Графіт проти графену: різниця та порівняння

Атоми вуглецю утворюють графіт і графен, які є матеріалами на основі вуглецю. Графен — це лише один атомний шар графіту — гексагональна або стільникова решітка sp2-зв’язаних атомів вуглецю.

Графіт — звичайний матеріал, який складається з кількох шарів графену. Графен і графіт мають дещо різні структурні властивості та процеси виробництва.

Ключові винесення

1. Графіт — це природний алотроп вуглецю з кристалічною структурою, який використовується в різних цілях, як-от олівці та мастильні матеріали.
2. Графен — це один шар атомів вуглецю, розташованих у гексагональну решітку, відомий своєю надзвичайною міцністю та провідністю.
3. Графіт — це об’ємний матеріал із шарами графену, тоді як графен — це ізольований одношаровий шар із чудовими властивостями.

Графіт проти графену

Графіт — це м’який пластівчастий матеріал, який використовується, наприклад, в олівцях і мастильних матеріалах, крім того, що він є формою вуглецю. Графен, тобто одношаровий графіт, є чудовим провідником тепла та електрики, а його властивості роблять його перспективним матеріалом для технологічного застосування.

Графіт — це природний мінерал, що складається з багатьох шарів одноплощинних атомів вуглецю. У природі його можна знайти в метаморфічних породах.

Метаморфізм призводить до відновлення осадових сполук вуглецю, що призводить до утворення графіту. За міцністю хімічні зв’язки в графіті можна порівняти з зв’язками в алмазах.

Графен — це двовимірна вуглецева речовина, яка широко використовується. Найтоншим матеріалом, відомим людині, є графен. Атоми вуглецю надійно з’єднані в гексагональну стільникову решітку в моношарі графену.

У невеликому масштабі графен демонструє величезну міцність на розрив. Оскільки кожен атом вуглецю має вільний пі-електрон, графен має виняткову електропровідність.  

Таблиця порівняння

Параметри порівняння	графітовий	Графен
Товщина	Він товщий, оскільки складається з кількох шарів вуглецю.	Одношаровий і тому тонший.
Хімічний зв'язок	Кожен атом зв’язаний трьома ковалентними зв’язками і має вільний електрон.	Кожен атом зв’язаний трьома сигма-зв’язками та одним пі-зв’язком, який орієнтований на площину.
структура	Тривимірний	Двовимірний
міцність	Крихка	Найміцніший матеріал.
Зовнішній вигляд	Має залізо-чорний або сталево-сірий колір і має блиск.	Дещо прозорий.

Що таке графітовий?

Графіт є природним елементом, який утворюється, коли органічна речовина у вапнякових відкладеннях піддається метаморфізму.

Природний графіт — це мінерал, який можна знайти в метаморфічних і вивержених породах і використовується, серед іншого, у вогнетривах, акумуляторах, виробництві сталі, спученому графіті, гальмівних накладках, ливарному покритті та мастильних матеріалах.

Едвард Г. Ачесон випадково виготовив графіт під час дослідження високотемпературного карборунду. Він виявив, що кремній у карборунді випаровується приблизно за 4,150°C (7,500°F), залишаючи вуглець у формі графіту.

Сердечники олівців виготовлені з графіту, чорного м’якого матеріалу з шарами, які можуть ковзати один по одному.

Графіт змішують з глиною та водою, щоб зробити кришку олівця. Чим твердішим стає перо олівця, коли додається більше глини.

Порошок графіту використовується для змащування деталей обладнання, що швидко рухаються, завдяки своїй м'якості. Шарувата структура графіту складається з кілець із шести атомів вуглецю, організованих у горизонтальні листи, які широко розділені.

В результаті графіт кристалізується в гексагональній системі, на відміну від алмазу, який кристалізується в октаедричній або чотиригранний систем.

Графіт має колір від темно-сірого до чорного, непрозорий і надзвичайно м’який. Слово графіт походить від грецького дієслова graphene, що означає «писати», оскільки він має жирну текстуру та створює чорний відбиток.

Що таке графен?

Один шар sp2-зв’язаних атомів вуглецю в гексагональній решітці називають одношаровим графеном. Графен у мільйон разів тонший за папір, і він настільки тонкий, що він просто двовимірний.

Графен дуже гнучкий і прозорий, крім того, що він має значні електричні характеристики. Як результат, це хороший кандидат для портативної електроніки.

Графен може зробити смартфони та планшети набагато міцнішими та навіть дозволити їм складати, як папір. У графеновому листі кожен атом вуглецю міцно зв’язаний з трьома іншими атомами під однаковими кутами, що призводить до плоскої структури, схожої на стільники.

Ці міцні з'єднання надають конструкції величезну стійкість, подібну до алмаз, який є тривимірним вуглецевим кристалом, у якому кожен атом зв’язаний із чотирма сусідами.

Гексагональна форма графену служить основою для фулеренів, які є порожнистими молекулярними структурами, що складаються з 60 або більше молекул вуглецю, схожих на чудові вуглецеві сфери, відомі як «бакіболи».

Нанорозмірна сітка цих структур настільки гнучка, що їх можна скласти в порожнисті циліндри, що робить їх придатними молекулярними контейнерами.

Кожен атом у листі графену забезпечує один вільний електрон для молекули, оскільки елемент вуглець має чотири доступні електрони для зв’язку.

Неактивний негативний заряд матеріалу сприяє його надзвичайним провідним і надпровідним можливостям, що робить його ідеальним для складної електроніки.

Основні відмінності між графітом і графеном

1. Графітовий лист має більшу товщину, ніж графен, який складається зі стільникових шарів плоских атомів вуглецю. Графен — це один шар, який утворюється, коли графітовий лист розривають на один шар товщиною лише в один атом вуглецю.
2. Графіт містить три ковалентні зв’язки навколо кожного атома вуглецю та один вільний електрон, тоді як графен має чотири зв’язки, включаючи три сигма-зв’язки навколо кожного атома вуглецю та один пі-облігація орієнтована поза площиною.
3. Графіт має тривимірну мікроскопічну структуру, яка складається з шарів молекул графіту, нагромаджених як сторінки. Графен — це двовимірна речовина, що складається з одного листа молекул графіту товщиною менше одного нанометра.
4. Графіт є крихким, тоді як графен є найміцнішою речовиною, яку коли-небудь вивчали.
5. Графіт має металевий блиск і залізо-чорний до сталево-сірого відтінку, тоді як графен досить прозорий.

Посилання

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

Останнє оновлення: 08 липня 2023 р