Qual a diferença entre grafeno e grafite?

Um elemento químico notável, o carbono é aquele que convenientemente fica no número 6 no décimo quarto grupo do segundo período da tabela periódica dos elementos químicos. Desde a antiguidade, o homem conhece o diamante e o grafite, duas das mais de nove modificações alotrópicas desse elemento descobertas até agora. A propósito, é o carbono que tem o maior, em comparação com outras substâncias, número de modificações alotrópicas conhecidas pela ciência moderna.

A alotropia implica a possibilidade da existência na natureza de um mesmo elemento químico na forma de duas ou mais substâncias simples, as chamadas formas alotrópicas ou modificações alotrópicas, que causam diferenças nessas substâncias tanto na estrutura quanto nas propriedades. Assim, o carbono tem 8 dessas formas básicas: diamante, grafite, lonsdaleita, fulerenos (C60, C540 e C70), carbono amorfo e nanotubo de parede simples.

Entre essas formas de carbono, existem propriedades e características completamente diferentes: substâncias macias e duras, transparentes e opacas, baratas e caras. No entanto, vamos comparar duas modificações de carbono semelhantes — grafite e grafeno.

Todos nós estamos familiarizados com o graffiti desde a escola.A grafite de um lápis comum é exatamente grafite. É bastante macio, escorregadio e gorduroso ao toque, os cristais são placas, as camadas de átomos estão localizadas umas sobre as outras, portanto, ao esfregar, por exemplo, no papel, flocos individuais da estrutura cristalina em camadas do grafite descascam facilmente , deixando um traço escuro característico no papel.

O grafite conduz bem a corrente elétrica, sua resistência é em média 11 Ohm * mm2 / m, mas a condutividade do grafite não é a mesma devido à anisotropia natural de seus cristais. Assim, a condutividade ao longo dos planos do cristal é centenas de vezes maior que a condutividade nesses planos. A densidade do grafite é de 2,08 a 2,23 g/cm3.

Na natureza, a grafite é formada a altas temperaturas em rochas ígneas e vulcânicas, em escarnitos e pegmatitos. Ocorre em veios de quartzo com minerais em depósitos polimetálicos hidrotermais de temperatura intermediária. É amplamente distribuído em rochas metamórficas.

Assim, desde 1907, as maiores reservas mundiais de grafite em flocos naturais foram desenvolvidas na ilha de Madagascar. A ilha consiste em rochas metamórficas pré-cambrianas que sobem à superfície em um terreno montanhoso com marcas hipsométricas de 4.000 a 4.600 pés. O grafite é encontrado aqui em um cinturão de 400 milhas de extensão e domina as montanhas na parte leste do centro da ilha.

O grafeno, ao contrário do grafite, não possui uma estrutura cristalina volumosa; apresenta uma rede cristalina hexagonal bidimensional, com apenas um átomo de espessura. Em tal modificação alotrópica, o carbono não ocorre naturalmente, mas teoricamente pode ser obtido artificialmente. Podemos dizer que um plano deliberadamente separado da estrutura cristalina de várias camadas do grafite será esse mesmo grafeno.

Os cientistas inicialmente não conseguiram obter o grafeno na forma de um filme bidimensional simples, devido à instabilidade da matéria nessa forma. No entanto, em um substrato de óxido de silício (devido à ligação com a camada dielétrica) ainda era possível obter grafeno com um átomo de espessura: em 2004, os cientistas russos Andrey Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester, publicaram um relatório na Science na obtenção de grafeno desta forma.

E ainda hoje, tais métodos simples de obtenção de grafeno para pesquisa, como a esfoliação mecânica de uma monocamada de carbono de um cristal de grafite a granel usando fita adesiva (e métodos semelhantes), são justificados.

Os pesquisadores acreditam que, graças ao seu progresso, em breve surgirá uma nova classe de nanoeletrônica baseada em grafeno, onde os transistores de efeito de campo terão menos de 10 nm de espessura. O fato é que a mobilidade dos elétrons no grafeno é tão alta (10.000 cm2/V*s) que parece ser a alternativa mais promissora ao silício convencional atualmente.

Alta mobilidade de portadores é a capacidade de elétrons e buracos responderem com extrema rapidez ao efeito de campos elétricos aplicados, e isso é extremamente importante para transistores de efeito de campo, a unidade operacional básica da eletrônica moderna.

Também há perspectivas para a criação de vários sensores biológicos e químicos, além de filmes finos para dispositivos fotovoltaicos e telas sensíveis ao toque. Apesar de tudo isso, a condutividade térmica do grafeno é 10 vezes maior que a do cobre, e esse critério é sempre muito importante para a eletrônica.