Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Grafyn - kuzyn grafenu

Recommended Posts

O grafenie piszemy od lat, a przed kilkunastoma miesiącami informowaliśmy o powstaniu grafanu. Teraz do rodziny dołączył trzeci jej członek - grafyn.

Symulacje komputerowe przeprowadzone przez niemieckich uczonych wskazują na możliwość istnienia pojedynczej warstwy atomów węgla, które jednak nie muszą być ułożone w kształcie sześciokąta, a mogą przyjmować bardzo różne formy. Nowy materiał może być zatem znacznie bardziej elastyczny niż grafen.

Jak pamiętamy, energia elektronów poruszających się w grafenie jest wprost proporcjonalna do momentu pędu. Gdy energie takich elektronów przedstawimy na trójwymiarowym wykresie otrzymamy stożek Diraca. Te unikatowe właściwości grafenu powodują, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, co pozwala im na poruszanie się z niezwykle dużą prędkością, a to może być bardzo pożądaną cechą np. w elektronice.

Grafyn tym różni się od grafenu, który ma pojedyncze lub podwójne wiązania, iż tworzy podwójne i potrójne wiązania, a atomy węgla nie układają się heksagonalnie.

Niemieccy uczeni, wśród nich chemik Andreas Görling z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg, prowadzili komputerowe symulacje trzech różnych wzorców, w jakie mogą układać się atomy węgla w grafynie i odkryli, że we wszystkich mamy do czynienia ze stożkiem Diraca. Jednak, co ważniejsze, okazało się, że jeden z badanych wzorów 6,6,12 grafyn, w którym atomy węgla charakteryzuje prostokątna symetria, przewodzi elektrony tylko w jednym kierunku. Taki materiał nie potrzebowałby domieszkowania innymi pierwiastkami, by wykazywać właściwości pożądane w elektronice.

W przeszłości uzyskiwano już niewielkie skrawki grafynu. Teraz niemieckie badania dowiodły, że warto pracować nad tym materiałem i różnymi jego odmianami.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej wykorzystują tlenek grafenu i związki grafenopochodne do opracowania nowych materiałów zabezpieczających przed promieniowaniem podczerwonym. Projekt IR-GRAPH realizowali ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
      Chcemy, żeby nasze materiały stanowiły barierę zarówno przed wpuszczaniem, jak i wypuszczaniem ciepła – mówi kierująca pracami dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka. To kompozyty. Tworzymy je na bazie polimerów, obecnie dwóch rodzajów. Jako napełniacz stosujemy materiały grafenowe z dodatkiem tlenków metali, np. tlenku tytanu.
      Takie połączenie gwarantuje skuteczne ekranowanie. Materiały grafenowe są dodawane w celu pochłonięcia promieniowania, a tlenki metali mają za zadanie je rozpraszać – wyjaśnia badaczka.
      Konkurencyjny materiał
      Na rynku są już dostępne np. folie na okna, które chronią przed promieniowaniem. Materiały opracowywane przez naukowców z Politechniki Warszawskiej mogą być jednak dla nich konkurencją. Żeby obniżyć temperaturę o kilka stopni Celsjusza, dodaje się tam około 5% napełniacza – tłumaczy dr Mazurkiewicz-Pawlicka. My podobne wyniki uzyskujemy przy dodaniu 0,1% napełniacza, czyli 50 razy mniej.
      Na razie zespół skupia się jednak na samych materiałach, a nie konkretnych aplikacjach. Choć nietrudno wskazać potencjalne zastosowania, takie jak właśnie okna, ale też elewacje, a nawet tkaniny. Zimą takie materiały chroniłyby przed utratą ciepła, a latem przed nadmiernym nagrzaniem.
      W przypadku budynków czy pojazdów mogłaby to być pewna alternatywa dla powszechnie dzisiaj stosowanej klimatyzacji. Jej używanie pochłania przecież mnóstwo energii. Im bardziej chcemy zmienić temperaturę w stosunku do tej naturalnej dla danego pomieszczenia, tym więcej energii potrzeba. Każde mniej energochłonne wsparcie oznaczałoby oszczędności w budżecie i korzyść dla środowiska.
