Grafeeni keemia

Grafeen, kristalse süsiniku kahemõõtmeline vorm, kas ühekihiline süsinikuaatomite kiht, mis moodustab kärgstruktuuri (kuusnurkne) võre, või selle kärgstruktuuri mitu ühendatud kihti. Sõna grafeen tähistab vormi täpsustamata (nt kahekihiline grafeen, mitmekihiline grafeen) tavaliselt ühekihilist grafeeni. Grafeen on süsiniku kõigi graafiliste struktuuride algvorm: grafiit, mis on kolmemõõtmeline kristall, mis koosneb suhteliselt nõrgalt seotud grafeenikihtidest; nanotorud, mida võib kujutada grafeeni kerimise kujul; ja tatrapallid, grafeenist valmistatud sfäärilised molekulid, mille mõned kuusnurksed rõngad on asendatud viisnurksete rõngastega.

Grafeeni esimesed uuringud

Grafeeni teoreetilist uurimist alustas füüsik Philip R. Wallace 1947. aastal esimese sammuna grafiidi elektroonilise struktuuri mõistmisel. Mõiste grafeen võeti kasutusele keemikute Hanns-Peter Boehmi, Ralph Settoni ja Eberhard Stumpp poolt 1986. aastal sõna grafiidi kombinatsioonina, viidates süsinikule selle järjestatud kristalses vormis, ja järelliide -een, viidates polütsüklilistele aromaatsetele süsivesinikele, milles süsinikuaatomid moodustavad kuusnurkseid või kuuepoolset ringstruktuuri.

2004. aastal isoleerisid Manchesteri ülikooli füüsikud Konstantin Novoselov ja Andre Geim koos kolleegidega ühekihilise grafeeni, kasutades grafiidist koorimise äärmiselt lihtsat meetodit. Nende scotch-tape-meetodil kasutati kleeplinti, et eemaldada pealmised kihid grafiidiproovist ja seejärel kanda kihid alusmaterjalile. Lindi eemaldamisel jäi osa grafeenist ühekihilisel kujul aluspinnale. Tegelikult ei ole grafeeni tuletamine iseenesest keeruline ülesanne; iga kord, kui keegi joonistab paberiga pliiatsiga, sisaldab pliiatsijälg väikese osa ühekihilisest ja mitmekihilisest grafeenist. Manchesteri grupi saavutus polnud mitte ainult grafeenhelveste isoleerimine, vaid ka nende füüsikaliste omaduste uurimine. Eelkõige näitasid nad, et grafeenis olevad elektronid on väga suure liikuvusega, mis tähendab, et grafeeni võidi kasutada elektroonilistes rakendustes. 2010. aastal pälvisid Geim ja Novoselov oma töö eest Nobeli füüsikapreemia.

Nendes esimestes katsetes oli grafeeni substraat räni, mis oli loomulikult kaetud õhukese läbipaistva ränidioksiidikihiga. Selgus, et ühekihiline grafeen tekitas ränidioksiidiga optilise kontrasti, mis oli piisavalt tugev, et muuta grafeen tavalise optilise mikroskoobi all nähtavaks. Sellel nähtavusel on kaks põhjust. Esiteks, grafeenis olevad elektronid interakteeruvad väga tugevalt nähtava valguse sagedustel asuvate footonitega, neelates umbes 2,3 protsenti valguse intensiivsusest aatomikihi kohta. Teiseks suurendavad optilist kontrasti ränidioksiidi kihis esinevad häiringunähtused; need on samad nähtused, mis loovad vikerkaarevärvid õhukestesse kiledesse nagu seebikile või õli veele.