Graphen ist ein Material mit mehreren Eigenschaften, die die Technologie revolutionieren können

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Graphen ist ein Material, das aus einer zweidimensionalen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in hexagonalen Strukturen organisiert sind und deren Höhe der eines Atoms entspricht. Dieses Material kann hergestellt werden, indem Oberflächenschichten aus Graphit, einem auf der Erde reichlich vorhandenen Mineral und einem der häufigsten Allotrope von Kohlenstoff, extrahiert werden.

Die chemischen Bindungen und die Dicke von Graphen sind für mehrere wichtige Eigenschaften dieses Elements verantwortlich, wie z. B. den mechanischen Widerstand sowie die thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten. Diese Eigenschaften haben Wissenschaftler und die Technologiebranche für ihre unendlichen Einsatzmöglichkeiten angezogen.

Die Entdeckung von Graphen

Stabiles zweidimensionales Graphen wurde 2004 von den russischen Physikern Andre Geim und Konstantin Novoselov versehentlich entdeckt. Diese Entdeckung garantierte den Forschern 2010 den Nobelpreis für Physik. Die Existenz dieses Kohlenstoff-Allotrops ist jedoch seit 1930 bekannt.

Grapheneigenschaften

Graphen hat zahlreiche Eigenschaften, die es zu einem Material mit verschiedenen technologischen Anwendungen machen. Kennen Sie die Haupteigenschaften dieses Allotrops.

Mechanische Eigenschaften

Graphen ist das stärkste jemals bekannte Material. Dieser Widerstand resultiert aus den starken Bindungen, die zwischen seinen Kohlenstoffatomen gebildet werden. Im Zivilbau weit verbreitete Materialien wie Stahl halten nur einem Drittel dieses Drucks stand.

Eine weitere interessante Eigenschaft von Graphen ist sein hoher Elastizitätsmodul, was darauf hinweist, dass dieses Material nicht nur widerstandsfähig, sondern auch sehr elastisch ist. Daher kann es relativ leicht zu seiner ursprünglichen Größe zurückkehren.

Die kleinen Bereiche jedes Kohlenstoffsechsecks sind für die hohe Undurchlässigkeit von Graphen verantwortlich, das als kleines Netzwerk verwendet werden kann, das Gase aufnehmen kann, die leicht aus ihren Behältern austreten, wie z. B. Wasserstoffgas. Graphen ist nicht nur extrem widerstandsfähig, sondern auch sehr leicht: Es hat eine Dichte von 0,77 g / m² und ist damit etwa tausendmal leichter als ein Blatt Papier.

Elektrische Eigenschaften

Elektronen können sich in Graphen nahezu frei ausbreiten, ohne abzuweichen oder zu kollidieren. Aufgrund der hexagonalen Struktur der Kohlenstoffbindungen bewegen sich die Elektronen innerhalb dieser dünnen Schichten mit relativistischen Geschwindigkeiten, dh nahe der Lichtgeschwindigkeit.

Bei Raumtemperatur ist der spezifische elektrische Widerstand von Graphen der niedrigste, den es gibt. Somit kann dieses Element als der beste metallische Leiter angesehen werden.

Optische Eigenschaften

Da 97,5% des einfallenden Lichts durchgelassen werden, ist Graphen für das bloße Auge unsichtbar. Dieses optische Verhalten ergibt sich aus den relativistischen Eigenschaften von Elektronen in Graphen. Dies impliziert, dass durch Stapeln mehrerer Graphenschichten ein perfekt schwarzer Körper erzeugt werden kann, der fast die gesamte auf ihn einfallende Strahlung absorbieren kann.

Thermische Eigenschaften

Graphen ist aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften ein ausgezeichneter Wärmeleiter. Dieses Material kann Wärme schneller abführen als jedes andere bekannte Material. Darüber hinaus legen einige Studien nahe, dass seine Schmelztemperatur 3851 ° C beträgt.

Daher sind die Haupteigenschaften und -eigenschaften von Graphen:

• Es ist extrem dünn: es hat die Dicke eines Atoms;
• Es ist sehr widerstandsfähig: etwa 200-mal widerstandsfähiger als Stahl;
• Es ist flexibel;
• Es ist wasserdicht;
• Es ist transparent: Es lässt etwa 97,5% der Lichtstrahlen durch;
• Es hat eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit: Leitet elektrische Energie 100-mal schneller als Kupfer. Studien haben auch gezeigt, dass die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen durch Graphen bewegen, 1000 km / s beträgt (60-mal schneller als Silizium);
• Es hat eine hohe Härte
• Es hat weniger Joule-Effekt: Es verliert weniger Energie in Form von Wärme, wenn es Elektronen leitet.

