Номер 5, страница 186 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

5. Что представляет собой графен?

Что представляет собой графен?

Графен — это одна из аллотропных модификаций углерода, представляющая собой двумерную (2D) кристаллическую структуру. Он состоит из одного слоя атомов углерода, которые соединены между собой прочными ковалентными связями и образуют гексагональную решётку, похожую по структуре на пчелиные соты. Толщина этого слоя составляет всего один атом, что делает графен самым тонким материалом в мире. По сути, графен — это фундаментальный структурный элемент других аллотропных модификаций углерода, таких как графит (стопка слоёв графена), углеродные нанотрубки (свёрнутый в трубку лист графена) и фуллерены (свёрнутый в сферу лист графена).

Структура и получение
В структуре графена каждый атом углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации и связан с тремя соседними атомами с помощью прочных $\sigma$-связей, лежащих в плоскости листа. Четвёртый валентный электрон каждого атома (p-электрон) является делокализованным и образует единую $\pi$-электронную систему над и под плоскостью листа. Именно эта система отвечает за выдающиеся электрические свойства графена.

Впервые графен был выделен и исследован в 2004 году физиками Андреем Геймом и Константином Новосёловым в Манчестерском университете. Они использовали простой, но эффективный метод механического отшелушивания ("метод скотча"), отделяя слои графена от кристалла графита с помощью обычной клейкой ленты. За это открытие, положившее начало новой эре в материаловедении, учёные были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Уникальные свойства графена
Графен обладает целым набором исключительных качеств:
Механическая прочность: Графен является самым прочным из всех известных материалов. Он примерно в 200 раз прочнее стали при одинаковой толщине.
Электрическая проводимость: Это великолепный проводник электричества. Подвижность электронов в графене на порядки выше, чем в кремнии, и его проводимость превосходит проводимость меди.
Теплопроводность: Обладает рекордной теплопроводностью, превосходящей теплопроводность алмаза и меди.
Оптические свойства: Являясь практически прозрачным материалом, одноатомный слой графена поглощает всего 2,3% падающего на него белого света.
Гибкость и эластичность: Графен можно изгибать, скручивать и растягивать на значительную величину (до 20% от первоначального размера) без разрушения.
Малый вес и большая площадь поверхности: Это чрезвычайно лёгкий материал. Теоретическая удельная площадь поверхности составляет около 2630 $м^2/г$.

Потенциальные области применения
Уникальное сочетание свойств делает графен чрезвычайно перспективным для применения в самых разных сферах:
Электроника: создание гибких дисплеев, прозрачных сенсорных экранов, сверхбыстрых транзисторов и проводящих чернил.
Композитные материалы: использование в качестве добавки для придания пластикам, резинам, металлам и другим материалам повышенной прочности, электропроводности и термостойкости.
Энергетика: разработка аккумуляторов и суперконденсаторов нового поколения с высокой ёмкостью и скоростью зарядки.
Фильтры: создание высокоэффективных мембран для опреснения морской воды, очистки жидкостей и газов.
Биомедицина: применение в системах целевой доставки лекарств, в качестве основы для биосенсоров и в тканевой инженерии.

Ответ: Графен — это двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, организованных в гексагональную решётку. Он обладает уникальным сочетанием сверхвысокой прочности, электро- и теплопроводности, гибкости и прозрачности, что делает его одним из самых перспективных материалов для применения в множестве передовых технологий.