Γραφίτης vs γραφένιο : Ποια είναι η διαφορά;

Παρόλο που και οι δύο είναι άνθρακας, ο γραφίτης και το γραφένιο δεν θα μπορούσαν να διαφέρουν περισσότερο. Έχουν ένα σύνολο ειδικών χαρακτηριστικών που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται πιθανώς σε διάφορους τομείς. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε για τις δομές τους και τις χρήσεις & το κόστος τους. Ας βουτήξουμε στο θέμα.

Γραφίτης έναντι γραφενίου

Τι είναι ο γραφίτης

Ο γραφίτης (ένα αλλότροπο του άνθρακα) Το φύλλο από άνθρακα είναι εξαγωνικό πλέγμα. Αυτή η λιπαρή αίσθηση του γραφενίου προέρχεται από την ικανότητα των στρωμάτων να γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο. Ο γραφίτης βρίσκεται πλέον σε καθημερινά αντικείμενα, από τα μολύβια μας μέχρι τα λιπαντικά και ακόμη και τις μπαταρίες. Εξακολουθεί να είναι αγωγός (αν και όχι τόσο αγώγιμος όσο το γραφένιο, λόγω του γεγονότος ότι είναι στρωματοποιημένος). Φτηνός και σχετικά άφθονος, είναι ένας πρώτος υποψήφιος για πολλές βιομηχανικές χρήσεις.

Τι είναι το γραφένιο

Το γραφένιο είναι κυψελωτή διάταξη ατόμων άνθρακα σε ένα ενιαίο στρώμα. Είναι επίσης ένα μόνο άτομο σε πάχος, πράγμα που σημαίνει ότι το ίδιο το υλικό μπορεί να είναι εξαιρετικά λεπτό και παρόλα αυτά πολύ ισχυρό. Συχνά αναφέρεται ως το "θαυματουργό υλικό" για την ελαφρότητα και τη σχεδόν διαφάνειά του, αλλά και επειδή είναι ισχυρότερο από οτιδήποτε άλλο έχουμε συναντήσει ποτέ με αξιοσέβαστη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ότι είναι 200 φορές ισχυρότερο από το ατσάλι και έχει πάχος ενός ατόμου. Οι εφαρμογές του είναι πολλές, από ηλεκτρονικά μέχρι ιατρικές συσκευές, και ενώ το υλικό είναι σχετικά άφθονο στη φύση η δημιουργία του ήταν δαπανηρή και δύσκολη.

Δομή

Στρώματα έναντι ενός στρώματος

Γραφίτης: Αποτελείται από πολυάριθμα στρώματα φύλλων άνθρακα στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο. Καθώς αυτά τα στρώματα συνδέονται ασθενώς μεταξύ τους, μπορούν εύκολα να ολισθαίνουν το ένα πάνω στο άλλο. Αυτός είναι ο λόγος που αισθανόμαστε τον γραφίτη στο χέρι μας ως ολισθηρό και συμπεριφέρεται επίσης ως λιπαντικό.

Γκραφένιο: Ένα ενιαίο κυψελωτό στρώμα ατόμων άνθρακα, ένα υλικό πάχους ενός ατόμου με εξαιρετική αντοχή και ευελιξία.

Διαφορές συγκόλλησης

Γραφίτης: Van der Waals, ο γραφίτης είναι εύκολο να διασπαστεί ή να διασπαστεί.

Γραφένιο: Αυτά τα άτομα άνθρακα συνδέονται πολύ στενά μέσα στο ενιαίο στρώμα, γεγονός που προσδίδει στο γραφένιο την τρομερή αντοχή και ευελιξία του.

Ιδιότητες του γραφίτη και του γραφενίου

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Γραφίτης: Ενώ ο γραφίτης μεταφέρει επίσης ηλεκτρισμό χάρη στα ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια μεταξύ των στρωμάτων του, εκείνα χωρίς πρόσθετα φύλλα γραφενίου δεν είναι τόσο αγώγιμα. Η αντίσταση προκύπτει όταν τα στρώματα χωρίζονται από αρκετά μεγάλη απόσταση.

