Hóa học graphene

Graphene, một dạng carbon tinh thể hai chiều, hoặc là một lớp nguyên tử carbon duy nhất tạo thành mạng tinh thể tổ ong (hình lục giác) hoặc một số lớp kết hợp của cấu trúc tổ ong này. Từ graphene, khi được sử dụng mà không chỉ định hình thức (ví dụ: graphene hai lớp, graphene đa lớp), thường dùng để chỉ graphene một lớp. Graphene là một dạng cha mẹ của tất cả các cấu trúc graphit của carbon: than chì, là một tinh thể ba chiều bao gồm các lớp graphene được kết hợp tương đối yếu; ống nano, có thể được biểu diễn dưới dạng cuộn graphene; và buckyball, các phân tử hình cầu được làm từ graphene với một số vòng lục giác được thay thế bằng các vòng ngũ giác.

Những nghiên cứu đầu tiên về graphene

Nghiên cứu lý thuyết về graphene được bắt đầu vào năm 1947 bởi nhà vật lý Philip R. Wallace như là bước đầu tiên để hiểu cấu trúc điện tử của than chì. Thuật ngữ graphene được giới thiệu bởi các nhà hóa học Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton và Eberhard Stumpp vào năm 1986 như là một sự kết hợp của từ than chì, đề cập đến carbon ở dạng tinh thể được đặt hàng của nó, và hậu tố -ene, nói đến hydrocarbon thơm. các nguyên tử carbon tạo thành các cấu trúc hình lục giác, hoặc sáu mặt.

Năm 2004, các nhà vật lý của Đại học Manchester, Konstantin Novoselov và Andre Geim và các đồng nghiệp đã phân lập graphene một lớp bằng một phương pháp tẩy da chết cực kỳ đơn giản từ than chì. Phương pháp scotch-băng của họ đã sử dụng băng dính để loại bỏ các lớp trên cùng khỏi mẫu than chì và sau đó áp dụng các lớp cho vật liệu nền. Khi băng được gỡ bỏ, một số graphene vẫn còn trên đế ở dạng một lớp. Trong thực tế, việc tạo ra graphene không phải là một nhiệm vụ khó khăn; mỗi lần ai đó vẽ bằng bút chì trên giấy, dấu vết bút chì chứa một phần nhỏ graphene một lớp và nhiều lớp. Thành tựu của nhóm Manchester không chỉ là cô lập các mảnh graphene mà còn nghiên cứu các tính chất vật lý của chúng. Cụ thể, họ đã chứng minh rằng các electron trong graphene có độ linh động rất cao, điều đó có nghĩa là graphene có thể được sử dụng trong các ứng dụng điện tử. Năm 2010 Geim và Novoselov đã được trao giải thưởng Nobel về Vật lý cho công trình của họ.

Trong những thí nghiệm đầu tiên này, chất nền cho graphene là silicon được bao phủ một cách tự nhiên bởi một lớp silicon dioxide trong suốt mỏng. Hóa ra graphene một lớp tạo ra độ tương phản quang học với silicon dioxide đủ mạnh để làm cho graphene có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi quang học tiêu chuẩn. Tầm nhìn này có hai nguyên nhân. Đầu tiên, các electron trong graphene tương tác rất mạnh với các photon ở tần số ánh sáng khả kiến, hấp thụ khoảng 2,3% cường độ ánh sáng trên mỗi lớp nguyên tử. Thứ hai, độ tương phản quang học được tăng cường mạnh mẽ bởi các hiện tượng nhiễu trong lớp silicon dioxide; đây là những hiện tượng tương tự tạo ra màu sắc cầu vồng trong các màng mỏng như màng xà phòng hoặc dầu trên nước.