Grafit ve Grafen: Aralarındaki Fark Nedir?

Her ikisi de karbon olmasına rağmen, grafit ve grafen daha farklı olamazdı. Çeşitli alanlarda kullanılmalarını sağlayan bir dizi özel karakteristiğe sahiptirler. Bu makalede, yapıları, kullanımları ve maliyetleri hakkında bilgi edineceksiniz. Hadi içeri dalalım.

Grafit vs Grafen

Grafit Nedir

Grafit (bir karbon allotropu) Karbondan levha altıgen ızgaradır. Grafenin bu kaygan hissi, katmanların birbiri üzerinde kayma kabiliyetinden kaynaklanır. Grafit artık kalemlerimizden yağlayıcılara ve hatta pillere kadar günlük eşyaların içinde bulunmaktadır. Hala bir iletkendir (katmanlı olması nedeniyle grafen kadar iletken olmasa da). Ucuz ve nispeten bol olduğu için birçok endüstriyel kullanım için başlıca adaydır.

Grafen Nedir

Grafen, karbon atomlarının tek bir katman halinde bal peteği şeklinde düzenlenmesidir. Aynı zamanda tek atom kalınlığındadır, bu da malzemenin kendisinin süper ince ve yine de çok güçlü olabileceği anlamına gelir. Hafifliği ve şeffaflığa yakınlığı nedeniyle genellikle "mucize malzeme" olarak anılır, ancak aynı zamanda şimdiye kadar karşılaştığımız her şeyden daha güçlü ve saygın bir elektrik iletkenliğine sahip olduğu için. Çelikten 200 kat daha güçlü ve tek bir atom kalınlığında olması. Elektronikten tıbbi cihazlara kadar çok sayıda uygulama söz konusudur ve malzeme doğada nispeten bol miktarda bulunmasına rağmen onu yaratmak maliyetli ve zor olmuştur.

Yapı

Katmanlar vs Tek Katman

Grafit: Birbiri üzerine yığılmış çok sayıda karbon tabakasından oluşur. Bu tabakalar birbirlerine zayıf bir şekilde bağlandıkları için birbirlerinin üzerinden kolayca kayabilirler. Grafiti elimizde kaygan olarak hissetmemizin nedeni budur ve aynı zamanda bir yağlayıcı gibi davranır.

Grafen: Olağanüstü güç ve esnekliğe sahip tek bir atom kalınlığında bir malzeme olan karbon atomlarının tek bir petekli tabakası.

Bağlanma Farklılıkları

Grafit: Katmanlar ilkel van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulduğu için grafitin bölünmesi veya yarılması kolaydır.

Grafen: Bu karbon atomları tek bir katman içinde çok sıkı bir şekilde bağlanmıştır, bu da grafene müthiş bir güç ve esneklik kazandırır.

Grafit ve Grafenin Özellikleri

Elektriksel İletkenlik

Grafit: Grafit de katmanları arasında serbestçe hareket eden elektronlar sayesinde elektriği aktarırken, burada ek grafen tabakaları olmayanlar o kadar iletken değildir. Direnç, katmanlar yeterince büyük bir mesafe ile ayrıldığında ortaya çıkar.

Grafen: Bilinen en iyi elektrik iletkenlerinden biri Elektronlar neredeyse hiç direnç göstermeden içinden geçebildiğinden, grafen yüksek hızlı elektronikler için doğal bir malzemedir.

Mekanik Dayanım

Grafit: Yumuşak ve kırılgandır. Grafit kolayca kopar, bu nedenle kurşun kalem uçları için kullanılır. Katmanlar sadece zayıf bağlarla bir arada tutulduğundan kırılgan hale gelmesi kolaydır.

Grafen: Son derece sağlamdır, çelikten 20 kat daha dayanıklıdır. Kalınlığı sadece bir karbon atomu olmasına rağmen, grafenin yapısı güçlü kristal kafesinden ve her bir C-C bağının uzunluğunun iki katına eşdeğer bir güce sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

4.3Termal İletkenlik

Grafit: İyi termal iletkenlik, bu nedenle örneğin pasif soğutmada yaygın kullanım görmektedir.

Grafen: Olağanüstü termal iletkenlik. Termal enerji için en iyi iletkenlerden biridir, bu nedenle elektrikli bileşenlerin soğutulması için iyi bir seçimdir.

Uygulamalar

Grafit

Kurşun kalemler: Kurşun kalemler "kurşun" olarak grafit kullanır, çünkü çok fazla bulaşmaz veya lekelenmez, bir yüzeyi kolayca işaretler ve gerektiğinde siler. Grafit bir tabaka halinde tabakalardan oluşur, bu nedenle çok az basınçla yazabilir ve kağıt üzerinde iz bırakabilirler.

