Номер 3, страница 147, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Что такое графен?

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой одиночный плоский слой атомов углерода, соединенных в гексагональную кристаллическую решётку, по структуре напоминающую пчелиные соты. Толщина этого слоя составляет всего один атом. Графен является основным структурным элементом других аллотропных модификаций углерода, включая графит (стопка слоев графена), углеродные нанотрубки (свернутый в цилиндр графен) и фуллерены (свернутый в сферу графен).

История открытия

Теоретические исследования двумерных структур углерода велись с середины XX века, однако долгое время считалось, что создание стабильного двумерного кристалла в свободном состоянии невозможно из-за термодинамической неустойчивости. Прорыв произошел в 2004 году, когда ученые Андрей Гейм и Константин Новосёлов из Манчестерского университета смогли экспериментально получить и изучить образцы графена. Они использовали метод механического отшелушивания, также известный как "метод скотча": с помощью клейкой ленты они отделяли слои от кристалла графита, многократно повторяя процедуру, пока не получили монослой. За это новаторское открытие Гейм и Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Структура и уникальные свойства

Атомы углерода в графене находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Каждый атом углерода образует три прочные ковалентные $\sigma$-связи с соседними атомами в плоскости, формируя идеальную шестиугольную решетку с длиной связи около 0,142 нм. Четвертый валентный электрон каждого атома (p-электрон) является делокализованным и образует общую $\pi$-систему над и под плоскостью листа. Именно эта электронная структура наделяет графен его выдающимися свойствами:

• Механическая прочность: Графен является самым прочным из когда-либо измеренных материалов. Его прочность на разрыв составляет около 130 ГПа, что более чем в 100 раз превышает прочность лучших сортов стали.
• Электропроводность: Графен обладает исключительно высокой подвижностью носителей заряда при комнатной температуре (свыше $200000 \, см^2/(В \cdot с)$), что делает его превосходным проводником. Он относится к полуметаллам или полупроводникам с нулевой запрещенной зоной.
• Теплопроводность: Это один из лучших теплопроводников, его теплопроводность достигает $5000 \, Вт/(м \cdot К)$, что в несколько раз выше, чем у меди или алмаза.
• Оптические свойства: Однослойный графен практически прозрачен для видимого света, он поглощает лишь $ \pi\alpha \approx 2.3\% $ падающего излучения, где $ \alpha $ — постоянная тонкой структуры.
• Гибкость и эластичность: Материал может быть растянут на 20% от своей первоначальной длины без разрушения, что сочетается с его высокой прочностью.
• Непроницаемость: Идеальная кристаллическая решетка графена непроницаема для любых газов и жидкостей, даже для самых маленьких атомов гелия.
• Большая удельная поверхность: Теоретическое значение удельной площади поверхности графена очень велико — до $2630 \, м^2/г$.

Потенциальные области применения

Благодаря своему уникальному сочетанию свойств, графен рассматривается как "материал будущего" с широчайшим спектром возможных применений:

• Электроника и оптоэлектроника: создание сверхбыстрых транзисторов, гибких дисплеев и сенсорных экранов, прозрачных токопроводящих покрытий для солнечных батарей и светодиодов.
• Композитные материалы: использование в качестве армирующей добавки для создания сверхпрочных и легких композитов для авиакосмической отрасли, автомобилестроения и спортивного инвентаря.
• Энергетика: разработка электродов для суперконденсаторов и аккумуляторов нового поколения с увеличенной емкостью и скоростью зарядки.
• Биомедицина: создание высокочувствительных биосенсоров для диагностики, систем адресной доставки лекарств, каркасов для регенерации тканей.
• Фильтрация и опреснение: производство сверхтонких и прочных мембран для опреснения морской воды и высокоэффективной очистки воды и воздуха.

Ответ: Графен — это двумерный кристалл, состоящий из одного слоя атомов углерода, организованных в гексагональную решетку. Он был открыт в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым. Материал обладает набором исключительных свойств: он чрезвычайно прочный, гибкий, прозрачный, а также является одним из лучших проводников тепла и электричества. Эти уникальные характеристики делают графен одним из самых перспективных материалов для будущих технологий в электронике, энергетике, медицине и материаловедении.