Γραφένιο

γραφενιο

  Το γραφένιο αποτελεί μία αλλοτροπική μορφή άνθρακα και η ονομασία αυτή χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1987 για να περιγράψει μονά φύλλα γραφίτη. Ειδικότερα, το γραφένιο είναι ένας δισδιάστατος κρύσταλλος, ο οποίος αποτελείται από άτομα άνθρακα ισχυρώς συνδεδεμένα μεταξύ τους.

  Το εξαγωνικό δικτυωτό πλέγμα του γραφενίου προκύπτει από τη σύνθεση δύο υποπλεγμάτων Α και Β και στην επιφάνεια του μονοστρωματικού γραφενίου εμφανίζονται κυματισμοί, οι οποίοι διακρίνονται σε εγγενείς και σε εξωγενείς. Συγκεκριμένα, οι εγγενείς κυματισμοί οφείλονται στην αστάθεια των δισδιάστατων κρυστάλλων, ενώ οι εξωγενείς προέρχονται από ρύπους. Μάλιστα, ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι το γραφένιο έχει την ιδιότητα να επισκευάσει τυχόν ατέλειες στον κρύσταλλό του, όταν εκτίθεται σε μόρια που περιέχουν άτομα άνθρακα.

  Το 2010, οι επιστήμονες Andre Geim και Konstantin Novoselom από το πανεπιστήμιο του Manchester βραβεύτηκαν με το βραβείο Nobel Φυσικής διότι κατάφεραν το 2004 να εξάγουν μονοατομικού πάχους κρυσταλλίτες από ακατέργαστο γραφίτη. Με την διαδικασία της μικρομηχανικής διάσπασης, οι ερευνητές έλαβαν στρώματα γραφενίου από γραφίτη και τα μετέφεραν σε λεπτό διοξείδιο του πυριτίου πάνω σε δίσκο πυριτίου. Το διοξείδιο του πυριτίου αλληλεπίδρασε ισχυρώς με το γραφένιο, παρέχοντας στρώματα ουδέτερα φορτισμένα. Μέχρι τότε, η επιστημονική κοινότητα θεωρούσε ότι οι αυστηρώς δισδιάστατοι κρύσταλλοι δεν μπορούν να υπάρξουν ελεύθεροι στη φύση γιατί είναι θερμοδυναμικά ασταθείς καθώς σε μικρών διαστάσεων κρυσταλλικά πλέγματα, οι θερμικές διακυμάνσεις είναι τόσο έντονες ώστε να επιφέρουν μεγάλες μετατοπίσεις των ατόμων του πλέγματος.

  Η απομόνωση του μονοστρωματικού γραφενίου πραγματοποιείται με τη μέθοδο της μικρομηχανικής αποφλοίωσης και ειδικότερα, με την χρήση συνεκτικής ταινίας, οι κρύσταλλοι του γραφίτη διαχωρίζονται σε όλο και λεπτότερα κομμάτια, μέχρι την εμφάνιση των κρυστάλλων γραφενίου. Ωστόσο, η διαδικασία αυτή δυσχεραίνεται από το γεγονός ότι οι κρύσταλλοι του γραφενίου είναι κρυμμένοι μέσα σε παχιά στρώματα γραφίτη, στην οποία δυσκολία η λύση δόθηκε ύστερα από την παρατήρηση ότι το γραφένιο είναι ορατό από το οπτικό μικροσκόπιο, όταν βρίσκεται πάνω σε υπόστρωμα πυριτίου.

γραφενιο2  Το γραφένιο είναι πιο ελαφρύ από ένα μπαλόνι και 100 φορές πιο σκληρό από το ατσάλι. Αποτελεί ένα ημιμέταλλο το οποίο είναι περισσότερο αγώγιμο από τον χαλκό, άκρως ελαστικό και εμφανίζει υψηλή αδιαφάνεια σε συνθήκες κενού. Παρά τα τόσα πλεονεκτήματά του, δεν είναι ακόμα εμπορικά διαθέσιμο διότι η διαδικασία παραγωγής του μέσω της μηχανικής αποφλοίωσης του φυσικού γραφίτη, απαιτεί περαιτέρω τεχνολογική ανάπτυξη.