Yağlayıcılar: Kaygan olduğundan, makineler arasındaki sürtünmeyi önlemek için yağlayıcılara dahil edilir. Grafit katmanları kaygan olduğundan, birbirleri üzerinde kolayca kaymalarını sağlar ve parçaların hareket nedeniyle aşınmasını azaltan sağlam bir bariyer oluşturur.

Bataryalar: Grafitin, bir lityum-iyon pil anodunda iki temel işlevi yerine getirebilen içsel bir element olduğu da bulunmuştur; verimli enerji depolama ile stabilite. Bu katmanlı yapı, lityum iyonlarının şarj/deşarj döngüleri sırasında kolayca içeri ve dışarı akmasını sağlar.

Çelik üretimi: Çelik üretimi sırasında, yüksek ısı seviyelerine dayanması nedeniyle genellikle refrakter malzeme olarak uygulanır. Bunu yapmak için, izolasyon Astarlar Dökümhanelerde ve kaplama fırınlarında yüksek kaliteli çelik üretimi için mutlak bir gereklilik olan sabit sıcaklık korunmalıdır.

Grafen

Elektronik: Grafen mükemmel bir elektrik iletkeni olduğundan, Berkeley Lab ve UC San Diego'daki iki yeni deneyin önerdiği bir olasılık, bilgisayar çiplerinde silikon yerine kullanılması olabilir - daha soğuk çalışan ancak (ideal olarak) hesaplama başına daha az enerji tüketen daha hızlı cihazlara izin verir. Yüksek elektron hareketliliği, onu gelecekteki bilgi işlem teknolojilerinde ihtiyaç duyulan hızlı geçiş hızı için ideal hale getiriyor.

Tıbbi Cihazlar: Biyouyumluluk ve hassas grapheme, onu biyosensörler, ilaç dağıtım sistemi ve doku mühendisliği vb. için ideal hale getirir. Bu toksik olmama ve biyolojik sistemlerle uyumluluk, onu tıbbi teşhis veya terapötik tedavilerde kullanım için cazip hale getirir.

Enerji Depolama: Süperkapasitörler ve gelişmiş bataryalar, daha yüksek enerji depolama ile daha hızlı şarj süresi sağlamak için gelecekte grafen kullanabilir. Yüksek yüzey alanı ve iletkenliği sayesinde enerji depolama cihazlarının performansı artırılarak uzun ömürlü olmaları sağlanabilir.

Kompozit Malzemeler: Grafen, metaller ve plastikler gibi diğer malzemelerle birleştirilerek daha hafif, hatta daha güçlü veya elektriksel olarak iletken hale getirilebilir. Bu grafen takviyeli kompozitlerin potansiyel uygulamaları ağırlığı azaltmak, yakıt verimliliğini artırmak ve genel ablasyon performansını iyileştirmektir.

Grafit ve Grafen: Maliyet

Grafit: Düşük

Bolluk: Grafit, dünya çapında çıkarılan yaygın, doğal formda ucuz bir şekilde mevcuttur, kolaylıkla bulunabilen ve uygun maliyetli bir mineraldir.

Üretim Maliyetleri: Düşük üretim ve işleme maliyetleri nedeniyle grafit birçok endüstriyel uygulamada da kullanıma uygundur.

Grafen: Yüksek

Üretim Zorlukları: Grafen üretmek grafit üretmekten çok daha zordur. Tek katmanlı h-BN artık ıslak yöntemler kullanılarak hazırlanabilse de, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve eksfoliyasyon teknikleri gibi mevcut üretim yaklaşımları. Maliyetli olmaya devam ediyor ve büyük ölçekli üretim için kolayca ölçeklendirilemiyor.

Fiyat Eğilimleri: Grafen fiyatlarındaki düşüş eğilimine rağmen, bu malzemenin maliyeti grafitten çok daha yüksektir. Şu anda grafen üretmenin daha uygun maliyetli yollarını yaratmak için çalışmalar yürütülmektedir, böylece malzeme ticari olarak uygulanabilir hale gelecektir.

Sonuç

Grafit ve grafen, birbirlerine benzer bazı benzersiz özellikleri paylaşır ve bu da onu önemli bir malzeme grubu haline getirir. Bu nedenle grafeni karbonun evrimindeki son adım olarak değerlendirebiliriz. Grafit onlarca yıldır endüstrilere hizmet etmiştir, ancak Grafen, birçok kişinin farklı sektörlerde birçok alanı altüst edebilecek gerçek oyun değiştirici olduğuna inandığı şeydir. Eğer insanlar mevcut araştırmalar sayesinde grafeni daha ucuz ve basit bir şekilde üretebilirse, diğer dünyalara ait bu malzemenin kral olduğu bir dünya aslında çok da uzak olmayabilir. İster grafitin pragmatizmine saygı duyun, ister grafenin şu anki potansiyeli sizi baştan çıkarsın. Her ikisi de teknoloji ve endüstride ilerlerken birlikte çalışmak zorunda kalacaktır.