Jaký je rozdíl mezi grafenem a grafitem?

Pozoruhodný chemický prvek, uhlík, je ten, který pohodlně sedí na čísle 6 ve čtrnácté skupině druhé periody periodické tabulky chemických prvků. Od starověku lidé znali diamant a grafit, dvě z více než devíti dosud objevených alotropních modifikací tohoto prvku. Mimochodem, právě uhlík má ve srovnání s jinými látkami největší počet alotropních modifikací, které moderní věda zná.

Alotropie implikuje možnost existence stejného chemického prvku v přírodě ve formě dvou nebo více jednoduchých látek, tzv. alotropních forem nebo alotropních modifikací, které způsobují rozdíly v těchto látkách jak ve struktuře, tak ve vlastnostech. Uhlík má tedy 8 takových základních forem: diamant, grafit, lonsdaleit, fullereny (C60, C540 a C70), amorfní uhlík a jednostěnné nanotrubice.

Mezi těmito formami uhlíku jsou zcela odlišné vlastnosti a charakter: měkké a tvrdé, průhledné a neprůhledné, levné a drahé látky. Porovnejme však dvě podobné modifikace uhlíku — grafit a grafen.

Graffiti všichni známe už ze školy.Tuha obyčejné tužky je přesně grafitová. Na dotek je dosti měkký, kluzký a mastný, krystaly jsou destičky, vrstvy atomů jsou umístěny nad sebou, proto při tření např. o papír se jednotlivé vločky vrstvené krystalové struktury grafitu snadno odlupují , zanechávající na papíře charakteristickou tmavou stopu.

Grafit dobře vede elektrický proud, jeho odpor je v průměru 11 Ohm * mm2 / m, ale vodivost grafitu není stejná kvůli přirozené anizotropii jeho krystalů. Vodivost podél rovin krystalu je tedy stokrát vyšší než vodivost v těchto rovinách. Hustota grafitu je od 2,08 do 2,23 g/cm3.

V přírodě se grafit tvoří za vysokých teplot ve vyvřelých a vulkanických horninách, ve skarnech a pegmatitech. Vyskytuje se v křemenných žilách s minerály v hydrotermálních středněteplotních polymetalických ložiskách. Je široce rozšířen v metamorfovaných horninách.

Od roku 1907 se tak na ostrově Madagaskar vyvíjely největší světové zásoby přírodního vločkového grafitu. Ostrov se skládá z prekambrických metamorfovaných hornin, které vystupují na povrch v hornatém terénu s hypsometrickými značkami 4 000-4 600 stop. Grafit se zde nachází v pásu dlouhém 400 mil a dominuje horám ve východní části středu ostrova.

Grafen, na rozdíl od grafitu, nemá objemnou krystalovou strukturu; vyznačuje se dvourozměrnou hexagonální krystalovou mřížkou o tloušťce pouze jednoho atomu. V takové alotropní modifikaci se uhlík přirozeně vůbec nevyskytuje, ale lze jej teoreticky získat uměle. Můžeme říci, že rovina záměrně oddělená od vícevrstvé objemové krystalové struktury grafitu bude právě tento grafen.

Vědci zpočátku nebyli schopni získat grafen ve formě jednoduchého dvourozměrného filmu, kvůli nestabilitě hmoty v této podobě. Na substrátu z oxidu křemíku (díky vazbě s dielektrickou vrstvou) však bylo stále možné získat grafen o tloušťce jednoho atomu: v roce 2004 ruští vědci Andrey Geim a Konstantin Novoselov z University of Manchester publikovali zprávu v Science na získání grafenu tímto způsobem.

A i dnes mají své opodstatnění tak jednoduché metody získávání grafenu pro výzkum, jako je mechanické odlupování uhlíkové monovrstvy z objemného krystalu grafitu pomocí lepicí pásky (a podobné metody).

Vědci se domnívají, že díky jejich pokroku brzy vznikne nová třída nanoelektroniky na bázi grafenu, kde tranzistory s efektem pole budou mít tloušťku menší než 10 nm. Faktem je, že pohyblivost elektronů v grafenu je tak vysoká (10 000 cm2 / V * s), že se dnes jeví jako nejslibnější alternativa konvenčního křemíku.

Vysoká mobilita nosiče je schopnost elektronů a děr extrémně rychle reagovat na účinek aplikovaných elektrických polí, a to je nesmírně důležité pro tranzistory s efektem pole, základní provozní jednotku moderní elektroniky.

Perspektivy je také vytvoření různých biologických a chemických senzorů, ale i tenkých filmů pro fotovoltaická zařízení a dotykové obrazovky. Přes to všechno je tepelná vodivost grafenu 10x vyšší než u mědi a toto kritérium je pro elektroniku vždy velmi důležité.