Графит и графен: в чем разница?

Несмотря на то, что они оба являются углеродом, графит и графен не могут быть более разными. Они обладают набором особых характеристик, которые позволяют использовать их в различных областях. В этой статье вы узнаете об их структуре, применении и стоимости. Давайте погрузимся внутрь.

Графит против графена

Что такое графит

Графит (аллотроп углерода) представляет собой гексагональную решетку. Эту смазывающую способность графен приобрел благодаря тому, что его слои скользили друг по другу. Графит входит в состав повседневных предметов, от карандашей до смазочных материалов и даже батареек. Он по-прежнему является проводником (хотя и не таким проводящим, как графен, из-за того, что он слоистый). Дешевый и относительно распространенный, он является главным кандидатом для многих промышленных применений.

Что такое графен

Графен - это соты из атомов углерода, расположенных в один слой. Его толщина также составляет один атом, а значит, сам материал может быть сверхтонким и при этом очень прочным. Его часто называют "чудо-материалом" за его легкость и почти прозрачность, а также за то, что он прочнее всего, с чем мы когда-либо сталкивались, и обладает достойной электропроводностью. Он в 200 раз прочнее стали, а его толщина составляет один атом. Области его применения многочисленны, от электроники до медицинских приборов, и хотя материал относительно широко распространен в природе, его создание было дорогостоящим и трудным.

Структура

Слои против одного слоя

Графит: Состоит из множества слоев углеродных листов, уложенных друг на друга. Поскольку эти слои слабо связаны друг с другом, они могут легко скользить друг по другу. Именно поэтому мы ощущаем графит в руке как скользкий, и он также ведет себя как смазка.

Графен: одиночный ячеистый слой атомов углерода, материал толщиной в один атом, обладающий исключительной прочностью и гибкостью.

Различия в скреплении

Графит: Поскольку слои удерживаются вместе примитивными ван-дер-ваальсовыми силами, графит легко расколоть или расщепить.

Графен: атомы углерода очень плотно соединены в единый слой, что придает графену потрясающую прочность и гибкость.

Свойства графита и графена

Электропроводность

Графит: Графит также передает электричество благодаря свободно перемещающимся электронам между его слоями, но без дополнительных графеновых листов он не такой проводящий. Сопротивление возникает, когда слои разделены достаточно большим расстоянием.

Графен: один из самых известных проводников электричества Поскольку электроны могут проходить через него практически без сопротивления, графен - естественное решение для высокоскоростной электроники.

Механическая прочность

Графит: Мягкий и хрупкий. Графит легко ломается, поэтому его используют для изготовления грифелей карандашей. Легко становится хрупким, так как слои удерживаются вместе только слабыми связями.

Графен: он чрезвычайно прочен, в 20 раз прочнее стали. Хотя толщина графена составляет всего один атом углерода, его структура обусловлена прочной кристаллической решеткой и тем, что каждая связь C-C имеет прочность, эквивалентную двойной длине.

4.3Теплопроводность

Графит: Достойная теплопроводность, поэтому широко используется, например, для пассивного охлаждения.

Графен: выдающаяся теплопроводность. Это один из лучших проводников тепловой энергии, поэтому он отлично подходит для охлаждения электрических компонентов.

Приложения

Графит

Карандаши: Карандаши используют графит в качестве "свинца", потому что он не размазывается и не размазывается слишком сильно, он легко наносит метки на поверхность и стирается, когда это необходимо. Графит состоит из слоистых листов, поэтому им можно писать с очень небольшим нажимом и оставлять след на бумаге.

Смазочные материалы: Поскольку он скользкий, его включают в состав смазочных материалов для предотвращения трения между механизмами. Поскольку слои графита скользкие, они позволяют им легко скользить друг по другу, создавая прочный барьер, который уменьшает износ деталей из-за движения.

Аккумуляторы: Графит также оказался внутренним элементом, который может выполнять две основные функции в аноде литий-ионной батареи: стабильность и эффективное накопление энергии. Эта слоистая структура позволяет ионам лития легко входить и выходить во время циклов заряда/разряда.

Сталеплавильное производство: При производстве стали он обычно используется в качестве огнеупорного материала, поскольку выдерживает высокие температуры. Для этого используется изоляционный футеровка в литейных цехах и печах для нанесения покрытий должна поддерживаться постоянная температура - абсолютное требование для производства высококачественной стали.

Графен

Электроника: Поскольку графен является отличным проводником электричества, одна из возможностей, предложенная в двух новых экспериментах Лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Сан-Диего, заключается в использовании его вместо кремния в компьютерных чипах - это позволит создавать более быстрые устройства, которые будут работать медленнее и (в идеале) потреблять меньше энергии на вычисления. Высокая подвижность электронов делает его идеально подходящим для быстрого переключения, необходимого в будущих вычислительных технологиях.

Медицинские приборы: Биосовместимость и чувствительность графема делают его идеальным для биосенсоров, систем доставки лекарств, а также тканевой инженерии и т.д. Нетоксичность и совместимость с биологическими системами делают его привлекательным для использования в медицинской диагностике или терапевтическом лечении.

Хранение энергии: Суперконденсаторы и усовершенствованные батареи могут использовать графен в будущем, чтобы ускорить время зарядки и увеличить запас энергии. Благодаря высокой площади поверхности и проводимости графена можно улучшить характеристики устройств хранения энергии, сделав их долговечными.

Композитные материалы: Графен можно сочетать с другими материалами, такими как металлы и пластмассы, чтобы сделать их более легкими, прочными или электропроводящими. Потенциальные области применения композитов, усиленных графеном, - снижение веса, повышение топливной эффективности и улучшение общих характеристик абляции.

Графит против графена: стоимость

Графит: Низкий

Изобилие: Графит доступен недорого в обычном, природном виде, добывается по всему миру и является легкодоступным и экономически эффективным минералом.

Стоимость производства:Благодаря низкой стоимости производства и обработки графит также подходит для использования во многих промышленных приложениях.

Графен: высокий

Производственные трудности: Производство графена значительно сложнее, чем производство графита. Хотя монослойный h-BN уже можно получить мокрым способом, существующие подходы к производству, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и методы эксфолиации, остаются дорогостоящими и плохо масштабируемыми для крупномасштабного производства. Они остаются дорогостоящими и не могут быть легко масштабированы для крупномасштабного производства.

Тенденции изменения цен: Несмотря на тенденцию к снижению цен на графен, стоимость этого материала намного выше, чем графита. В настоящее время ведутся работы по созданию более экономически эффективных способов производства графена, чтобы материал стал коммерчески выгодным.

Заключение

Графит и графен обладают рядом уникальных свойств, схожих друг с другом, что делает их важной группой материалов. Соответственно, графен можно рассматривать как последний шаг в эволюции углерода. Графит служит промышленности уже несколько десятилетий, но графен, по мнению многих, является настоящим игровым механизмом, который может разрушить множество областей в различных секторах. Если люди смогут производить графен более дешево и просто благодаря текущим исследованиям, то мир, в котором этот потусторонний материал будет королем, может оказаться не таким уж далеким. Неважно, уважаете ли вы прагматизм графита или соблазняетесь потенциалом графена. И тот, и другой материал должны работать вместе, продвигаясь вперед в технологиях и промышленности.