เคมีกราฟีน

แกรฟีนเป็นผลึกคาร์บอนในรูปแบบสองมิติไม่ว่าจะเป็นอะตอมของคาร์บอนชั้นเดียวที่มีโครงตาข่ายรวงผึ้ง (หกเหลี่ยม) หรือหลายชั้นของโครงสร้างรังผึ้งนี้ คำว่า graphene เมื่อใช้โดยไม่ระบุรูปแบบ (เช่น graphene bilayer, หลาย graphene) มักจะหมายถึง graphene ชั้นเดียว กราฟีนเป็นรูปแบบหลักของโครงสร้างกราไฟต์ทั้งหมดของคาร์บอน: กราไฟต์ซึ่งเป็นผลึกสามมิติซึ่งประกอบด้วยชั้นกราฟีนที่ค่อนข้างอ่อนแอ ท่อนาโนซึ่งอาจแสดงเป็นม้วนของกราฟีน และบัคกี้บอลโมเลกุลทรงกลมทำจากกราฟีนมีวงแหวนหกเหลี่ยมบางอันแทนที่ด้วยวงแหวนห้าเหลี่ยม

การศึกษาครั้งแรกของกราฟีน

การศึกษาเชิงทฤษฎีของกราฟีนเริ่มต้นในปี 1947 โดยนักฟิสิกส์ฟิลิปอาร์วอลเลซเป็นขั้นตอนแรกในการทำความเข้าใจโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟท์ คำว่ากราฟีนถูกนำเสนอโดยนักเคมี Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton และ Eberhard Stumpp ในปีพ. ศ. 2529 ในการรวมกันของคำว่ากราไฟท์ซึ่งอ้างถึงคาร์บอนในรูปแบบผลึกสั่งและต่อท้าย -ene ซึ่งหมายถึงโพลีไซคลิก อะตอมของคาร์บอนในรูปแบบหกเหลี่ยมหรือหกด้านโครงสร้างแหวน

ในปี 2004 นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ Konstantin Novoselov และ Andre Geim และเพื่อนร่วมงานได้แยกแกรฟีนชั้นเดียวโดยใช้วิธีการที่ง่ายที่สุดในการขัดผิวจากกราไฟท์ “ วิธีสก๊อตเทป” ของพวกเขาใช้เทปกาวเพื่อนำชั้นบนสุดออกจากตัวอย่างของกราไฟต์แล้วนำเลเยอร์ไปใช้กับวัสดุพิมพ์ เมื่อนำเทปออกแกรฟีนบางส่วนยังคงอยู่บนวัสดุพิมพ์ในรูปแบบเลเยอร์เดียว ในความเป็นจริงการได้มาของกราฟีนไม่ใช่เรื่องยากด้วยตัวเอง ทุกครั้งที่มีคนวาดด้วยดินสอลงบนกระดาษร่องรอยดินสอนั้นมีเพียงเล็กน้อยของชั้นเดียวและหลายกราฟีน ความสำเร็จของกลุ่มแมนเชสเตอร์ไม่เพียง แต่จะแยกสะเก็ดกราฟีน แต่ยังเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกเขาแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนในกราฟีนมีความคล่องตัวสูงมากซึ่งหมายความว่ากราฟีนสามารถนำไปใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์ได้ ในปี 2010 Geim และ Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับงานของพวกเขา

ในการทดลองครั้งแรกสารตั้งต้นสำหรับกราฟีนเป็นซิลิคอนโดยธรรมชาติปกคลุมด้วยชั้นโปร่งใสบาง ๆ ของซิลิคอนไดออกไซด์ ปรากฎว่ากราฟีนแบบชั้นเดียวสร้างความเปรียบต่างเชิงแสงด้วยซิลิคอนไดออกไซด์ซึ่งมีความแข็งแรงเพียงพอที่จะทำให้กราฟีนสามารถมองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาตรฐาน ทัศนวิสัยนี้มีสองสาเหตุ อย่างแรกอิเล็กตรอนในแกรฟีนมีปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับโฟตอนในความถี่แสงที่มองเห็นดูดซับประมาณ 2.3 เปอร์เซ็นต์ของความเข้มของแสงต่อชั้นอะตอม ประการที่สองความเปรียบต่างของแสงเพิ่มขึ้นอย่างมากจากปรากฏการณ์การรบกวนในชั้นซิลิคอนไดออกไซด์ นี่เป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับที่สร้างสีรุ้งในฟิล์มบาง ๆ เช่นฟิล์มสบู่หรือน้ำมันบนน้ำ