Графіт проти графену: в чому різниця?

Хоча вони обидва є вуглецем, графіт і графен не можуть бути більш різними. Вони мають набір особливих характеристик, які дозволяють використовувати їх у різних галузях. У цій статті ви дізнаєтесь про їхню структуру, застосування та вартість. Давайте зануримося.

Графіт проти графену

Що таке графіт

Графіт (алотроп вуглецю) Лист з вуглецю має гексагональну решітку. Свою змащувальну властивість графен отримав завдяки здатності шарів ковзати один по одному. Графіт сьогодні можна знайти у повсякденних предметах, від наших олівців до мастил і навіть батарейок. Він все ще є провідником (хоча і не настільки провідним, як графен, через те, що він шаруватий). Дешевий і відносно поширений, він є основним кандидатом для багатьох промислових застосувань.

Що таке графен

Графен - це сотове розташування атомів вуглецю в одному шарі. Він також має товщину в один атом, а це означає, що сам матеріал може бути надто тонким і водночас дуже міцним. Його часто називають "диво-матеріалом" за його легкість і майже прозорість, а також за те, що він міцніший за все, з чим ми коли-небудь стикалися, і має пристойну електропровідність. Він у 200 разів міцніший за сталь і має товщину в один атом. Сфери його застосування численні - від електроніки до медичних приладів, і хоча цей матеріал є відносно поширеним у природі, його створення було дорогим і складним.

Структура

Шари проти одного шару

Графіт: Складається з численних шарів вуглецевих листів, накладених один на одного. Оскільки ці шари слабо зв'язані між собою, вони можуть легко ковзати один по одному. Саме тому ми відчуваємо графіт у руці як слизький, і він також поводиться як мастило.

Графен: єдиний стільниковий шар атомів вуглецю, матеріал товщиною в один атом, що має виняткову міцність і гнучкість.

Різниця у склеюванні

Графіт: Оскільки шари утримуються разом примітивними силами Ван-дер-Ваальса, графіт легко розщеплюється або розколюється.

Графен: Атоми вуглецю дуже щільно з'єднані в межах одного шару, що надає графену надзвичайної міцності та гнучкості.

Властивості графіту та графену

Електропровідність

Графіт: Хоча графіт також передає електрику завдяки вільному переміщенню електронів між його шарами, ті, що не мають додаткових графенових шарів, не є настільки провідними. Опір виникає, коли шари розділені досить великою відстанню.

Графен: один з найвідоміших електропровідників Оскільки електрони можуть проходити крізь нього практично без опору, графен є природним матеріалом для високошвидкісної електроніки.

Механічна міцність

Графіт: М'який і крихкий. Графіт легко ламається, тому його використовують для грифелів олівців. Легко стає крихким, оскільки шари утримуються разом лише слабкими зв'язками.

Графен: надзвичайно міцний, у 20 разів міцніший за сталь. Хоча товщина графену складає лише один атом вуглецю, його структура зумовлена міцною кристалічною решіткою і тим, що кожен зв'язок С-С має міцність, еквівалентну міцності вдвічі більшої довжини.

4.3 Теплопровідність

Графіт: Хороша теплопровідність, тому широко використовується, наприклад, у пасивному охолодженні.

Графен: Видатна теплопровідність. Це один з найкращих провідників теплової енергії, тому він є гарним вибором для охолодження електричних компонентів.

Додатки

Графіт

Олівці: Олівці використовують графіт як "грифель", тому що він не мажеться і не розмазується, легко позначає поверхню, а потім стирається, коли потрібно. Графіт складається з шарів, тому олівці можуть писати з невеликим натиском і залишати слід на папері.

Мастильні матеріали: Оскільки він слизький, його використовують у мастильних матеріалах для запобігання тертя між механізмами. Оскільки шари графіту слизькі, вони дозволяють їм легко ковзати один по одному, створюючи міцний бар'єр, який зменшує зношування деталей під час руху.