Γραφένιο: Ένας από τους καλύτερους γνωστούς ηλεκτρικούς αγωγούς Επειδή τα ηλεκτρόνια μπορούν να διαπερνούν το γραφένιο χωρίς σχεδόν καμία αντίσταση, το γραφένιο είναι ιδανικό για ηλεκτρονικά συστήματα υψηλών ταχυτήτων.

Μηχανική αντοχή

Γραφίτης: Μαλακός και εύθραυστος. Ο γραφίτης σπάει εύκολα, γι' αυτό και χρησιμοποιείται για μολυβδόβουλους. Γίνεται εύκολα εύθραυστος, καθώς τα στρώματα συγκρατούνται μεταξύ τους μόνο με ασθενείς δεσμούς.

Γραφένιο: Είναι εξαιρετικά σκληρό, 20 φορές πιο ανθεκτικό από το ατσάλι. Αν και έχει πάχος μόνο ένα άτομο άνθρακα, η δομή του γραφενίου οφείλεται στο ισχυρό κρυσταλλικό πλέγμα του και στο γεγονός ότι κάθε δεσμός C-C έχει αντοχή ισοδύναμη με εκείνη του διπλάσιου μήκους.

4.3Θερμική αγωγιμότητα

Γραφίτης: Βλέπετε έτσι ευρεία χρήση, για παράδειγμα στην παθητική ψύξη.

Γραφένιο: Εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα. Είναι ένας από τους καλύτερους αγωγούς θερμικής ενέργειας, οπότε αποτελεί καλή επιλογή για την ψύξη ηλεκτρικών εξαρτημάτων.

Εφαρμογές

Γραφίτης

Μολύβια: Τα μολύβια χρησιμοποιούν γραφίτη ως "μολύβι" επειδή δεν θα λερωθεί ή θα μουτζουρωθεί πολύ, θα σημαδέψει εύκολα μια επιφάνεια και στη συνέχεια θα σβήσει όταν χρειαστεί. Ο γραφίτης αποτελείται από φύλλα σε ένα στρώμα, έτσι ώστε να μπορούν να γράφουν με πολύ μικρή πίεση και να αφήνουν ένα σημάδι στο χαρτί.

Λιπαντικά: Ως εκ τούτου περιλαμβάνεται στα λιπαντικά για την αποφυγή της τριβής μεταξύ των μηχανημάτων. Δεδομένου ότι τα στρώματα του γραφίτη είναι ολισθηρά, τους επιτρέπουν να γλιστρούν εύκολα το ένα πάνω στο άλλο δημιουργώντας ένα στερεό φράγμα που μειώνει τη φθορά των εξαρτημάτων λόγω της κίνησης.

Μπαταρίες: σταθερότητα με αποτελεσματική αποθήκευση ενέργειας. Αυτή η στρωματοποιημένη δομή επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να εισέρχονται και να εξέρχονται εύκολα κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης.

Παραγωγή χάλυβα: Κατά τη διάρκεια της κατασκευής χάλυβα, εφαρμόζεται γενικά ως πυρίμαχο υλικό λόγω της αντοχής του σε υψηλά επίπεδα θερμότητας. Για να γίνει αυτό, η μόνωση επενδύσεις στα χυτήρια και στους κλιβάνους επικάλυψης πρέπει να διατηρούν σταθερή θερμοκρασία - απόλυτη προϋπόθεση για την κατασκευή χάλυβα υψηλής ποιότητας.

Γραφένιο

Ηλεκτρονικά: Επειδή το γραφένιο είναι ένας εξαιρετικός αγωγός του ηλεκτρισμού, μια δυνατότητα που προτείνεται από δύο νέα πειράματα στο εργαστήριο Berkeley Lab και στο UC San Diego θα μπορούσε να είναι η χρήση του στη θέση του πυριτίου στα τσιπ υπολογιστών - επιτρέποντας ταχύτερες συσκευές που λειτουργούν πιο δροσερά αλλά (ιδανικά) καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια ανά υπολογισμό. Η υψηλή κινητικότητα των ηλεκτρονίων του το καθιστά ιδανικά κατάλληλο για την ταχύτητα ταχείας μεταγωγής που απαιτείται στις μελλοντικές τεχνολογίες υπολογιστών.