      Patrząc w przyszłość
      Nasi naukowcy przeprowadzili badania krótkoterminowe. Ich wyniki są obiecujące, ale wiele kwestii wymaga jeszcze dokładniejszego sprawdzenia, m.in. zachowanie polimerów w promieniowaniu UV, podwyższonej temperaturze czy zmienionej wilgotności. Ważne jest przetestowanie dotychczasowych rozwiązań zarówno w różnych warunkach, jak i w dłuższym czasie. Badania takie można przeprowadzić przy użyciu komory klimatycznej, do której na kilka tygodni można wstawić próbkę materiału i ją obserwować.
      Na przykład żeby wykorzystać nasze materiały w folii na okna musimy popracować nad barwą, bo obecna, w odcieniach szarości, ogranicza widzialność – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Chcemy też znaleźć nowe polimery, które mogłyby zostać użyte jako osnowa w naszych materiałach.
      Współpraca
      Zespół dr Mazurkiewicz-Pawlickiej tworzyli dr hab. Leszek Stobiński, dr Artur Małolepszy oraz grupa studentów wykonujących w ramach projektu prace inżynierskie i magisterskie. Swoją cegiełkę dołożyli też członkowie Koła Naukowego Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Zrobili urządzenie, które mierzy efektywność naszych folii – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Składa się z lampy emitującej promieniowanie podczerwone i czujnika, który mierzy, o ile stopni udało się obniżyć temperaturę.
      W ramach IR-GRAPH naukowcy z PW ściśle współpracowali z Tatung University na Tajwanie. Korzystali także ze wsparcia Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prof. Dariusz Wasik, Dziekan Wydziału i dr hab. Andrzej Witowski są specjalistami w fizyce ciała stałego i wykonali dla nas pomiary spektrometryczne – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka.
      Dlaczego ekranować podczerwień?
      Grafen kojarzony jest przede wszystkim z zastosowaniami w elektronice i automatyce. Wykorzystanie go do ekranowania promieniowania nie jest jeszcze tak rozpowszechnione. Są doniesienia literaturowe, że grafen ekranuje promieniowanie elektromagnetyczne – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Jest to szeroko badane pod kątem promieniowania mikrofalowego, a ostatnio też terahercowego, głównie w zastosowaniach militarnych. Pomyśleliśmy, żeby sprawdzić właściwości grafenu dla promieniowania podczerwonego, bo na ten temat wiadomo niewiele.
      Promieniowanie podczerwone charakteryzuje się długością fal między 780 nanometrów a 1 milimetr. Wspólnie ze światłem widzialnym i promieniowaniem UV tworzy spektrum promieniowania słonecznego. W nadmiarze ma ono negatywny wpływ na naszą skórę. A aż około 50% tego promieniowania, które dociera do powierzchni Ziemi, stanowi właśnie podczerwień (odczuwana w postaci ciepła). Dlatego tak ważne jest jej ekranowanie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grafen ma wiele zalet i jedną poważną wadę – brak pasma wzbronionego, przez co nie nadaje się do użycia w roli półprzewodnika. Możliwe jest jednak sztuczne wytworzenie pasma wzbronionego w grafenie poprzez dołączenie do niego atomów wodoru.
      Naukowcy z Göttingen i Pasadeny zarejestrowali właśnie jedną z najszybciej przebiegających reakcji chemicznych, jakie kiedykolwiek badano – niezwykły obraz atomów wodoru łączących się z grafenem.
      Uczeni bombardowali grafen atomami wodoru. Wodór zachowywał się nieco inaczej, niż się spodziewaliśmy, mówi Alec Wodtke z Wydziału Dynamiki Powierzchni Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maksa Plancka i profesor Instytutu Chemii Fizycznej z Uniwersytetu w Göttingen. Zamiast natychmiast odlatywać od grafenu, atomy wodoru na chwilę przyklejały się do atomów węgla i dopiero później się od nich odbijały. Tworzyły czasowe wiązanie chemiczne, wyjaśnia. Naukowców zaintrygowało jeszcze jedno zjawisko. Otóż atomy wodoru miały dużą energię przed spotkaniem z grafenem. Gdy zaś go opuszczały ich energia była znacznie niższa. Jej większość traciły podczas zderzenia, lecz nie było jasne, co się z tą energią stało.
