tikai viena oglekļa atoma biezumu.
2. Grafīts satur trīs kovalentās saites ap katru oglekļa atomu un vienu brīvo elektronu, savukārt grafēnam ir četras saites, tostarp trīs sigma saites ap katru oglekļa atomu un viena pi saite orientēts no plaknes.
3. Grafītam ir trīsdimensiju mikroskopiska struktūra, kas sastāv no grafīta molekulu slāņiem, kas sakrautas kā lapas. Grafēns ir divdimensiju viela, kas sastāv no vienas grafīta molekulu loksnes, kuras biezums ir mazāks par vienu nanometru.
4. Grafīts ir trausls, savukārt grafēns ir visizturīgākā viela, kas jebkad pētīta.
5. Grafītam ir metālisks spīdums, un tā nokrāsa ir no dzelzs melna līdz tērauda pelēkai krāsai, savukārt grafēns ir diezgan caurspīdīgs.

atsauces

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

Pēdējo reizi atjaunināts: 08. gada 2023. jūlijā