   Οι εφαρμογές του γραφενίου είναι πολλές. Μία από τις πιο σημαντικές είναι η εφαρμογή του στην αφαλάτωση του νερού. Ειδικότερα, η αφαλάτωση του νερού είναι μία ακριβή και ενεργοβόρος διαδικασία που στηρίζεται στην αρχή της αντίστροφης ώσμωσης. Το θαλασσινό νερό διέρχεται με μεγάλη πίεση από φίλτρα με μικροσκοπικούς πόρους, τα οποία αφήνουν το νερό να περάσει, συγκρατώντας τα ιόντα των αλάτων. Το οξείδιο του γραφενίου μπορεί να λειτουργήσει ως φίλτρο, καθώς με τη διασπορά οξειδωμένου και χημικά κατεργασμένου γραφίτη σε νερό και εφαρμόζοντας τεχνικές κατασκευής χαρτιού, οι μονοστρωματικές νιφάδες σχηματίζουν ένα μονό φύλλο με πολύ ισχυρούς δεσμούς. Μάλιστα το οξείδιο του γραφενίου παράγεται ευκολότερα σε σχέση με το ίδιο το γραφένιο. Ως εκ τούτου, πάνω στη μεμβράνη του φίλτρου έχουν ανοιχθεί τρύπες με διάμετρο μόλις ενός νανομέτρου, που αφήνουν τα μόρια νερού να περάσουν αλλά συγκρατούν σαν κόσκινο όλα τα διαλυμένα ιόντα. Μεμβράνες που είχαν χρησιμοποιηθεί παλαιότερα από γραφένιο είχαν το μειονέκτημα ότι φούσκωναν στο νερό, με συνέπεια να αυξάνεται ιδιαίτερα το μέγεθος των πόρων. Οι ερευνητές ξεπέρασαν το πρόβλημα αυτό καλύπτοντας τη μεμβράνη γραφενίου με ένα στρώμα εποξικής ρητίνης, η οποία εμποδίζει τη διόγκωση της.

   Μία άλλη εφαρμογή του γραφενίου είναι στην ποτοποιεία και συγκεκριμένα στην απόσταξη αιθανόλης. Κατά παρόμοιο τρόπο με την αφαλάτωση του νερού, κατασκευάζονται μεμβράνες από οξείδιο του γραφενίου, μέσω των οποίων διέρχονται οι ατμοί του νερού, όχι όμως άλλα υγρά και αέρια. Η πρακτική αυτή έχει εφαρμοστεί στην απόσταξη της βότκας προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερη συγκέντρωση αλκοόλ, σε κανονικές συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας.

   Παράλληλα, η προσθήκη μικρής ποσότητας γραφενίου σε κάποιο πολυμερές, δημιουργεί σκληρά και ελαφρά υλικά. Ταυτόχρονα, τα πολυμερή αυτά μπορούν να αντέχουν πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι τα “συμβατικά” πολυμερή. Μάλιστα, τα σύνθετα πολυμερή με ενίσχυση γραφενίου είναι ιδανικά για ελαφριές δεξαμενές βενζίνης και πλαστικά δοχεία που διατηρούν τη φρεσκάδα των τροφίμων. Επίσης, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να φτιάξουν ελαφρύτερα αεροσκάφη και αυτοκίνητα, τα οποία θα κατανάλωναν λιγότερα καύσιμα. Τέλος, θα ήταν εφικτή η κατασκευή ισχυρότερων ανεμογεννητριών, ιατρικών εμφυτευμάτων και αθλητικού εξοπλισμού.

Πηγές:

 

Chemecon Newsteam,

Μπαριτάκη Καλλιόπη