      Naukowcy z Göttingen i ich koledzy z Caltechu (California Institute of Technology), chcąc wyjaśnić zagadkę zaginionej energii, opracowali model teoretyczny, który przetestowali na komputerze, a uzyskane wyniki porównali z wynikami eksperymentów. Jako, że okazały się one zgodne, naukowcy mogli odtworzyć to, co w ciągu femtosekund zachodziło pomiędzy węglem a wodorem. To wiązanie chemiczne istnieje przez około 10 femtosekund. To jedna z najszybszych bezpośrednio zaobserwowanych reakcji chemicznych, mówi Alexander Kandratsenka z Göttingen.
      W ciągu tych 10 femtosekund atom wodoru przekazuje niemal całą swoją energię atomowi węgla w grafenie. Prowadzi do do powstania fali dźwiękowej, która rozprzestrzenia się na zewnątrz od miejsca, w którym atomy się zetknęły. Przypomina to propagację fali powstającej po wrzuceniu kamienia do wody, wyjaśnia uczony. To między innymi dzięki tej fali dźwiękowej atom wodoru łatwiej niż przypuszczano łączy się z atomem węgla.
      Uzyskane wyniki mogą mieć fundamentalne znaczenie dla przemysłu i możliwości wykorzystania grafenu w roli półprzewodnika. Jednak same eksperymenty wymagały olbrzymiej wiedzy, zasobów i odpowiedniego sprzętu. Musieliśmy prowadzić je w warunkach próżni niemal doskonałej, by utrzymać grafen w czystości, mówią badacze. Ponadto samo odpowiednie przygotowanie atomów wodoru wymagało wykorzystania olbrzymiej liczby systemu laserowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowy sposób na wytworzenie maleńkich struktur płaskiego grafenu zademonstrował zespół z Polski i Niemiec w Science. Płatki grafenu wytworzono po raz pierwszy nie na metalu, a od razu na podłożu z półprzewodnika. To nowe perspektywy dla zastosowań, między innymi w elektronice i fotonice.
      Badania przeprowadził zespół badaczy fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego i chemików z Uniwersytetu w Erlangen i Norymberdze.
      Grafen to atomowej grubości płaska struktura złożona z atomów węgla ułożonych w sieć przypominającą plaster miodu. Taka cienka i niewidoczna gołym okiem węglowa „kartka” jest niezwykle wytrzymała, elastyczna, przezroczysta, przewodzi ciepło i prąd. Kiedy w 2010 r. za odkrycie grafenu przyznano Nagrodę Nobla, tysiące naukowców i przedsiębiorców ruszyły, aby szukać zastosowań dla tego materiału. Potem sprawa przycichła... Czyżby nie było pomysłu, jak wykorzystać ten materiał? Pytany o to prof. Marek Szymoński z Uniwersytetu Jagiellońskiego mówi: Grafen sam w sobie ma rewelacyjne właściwości, ale z punktu widzenia zastosowań to właściwie tylko przewodząca, bardzo cienka ‘kartka’.
      Tymczasem np. dla elektroniki cyfrowej bardziej interesującymi materiałami są tzw. materiały z przerwą wzbronioną - do nich należą półprzewodniki. To materiały, przez które prąd przepłynie, ale tylko, jeśli dostarczy się nośnikom ładunku odpowiednią energię – a więc np. przyłożone napięcie przekroczy odpowiednią wartość. Przy mniejszym napięciu działają jak izolator – nie przepuszczają prądu. Dzięki temu można na urządzeniach półprzewodnikowych wykonywać m.in. operacje logiczne – jeśli prąd przepłynął – dostajemy wartość 1, jeśli nie – 0. Najbardziej znanym półprzewodnikiem jest krzem, którego znaczenia w przemyśle komputerowym (słynna Dolina Krzemowa) trudno przecenić.
      Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych jednak postępuje i naukowcy zastanawiają się nad materiałami, z których można by zbudować urządzenia o działaniu podobnym do półprzewodnikowych, ale miałyby wielkość zaledwie kilku nanometrów (nanometr to milionowa część milimetra). A w takiej skali tradycyjne urządzenia półprzewodnikowe nie najlepiej się spisują. Naukowcy szukają więc nowych materiałów o odpowiednich właściwościach. I tutaj właśnie nadzieją są nanometrowej wielkości struktury grafenowe o kształcie płatków lub wstążek. Okazuje się bowiem, że odpowiednio małym strukturom grafenu można nadać właściwości pozwalające na ich wykorzystanie do zbudowania elementarnych urządzeń elektronicznych – na przykład bramek logicznych lub nanotranzystorów.
      Problemem jest jednak to, jak precyzyjnie produkować takie niewidoczne gołym okiem płatki grafenu. Trudno tu przecież używać nanonożyczek i z atomową precyzją wycinać z kartek grafenu niewidoczne płatki. Naukowcy zastanawiają się więc nad odwrotnym podejściem: jak z mniejszych związków organicznych, na przykład pojedynczych molekuł aromatycznych, układać grafenowe puzzle.
      I tu właśnie z pomocą przychodzą badania prof. Konstantina Amsharova z FAU w Niemczech oraz polskiego zespołu. Wyniki tych badań ukazały się w styczniu w prestiżowym czasopiśmie Science. Naukowcy pokazali, jak w sprytny sposób przeprowadzić reakcję chemiczną, by z łatwych do kontrolowania półproduktów (tzw. prekursorów) produkować maleńkie płatki grafenu. Przedstawiony przez nich sposób działa sekwencyjnie - naukowcy nazywają to "nanozippingiem" i porównują tę reakcję do działania suwaka.
      W dodatku w doświadczeniu – przeprowadzonym w Krakowie – nanopłatki grafenu udało się wyprodukować od razu na podłożu z półprzewodnika, co jest istotnym nowym osiągnięciem. Nasza praca jest pierwszą, która donosi o w pełni kontrolowanej syntezie nanografenu na powierzchniach niemetalicznych – informuje w rozmowie z PAP pierwszy autor pracy dr Marek Kolmer, który obecnie realizuje staż podoktorski w Oak Ridge, USA.
      Prof. Marek Szymoński, który także jest wśród autorów publikacji, tłumaczy, że podstawową cegiełką do budowy płatków w ich doświadczeniu są aromatyczne struktury węglowe zbudowane z połączonych po jednym wiązaniem pierścieni benzenowych zakończonych na brzegach atomami wodoru lub fluoru. Jeśli jeden z fluorów połączy się z najbliżej położonym atomem wodoru z sąsiedniego pierścienia – a to można kontrolować na przykład przez podnoszenie temperatury – zaczyna się sekwencja reakcji pomiędzy kolejnymi pierścieniami benzenowymi. I tak „ząbek po ząbku”, para po parze, jak w zamku błyskawicznym, pierścienie benzenowe będą się ze sobą łączyć w strukturę nanografenu – mówi prof. Szymoński.
      Dr Marek Kolmer, tłumaczy, że w wyniku sześciu sekwencyjnie aktywowanych reakcji z prekursora powstaje molekuła nanografenu licząca 42 atomy węgla. To puzzel, który może zostać wykorzystany do produkcji większych, atomowo zdefiniowanych struktur – opowiada.
      Dotąd struktury grafenowe z prekursorów molekularnych wytwarzano na podłożach z metali takich jak złoto, srebro czy miedź. Metale te są jednak przecież świetnymi przewodnikami. Aby sprawdzić, jak wytworzone nanocząstki grafenu spisują się jako materiały elektroniczne, płatki trzeba oderwać i przenieść je inne podłoże, np. z półprzewodnika. A wtedy istnieje ryzyko, że taki atomowo zdefiniowany układ ulegnie modyfikacji.
