3.3 Grafén og karbonnanostrukturer

Grafén og karbonnanostrukturar

Karbon er eitt av dei mest allsidige grunnstoffa i periodesystemet. I tillegg til dei velkjende formene diamant og grafitt, finst ein heil familie av karbonnanostrukturar som har revolusjonert materialvitskapen sidan oppdaginga av fullerenar i 1985.

Desse nanostrukturane — fullerenar, karbonnanorøyr og grafén — deler det same grunnleggjande byggjeelementet: eit heksagonalt nettverk av $sp^2$-hybridiserte karbonatom. Men ved å variere geometrien — lukke nettverket til ei kule, rulle det til eit røyr, eller halde det flatt — oppnår ein vidt forskjellige eigenskapar.

Grafén, som er eit enkelt atomlag av karbon i eit bikakemønster, vart isolert for første gong i 2004 av Andre Geim og Konstantin Novoselov, som fekk Nobelprisen i fysikk for dette i 2010. Materialet har sidan blitt kalla eit «vidundermateriale» på grunn av dei ekstreme eigenskapane sine.

Frå grafitt til grafén

Grafén er eigentleg ikkje noko nytt materiale — det har alltid eksistert som dei individuelle laga i grafitt. Det revolusjonerande var at Geim og Novoselov klarte å isolere eit enkelt atomlag og vise at det var stabilt ved romtemperatur.

Metoden dei brukte var overraskande enkel: dei pressa eit stykke grafitt mot vanleg kontortape, reiv tapen av (og tok med seg nokre grafénlag), og gjentok prosessen til berre eit enkelt lag stod att. Denne «teip-metoden» (mekanisk eksfoliering) gav grafénflak av svært høg kvalitet, men berre i mikrometerstorleik.

Bindingsstruktur i grafén:
Kvart karbonatom i grafén er bunde til tre naboar gjennom sterke kovalente $\sigma$-bindingar. Bindingslengda C–C er 0,142 nm (mellom enkeltbinding 0,154 nm og dobbeltbinding 0,134 nm), noko som reflekterer den delokaliserte $\pi$-bindinga.

Styrken til grafénet kjem frå $\sigma$-bindingane — dei er blant dei sterkaste kjende kjemiske bindingane. $\pi$-bindingane gir dei elektriske eigenskapane: elektrona i $\pi$-systemet er delokaliserte over heile arket og kan røre seg fritt, noko som gjer grafén til ein utmerkt leiar.

Dei ekstraordinære eigenskapane til grafén

Grafén held ei rekkje rekordar blant kjende materiale:

Elektriske eigenskapar:
Elektronmobiliteten i grafén er opptil $200\,000\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$ ved romtemperatur, over 100 gonger høgare enn i silisium. Elektrona i grafén oppfører seg som masselause Dirac-fermionar — dei rører seg med ein effektiv «lyshastigheit» på ca. $10^6$ m/s (300 gonger langsamare enn lys i vakuum, men ekstremt raskt for elektron i eit fast stoff).

Mekaniske eigenskapar:
Grafén er det sterkaste materialet nokosinne målt. Strekkfastleiken er ca. 130 GPa, og Youngs modul (elastisitetsmodulen) er ca. 1 TPa. Eit grafénark på 1 m² veg berre 0,77 mg, men kan bere ei vekt på ca. 4 kg før det ryk — dette blir populært skildra som at ei «hengekøye av grafén kan bere ein katt».

Termiske eigenskapar:
Termisk leiingsevne opptil 5000 W/(m·K), høgare enn diamant og kopar.

Optiske eigenskapar:
Eit enkelt lag grafén absorberer nøyaktig $\pi\alpha \approx 2{,}3\,\%$ av gjennomgåande kvitt lys, der $\alpha \approx 1/137$ er finstrukturkonstanten. Dette er ein bemerkelsesverdig samanheng mellom eit reint kvantemekanisk fenomen og ein makroskopisk optisk eigenskap.

Overflate:
Grafén har det høgaste moglege overflate-til-masse-forholdet av alle materiale — heile $2630\text{ m}^2/\text{g}$ — fordi kvart atom er eit overflateatom.

Fullerenar

Fullerenar er lukka, hole karbonmolekyl. Den mest kjende er buckminsterfulleren ($\text{C}_{60}$), oppkalla etter arkitekten Buckminster Fuller som designa geodetiske kuplar med liknande struktur. Molekylet blir også kalla «buckyball» eller «fotballmolekyl».

$\text{C}_{60}$ vart oppdaga i 1985 av Harold Kroto, Robert Curl og Richard Smalley ved å fordampe grafitt med ein kraftig laser. Dei tre fekk Nobelprisen i kjemi i 1996 for denne oppdaginga.