Graphen-Anwendungen

Graphen ist aufgrund seiner Eigenschaften und Eigenschaften eines der vielversprechendsten bekannten Materialien. Seine technologischen Anwendungen sind groß, aber begrenzt durch die Fähigkeit, dieses Material in großem Maßstab herzustellen. Geräte wie faltbare LED-Bildschirme, Photovoltaikzellen, effizientere Transistoren, Superkondensatoren, Kühlkörper und Superbatterien für Mobiltelefone sind einige Beispiele für Technologien, die unter Verwendung von Graphen entwickelt wurden.

Darüber hinaus kann Graphen in anderen Studienbereichen angewendet werden, z.

Trinkwasser

Durch Graphen gebildete Membranen können Meerwasser entsalzen und reinigen

CO2-Emissionen

Graphenfilter können den CO2-Ausstoß reduzieren, indem sie Gase trennen, die von Industrie und Unternehmen erzeugt werden

Erkennung von Krankheiten

Viel schnellere biomedizinische Sensoren bestehen aus Graphen und können Krankheiten, Viren und andere Toxine erkennen

Konstruktion

Baumaterialien wie Beton und Aluminium werden durch die Zugabe von Graphen leichter und widerstandsfähiger

Ästhetik

Die Haarfärbung durch Sprühen von Graphen dauert bis zu 30 Wäschen

Mikrogeräte

Kleinere und widerstandsfähigere Chips aufgrund des Ersatzes von Silizium durch Graphen

Energie

Solarzellen haben durch die Verwendung von Graphen eine bessere Flexibilität, mehr Transparenz und geringere Produktionskosten

Elektronik

Batterien mit besserer und schnellerer Energiespeicherung

Mobilität

Fahrräder können mit Graphen festere Reifen und Rahmen mit einem Gewicht von 350 Gramm haben

Unter den Studien zu Graphen heben wir diejenigen hervor, die die Entwicklung neuer Datenübertragungskabel für das Internet beinhalten. Laut einer von der Zeitschrift Nature Communication veröffentlichten Studie besteht die Idee darin, die gesamte Geschwindigkeit zu nutzen, die Elektronen in Graphen erreichen - Zellen bewegen sich darin hunderte Male schneller als in den derzeit verwendeten Kabeln.

Bedeutung von Graphen für Brasilien

Brasilien ist Teil des technologischen Wettlaufs um billigere und effizientere Methoden zur Herstellung von Graphen. Laut dem Bericht des Nationalen Ministeriums für Mineralproduktion (DNPM) sollte der Graphenmarkt einer der profitabelsten der Welt sein und in 10 Jahren bis zu 1 Billion Dollar erreichen können. Darüber hinaus verfügt Brasilien über die weltweit größten Graphenreserven.

Graphen Preis

Aufgrund seiner komplexen Beschaffungsmöglichkeiten ist der Preis für Graphen immer noch hoch. Die aktuellsten Techniken, die die Herstellung von reinen und dünnen Schichten dieses Materials ermöglichen, arbeiten mit der Abscheidung von Dampf auf metallischen Substraten wie Kupferblechen.

Derzeit kann eine 5,08 cm x 2,54 cm große Graphenschicht bis zu 275 Dollar kosten: durchschnittlich 21 Dollar pro Quadratzentimeter. Faktoren wie Verunreinigungen und Asymmetrien können diesen Preis jedoch drastisch senken. Graphen kann auch aus Graphit gewonnen werden: Mit 1 kg Graphit, was ungefähr 1 Dollar kostet, können 150 g Graphen hergestellt werden, dessen Wert 15 Tausend Dollar übersteigt.

Graphen Fakten

• Das Graphen-Flaggschiff-Projekt der Europäischen Union hat rund 1,3 Milliarden Euro für die Forschung in Bezug auf Graphen, Anwendungen und industrielle Entwicklung im industriellen Maßstab vorgesehen. Insgesamt beteiligen sich 150 Institutionen aus 23 Ländern an diesem Projekt.
• Der erste für die Raumfahrt entwickelte Koffer hat Graphen in seiner Zusammensetzung. Der Start ist für 2033 geplant, wenn die NASA Expeditionen zum Mars durchführen will.
• Borophen ist der neue Konkurrent für Graphen. Dieses 2015 entdeckte Material gilt als verbesserte Version von Graphen und ist noch flexibler, widerstandsfähiger und leitfähiger.

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