Батареї: Графіт також виявився невід'ємним елементом, який може виконувати дві основні функції в аноді літій-іонного акумулятора: стабільність та ефективне зберігання енергії. Ця шарувата структура дозволяє іонам літію легко надходити і виходити під час циклів заряду/розряду.

Виробництво сталі: Під час виробництва сталі її зазвичай застосовують як вогнетривкий матеріал, оскільки вона витримує високі рівні нагрівання. Для цього ізоляційні накладки У ливарних і покривних печах необхідно підтримувати постійну температуру - абсолютна вимога для виробництва високоякісної сталі.

Графен

Електроніка: Оскільки графен є чудовим провідником електрики, одна з можливостей, запропонованих двома новими експериментами в Лабораторії Берклі та Університеті Сан-Дієго, може полягати у використанні його замість кремнію в комп'ютерних чіпах, що дозволить створити швидші пристрої, які працюватимуть прохолодніше, але (в ідеалі) споживатимуть менше енергії на кожну обчислювальну операцію. Висока рухливість електронів робить його ідеально придатним для швидкого перемикання, необхідного в майбутніх комп'ютерних технологіях.

Медичні прилади: Біосумісність і чутлива графема роблять його ідеальним для біосенсорів, систем доставки ліків, тканинної інженерії тощо. Нетоксичність і сумісність з біологічними системами роблять його привабливим для використання в медичній діагностиці та терапевтичному лікуванні.

Зберігання енергії: Суперконденсатори та вдосконалені акумулятори можуть використовувати графен у майбутньому, що дозволить пришвидшити час заряджання та підвищити рівень зберігання енергії. Завдяки високій площі поверхні та провідності графену можна покращити продуктивність пристроїв зберігання енергії, зробивши їх довговічнішими.

Композитні матеріали: Графен можна поєднувати з іншими матеріалами, такими як метали та пластмаси, щоб зробити їх легшими, міцнішими або електропровідними. Потенційне застосування цих композитів, армованих графеном, полягає у зменшенні ваги, підвищенні паливної ефективності та покращенні загальної ефективності абляції.

Графіт проти графену: вартість

Графіт: Низький

Поширеність: Графіт доступний недорого в звичайній, природній формі. Видобувається в усьому світі, є легкодоступним і економічно вигідним мінералом.

Виробничі витрати: завдяки низьким витратам на виробництво і переробку графіт також підходить для використання в багатьох промислових галузях.

Графен: Високий

Проблеми виробництва: Виробництво графену значно складніше, ніж виробництво графіту. Хоча моношар h-BN тепер можна отримати за допомогою мокрих методів, існуючі підходи до виробництва, такі як хімічне осадження з газової фази (CVD) і методи відшарування, залишаються дорогими і маломасштабними. залишаються дорогими і їх нелегко масштабувати для великомасштабного виробництва.

Динаміка цін: Незважаючи на тенденцію до зниження цін на графен, собівартість цього матеріалу набагато вища, ніж графіту. Наразі ведеться робота над створенням більш економічно ефективних способів виробництва графену, щоб цей матеріал став комерційно життєздатним.

Висновок

Графіт і графен мають деякі унікальні властивості, схожі між собою, що робить їх важливою групою матеріалів. Відповідно, ми можемо розглядати графен як завершальний крок в еволюції вуглецю. Графіт слугував промисловості протягом десятиліть, але багато хто вважає, що графен - це те, що може змінити правила гри в багатьох галузях у різних секторах. Якщо люди зможуть виробляти графен дешевше і простіше завдяки сучасним дослідженням, світ, де потойбічний матеріал буде королем, може виявитися не таким вже й далеким. Неважливо, чи поважаєте ви прагматизм графіту, чи спокушені потенціалом графену. Обидва матеріали мають працювати разом, рухаючись вперед у розвитку технологій та промисловості.