      Tymczasem niemiecko-polskiemu zespołowi udało się wyprodukować płatki nanografenu od razu na podłożu z dwutlenku tytanu (rutylu), który jest półprzewodnikiem. Dr Kolmer tłumaczy, że rutyl jest kluczowy do przeprowadzenia reakcji chemicznej, która nie zajdzie na podłożu z miedzi czy złota. Badacze spodziewają się jednak, że nanografen tą metodą uda im się wytwarzać na innych półprzewodnikach i izolatorach.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas syntezy grafenu wykorzystuje się proces chemicznej redukcji tlenku grafenu (GO). Wymaga on wystawienia GO na działanie hydrazyny. Ten sposób produkcji ma jednak poważne wady, które czynią jego skalowanie bardzo trudnym. Opary hydrazyny są bowiem niezwykle toksyczne, zatem produkcja na skalę przemysłową byłaby niebezpieczna zarówno dla ludzi jak i dla środowiska naturalnego.
      Naukowcy z japońskiego Uniwersytetu Technologicznego Toyohashi zaprezentowali bezpieczne, przyjazne dla środowiska rozwiązanie problemu. Zainspirowały ich wcześniejsze badania wskazujące, że tlenek grafenu może działać na bakterie jak akceptor elektronów. Wskazuje to, że bakterie w procesie oddychania lub transportu elektronów mogą redukować GO.
      Japońscy uczeni wykorzystali mikroorganizmy żyjące na brzegach pobliskiej rzeki. Badania przeprowadzone przy wykorzystaniu zjawiska Ramana wykazały, że obecność bakterii rzeczywiście doprowadziła do zredukowania tlenku grafenu. Zdaniem Japończyków pozwala to na opracowanie taniej, bezpiecznej i łatwo skalowalnej przemysłowej metody produkcji grafenu o wysokiej jakości.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grafen ma wiele niezwykłych właściwości, jednak nie jest materiałem piezoelektrycznym.  Piezoelektryczność to właściwość niektórych materiałów, polegająca na tym, że przy zginaniu, ściskaniu i skręcaniu materiały te produkują ładunki elektryczne. Występuje też zależność odwrotna - pole elektryczne wywołuje odkształcenie materiału piezoelektrycznego, dając nad nim duża kontrolę.
      W ACS Nano ukazał się artykuł, w którym dwóch inżynierów ze Stanford University opisuje, w jaki sposób nadali grafenowi właściwości piezoelektryczne.
      Fizyczne deformacje, jakie możemy tworzyć, są wprost proporcjonalne do przyłożonego pola elektrycznego, co daje nam niedostępną wcześniej możliwość kontrolowania elektroniki w nanoskali - stwierdził Evan Reed, szef Materials Computation and Theory Group i główny autor badań. To pozwala mieć nadzieję, na zrealizowanie koncepcji ‚straintroniki’, zwanej tak ze względu na sposób, w jaki pole elektryczne w sposób przewidywalny zmienia kształt sieci krystalicznej węgla - dodał uczony.
      Mitchell Ong, autor artykułu w ACS Nano, uważa, że „piezoelektryczny grafen może może zapewnić niedostępny dotychczas stopień elektrycznej, mechanicznej i optycznej kontorli nad różnymi urządzeniami, od ekranów dotykowych po nanotranzystory“.
      Za pomocą symulacji przeprowadzanych na superkomputerach, inżynierowie sprawdzali skutki domieszkowania grafenu po jednej lub obu stronach sieci krystalicznej. Modelowano domieszkowanie litem, wodorem, potasem i fluorem oraz ich kombinacjami. Wyniki zaskoczyły naukowców. Sądziliśmy, że pojawi się efekt piezoelektryczny, ale będzie on słaby. Tymczasem jest on podobny do występującego w tradycyjnych materiałach - mówi Reed.
×
×
  • Create New...