Ιατρικές συσκευές: ιδανικό για βιοαισθητήρες, συστήματα χορήγησης φαρμάκων και μηχανικής ιστών κ.λπ. Αυτή η μη τοξικότητα και η συμβατότητα με τα βιολογικά συστήματα τον καθιστούν ελκυστικό για χρήση σε ιατρικές διαγνωστικές ή θεραπευτικές θεραπείες.

Αποθήκευση ενέργειας: Στο μέλλον, οι υπερπυκνωτές και οι προηγμένες μπαταρίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν γραφένιο για να επιτρέψουν ταχύτερο χρόνο φόρτισης με μεγαλύτερη αποθήκευση ενέργειας. Λόγω της μεγάλης επιφάνειας και της αγωγιμότητάς του, οι επιδόσεις των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να βελτιωθούν, καθιστώντας τες μακράς διάρκειας.

Σύνθετα υλικά: Το γραφένιο μπορεί να συνδυαστεί με άλλα υλικά, όπως μέταλλα και πλαστικά, για να τα καταστήσει πιο ελαφριά, ενώ παράλληλα πιο ισχυρά ή ηλεκτρικά αγώγιμα. Πιθανές εφαρμογές αυτών των σύνθετων υλικών ενισχυμένων με γραφένιο είναι η μείωση του βάρους, η αύξηση της αποδοτικότητας των καυσίμων και η βελτίωση των συνολικών επιδόσεων απόσβεσης.

Γραφίτης έναντι γραφενίου: Κόστος

Γραφίτης: Γκριφίνης: Χαμηλή

Αφθονία: Ο γραφίτης είναι διαθέσιμος φθηνά σε κοινή, φυσική μορφή Εξορύσσεται παγκοσμίως, είναι ένα εύκολα διαθέσιμο και οικονομικά αποδοτικό ορυκτό.

Κόστος παραγωγής: Λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής και επεξεργασίας του, ο γραφίτης είναι επίσης κατάλληλος για χρήση σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.

Γραφένιο: Υψηλή

Προκλήσεις παραγωγής: Η παραγωγή γραφενίου είναι σημαντικά πιο δύσκολη από την παραγωγή γραφίτη. Παρόλο που το μονοστρωματικό h-BN μπορεί τώρα να παρασκευαστεί με υγρές μεθόδους, οι υπάρχουσες προσεγγίσεις κατασκευής - όπως η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και οι τεχνικές απολέπισης. παραμένουν δαπανηρές και δεν είναι εύκολα κλιμακούμενες για παραγωγή μεγάλης κλίμακας.

Τάσεις τιμών: Παρά την πτωτική τάση των τιμών του γραφενίου, το κόστος αυτού του υλικού είναι πολύ υψηλότερο από εκείνο του γραφίτη. Επί του παρόντος διεξάγονται εργασίες για τη δημιουργία πιο αποδοτικών από πλευράς κόστους τρόπων παραγωγής γραφενίου, ώστε το υλικό να καταστεί εμπορικά βιώσιμο.

Συμπέρασμα

Ο γραφίτης και το γραφένιο μοιράζονται κάποιες μοναδικές ιδιότητες παρόμοιες μεταξύ τους, γεγονός που τα καθιστά μια σημαντική ομάδα υλικών. Συνεπώς, μπορούμε να θεωρήσουμε το γραφένιο ως το τελικό βήμα στην εξέλιξη του άνθρακα. Ο γραφίτης εξυπηρετεί τις βιομηχανίες εδώ και δεκαετίες, αλλά το γραφένιο είναι αυτό που πολλοί πιστεύουν ότι θα αλλάξει πραγματικά το παιχνίδι και μπορεί να διαταράξει πολλούς τομείς σε διάφορους τομείς. Εάν οι άνθρωποι μπορούν να παράγουν γραφένιο πιο φθηνά και απλά λόγω της τρέχουσας έρευνας, ένας κόσμος όπου το απόκοσμο υλικό είναι βασιλιάς μπορεί στην πραγματικότητα να μην είναι πολύ μακριά. Είτε μπορείτε να σεβαστείτε τον ρεαλισμό του γραφίτη είτε σας σαγηνεύουν οι δυνατότητες του γραφενίου τώρα. Και τα δύο θα πρέπει να συνεργαστούν προχωρώντας προς τα εμπρός στην τεχνολογία και τη βιομηχανία.