Struktur:
$\text{C}_{60}$ har 60 karbonatom arrangerte i 20 heksagonar og 12 pentagonar — nøyaktig som ein fotball. Diameteren er ca. 0,71 nm. Kvart karbonatom er $sp^2$-hybridisert og bunde til tre naboar, men overflata er bøygd (ikkje flat som i grafén).

Eulers polyederformel fortel oss at ein lukka polyeder med berre pentagonar og heksagonar alltid treng nøyaktig 12 pentagonar (medan talet på heksagonar kan variere). Det finst difor fullerenar av mange storleikar: $\text{C}_{70}$, $\text{C}_{76}$, $\text{C}_{84}$, osb.

Eigenskapar og bruksområde:
- Endohedralt fulleren: Atom eller små molekyl kan kapslast inn inne i det hole $\text{C}_{60}$-buret — notasjon: $\text{X@C}_{60}$. Eksempel: $\text{La@C}_{82}$ blir brukt i MR-kontrastmiddel.
- Organiske solceller: $\text{C}_{60}$ og derivat (spesielt PCBM) blir brukte som elektronakseptor i organiske solceller.
- Smøremiddel: Sfærisk form gjer fullerenar til potensielle molekylære «kulelager».
- Antioksidantar: Fullerenar kan nøytralisere frie radikal ved å reagere med dei på overflata.

Karbonnanorøyr — syntese og bruksområde

Karbonnanorøyr vart første gong observerte av Sumio Iijima i 1991 som fleirvegga røyr i sot frå bogeutlading. Sidan då har det blitt eitt av dei mest intensivt studerte nanomateriala.

Syntesemetodar:
- Bogeutlading (arc discharge): Høg straum mellom to grafittelektrodar i inert atmosfære. Gir CNT av høg kvalitet, men blanda med andre karbonformer.
- Laserablasjon: Ein kraftig laser fordampar grafitt i ein omn. Gir hovudsakleg SWCNT.
- Kjemisk dampavsetjing (CVD): Ein gass med karbon (t.d. metan) strøymer over metallkatalysatorar (Fe, Co, Ni) ved 600–1200 °C. Den mest skalerbare metoden.

Sentrale bruksområde:

1. Komposittmateriale: CNT blir tilsett i polymerar, keramikk og metall for å forbetre styrke, stivleik og elektrisk leiingsevne. Blir brukt i sportsutstyr (tennisracketar, sykkelrammer), romfartskomponentar og bilindustri.

2. Elektronikk: CNT-baserte transistorar kan potensielt erstatte silisium i framtidige prosessorar. Eit team ved MIT demonstrerte i 2019 ein enkel 16-bits mikroprosessor basert utelukkande på karbonnanorøyrtransistorar.

3. Energi: CNT blir brukt som elektrodemateriale i superkondensatorar og litiumionbatteri for å auke overflatearealet og elektrisk leiingsevne. Dei forbetrar også ytinga til brenselceller.

4. Filter og membranar: Vertikalt justerte CNT-membranar kan filtrere vatn med ekstremt høg gjennomstrøyming og lågt energibruk, fordi vatn rører seg nesten friksjonsfritt gjennom dei glatte, hydrofobe kanalane.

5. Romheis-konseptet: Det høge strekkfastleik-til-vekt-forholdet til karbonnanorøyr gjer dei til det einaste kjende materialet som teoretisk er sterkt nok til å byggje ein romheis — eit kabel frå jordoverflata til geostasjonær bane. I praksis er defektfrie CNT-fibrar av tilstrekkeleg lengd førebels uoppnåeleg.

Oppsummering

- Karbon dannar ei rekkje nanostrukturar baserte på $sp^2$-hybridisering: fullerenar (0D), karbonnanorøyr (1D) og grafén (2D).
- Grafén er det sterkaste (130 GPa), tynnaste (0,34 nm) og mest leiande ($200\,000\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$) materialet kjent. Det er ein nullgap-halvleiar, som er ei utfordring for transistorbruk.
- Fullerenar ($\text{C}_{60}$) er sfæriske karbonmolekyl med 12 pentagonar og 20 heksagonar, nyttige i organiske solceller og som nanoskala behaldarar.
- Karbonnanorøyr kombinerer ekstraordinær styrke (50 GPa), låg vekt ($1{,}3\text{ g/cm}^3$) og variabel leiingsevne styrt av kiraliteten. Viktige i komposittar, elektronikk og energilagring.
- Alle tre deler det same $sp^2$-karbonnettverket med delokalisert $\pi$-system — geometrien avgjer eigenskapane.