Номер 1, страница 186 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

1. Используя материалы сети интернет, составьте «паспорт» графена, указав его свойства и область применения. Какие материалы близки по свойствам графену?

Графен – это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой монослой (толщиной в один атом) атомов углерода, соединённых в гексагональную кристаллическую решётку, похожую на пчелиные соты. Он был экспериментально получен и исследован в 2004 году учёными Андреем Геймом и Константином Новосёловым, за что они были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Свойства графена

Графен обладает набором уникальных свойств, которые делают его одним из самых перспективных материалов XXI века:
1. Механические свойства:
- Сверхвысокая прочность: Графен является самым прочным из известных материалов. Его предел прочности на разрыв составляет около 130 ГПа, что более чем в 100 раз превышает прочность лучших сортов стали той же толщины.
- Жёсткость: Модуль Юнга графена достигает 1 ТПа ($1 \cdot 10^{12}$ Па).
- Лёгкость и гибкость: Это чрезвычайно лёгкий материал (масса 1 м² составляет всего 0,77 мг) и при этом очень гибкий и эластичный – его можно растягивать до 20% от первоначального размера без разрушения.
2. Электрические свойства:
- Высочайшая электропроводность: Графен – превосходный проводник. Подвижность электронов в нём достигает рекордных значений (более $200 \, 000 \, \text{см}^2/(\text{В} \cdot \text{с})$ при комнатной температуре), что значительно выше, чем у кремния или серебра.
- Полуметалл с нулевой запрещённой зоной: Его валентная зона и зона проводимости соприкасаются в так называемых точках Дирака, что обеспечивает его уникальные электронные свойства.
3. Тепловые свойства:
- Рекордная теплопроводность: Теплопроводность графена при комнатной температуре составляет от 3000 до 5000 Вт/(м·К), что превосходит теплопроводность алмаза и меди.
4. Оптические свойства:
- Прозрачность: Одноатомный слой графена практически прозрачен, он поглощает всего около 2,3% видимого света.
5. Химические свойства:
- Химическая инертность и непроницаемость: Идеальный лист графена непроницаем даже для самых маленьких атомов, таких как гелий.
- Огромная удельная площадь поверхности: Теоретическое значение составляет $2630 \, \text{м}^2/\text{г}$, что делает его идеальным для использования в катализе и хранении энергии.

Ответ: Графен обладает исключительной механической прочностью, высокой электро- и теплопроводностью, оптической прозрачностью и химической стабильностью.

Область применения

Благодаря своим выдающимся характеристикам, графен имеет огромный потенциал применения в самых разных областях:
- Электроника: создание гибких дисплеев и сенсорных экранов, сверхбыстрых транзисторов, прозрачных электродов для солнечных батарей, высокочувствительных сенсоров.
- Энергетика: улучшение характеристик аккумуляторов и суперконденсаторов (увеличение ёмкости и скорости зарядки), создание эффективных топливных элементов.
- Композитные материалы: использование в качестве армирующей добавки для создания сверхпрочных и лёгких композитов для авиакосмической отрасли, автомобилестроения, спортивного инвентаря.
- Медицина: адресная доставка лекарств, биосенсоры для диагностики заболеваний, создание каркасов для тканевой инженерии.
- Фильтры и опреснение воды: создание мембран на основе оксида графена для эффективной очистки и опреснения воды.

Ответ: Основные области применения графена включают электронику, энергетику, создание композитных материалов, медицину и системы фильтрации.

Какие материалы близки по свойствам графену?

Существует несколько материалов, которые по своей структуре и некоторым свойствам близки к графену. В первую очередь это другие аллотропные модификации углерода и так называемые «двумерные» материалы:
1. Графит: «материнский» материал для графена, состоящий из множества слоёв графена. Он разделяет с графеном гексагональную структуру, но его свойства (например, механическая прочность и электропроводность) являются анизотропными из-за межслоевого взаимодействия.
2. Углеродные нанотрубки (УНТ): Их можно представить как свёрнутый в цилиндр лист графена. Они обладают схожими высокими показателями прочности и электропроводности.
3. Другие 2D-материалы (X-ены): Это аналоги графена, состоящие из атомов других элементов:
- Силицен (из кремния), германен (из германия), станен (из олова) – обладают схожей сотовой структурой и интересными электронными свойствами.
- Фосфорен (из чёрного фосфора) – в отличие от графена, является полупроводником с прямой запрещённой зоной, что делает его перспективным для оптоэлектроники.
- Борофен (из бора) – обладает металлической проводимостью.
4. Дихалькогениды переходных металлов (ДПМ): Например, дисульфид молибдена ($MoS_2$). Это слоистые материалы, которые, как и графит, можно расслоить до монослоя. В отличие от графена (полуметалла), многие монослои ДПМ являются полупроводниками, что важно для создания транзисторов.

Ответ: Материалами, близкими к графену по структуре и свойствам, являются другие формы углерода (графит, нанотрубки) и другие двумерные материалы, такие как силицен, фосфорен и дихалькогениды переходных металлов.