Номер 5, страница 264 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

5. Что представляет собой графен?

Решение

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой один слой атомов углерода, соединённых в гексагональную (шестиугольную) кристаллическую решётку, напоминающую пчелиные соты. Его можно рассматривать как фундаментальную структуру для других аллотропных форм углерода: сложенный в стопки, он образует графит; свёрнутый в трубку — углеродную нанотрубку; свёрнутый в шар — фуллерен.

Структура графена:
Атомы углерода в графене находятся в состоянии sp²-гибридизации. Три из четырёх валентных электронов каждого атома образуют прочные сигма-связи (σ-связи) с тремя соседними атомами углерода в плоскости листа. Длина этих связей составляет около $0.142$ нм. Четвёртый валентный электрон (p-электрон) каждого атома делокализован и образует общую пи-систему (π-систему) над и под плоскостью решётки. Именно эта система обеспечивает уникальные электронные свойства графена. Толщина графенового листа составляет всего один атом, что делает его самым тонким из когда-либо созданных материалов.

Уникальные свойства графена:
Благодаря своей уникальной структуре графен обладает набором исключительных свойств:
• Механические свойства: Графен является одним из самых прочных материалов в мире. Его предел прочности на разрыв примерно в 100-200 раз выше, чем у стали аналогичной толщины. При этом он очень лёгкий (плотность листа около $0.77$ мг/м²) и чрезвычайно гибкий.
• Электрические свойства: Графен обладает очень высокой электропроводностью, превосходящей проводимость меди. Электроны в нём ведут себя как безмассовые частицы (фермионы Дирака), что позволяет им перемещаться с очень высокой скоростью и почти без рассеяния. Это делает его перспективным материалом для будущей электроники.
• Тепловые свойства: Графен является одним из лучших известных теплопроводников при комнатной температуре, превосходя по этому показателю алмаз и графит.
• Оптические свойства: Однослойный графен практически прозрачен, он поглощает всего около $2.3\%$ падающего на него видимого света, что является необычным свойством для такого тонкого материала.
• Барьерные свойства: Несмотря на свою малую толщину, идеальный лист графена непроницаем даже для самых мелких атомов, таких как гелий.

Получение и применение:
Впервые графен был целенаправленно получен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым с помощью простого метода механического отшелушивания слоёв от кристалла графита с использованием липкой ленты. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.
Потенциальные области применения графена очень широки:
• Электроника (сверхбыстрые транзисторы, гибкие дисплеи, прозрачные электроды).
• Композитные материалы (упрочнение пластиков, металлов, керамики).
• Энергетика (высокоёмкие аккумуляторы и суперконденсаторы).
• Медицина (доставка лекарств, биосенсоры).
• Фильтры для опреснения воды и очистки газов.

Ответ:
Графен — это материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в виде двумерной гексагональной решётки («пчелиных сот»). Он является самой тонкой, прочной и электропроводной из известных на сегодняшний день форм углерода, обладая уникальным сочетанием механических, электрических, тепловых и оптических свойств, что открывает широкие перспективы для его применения в науке и технологиях.