الجرافين

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
أنواع الجرافين- ن ، حيث يشير ن إلى عدد الروابط الثلاثية بين ذرات الكربون في الرابطة بين سداسيين متجاورين. الجرافين هو جرافين-1؛ والجرافداين هو جرافين-2.

الجرافين هو أحد أشكال الكربون المتآصلة . على الرغم من دراسته في النماذج النظرية، إلا أنه من الصعب جدًا تصنيعه، ولم يُنتج منه سوى كميات ضئيلة ذات نقاء غير مؤكد. يتكون تركيبه من صفائح مستوية بسماكة ذرة واحدة من ذرات الكربون المرتبطة بروابط sp و sp² ، مرتبة في شبكة بلورية. يمكن اعتباره شبكة من حلقات البنزين المتصلة بروابط الأسيتيلين . يُطلق على هذه المادة اسم جرافين- n عندما تكون حلقات البنزين متصلة بـ n من جزيئات الأسيتيلين المتتالية، وجرافدايين في حالة خاصة عندما n = 2 ( روابط ثنائي الأسيتيلين ).

اعتمادًا على محتوى مجموعات الأسيتيلين، يمكن اعتبار الجرافين تهجينًا مختلطًا، sp k ، حيث يمكن أن يكون k 1 أو 2، [ 1 ] [ 2 ] وبالتالي يختلف عن تهجين الجرافين (الذي يعتبر sp 2 نقيًا ) والماس (sp 3 نقيًا ).

أظهرت حسابات المبادئ الأولية أن هياكل الجرافين الدورية ونظائرها من نتريد البورون مستقرة. استخدمت الحسابات منحنيات تشتت الفونون ومحاكاة ديناميكيات الجزيئات الكمومية عند درجة حرارة محدودة من المبادئ الأولية . [ 3 ]

تاريخ

اقترح باومان وزملاؤه الجرافين نظريًا لأول مرة عام 1987. [ 4 ] وفي عام 2010، طور لي وزملاؤه أول منهجية ناجحة لإنتاج أغشية الجرافين ثنائي الجرافين باستخدام تفاعل جلاسر-هاي للتزاوج المتقاطع مع سداسي إيثينيل بنزين. [ 5 ] يتيح هذا النهج المقترح تصنيع الجرافين ثنائي الجرافين والجرافين رباعي الجرافين على نطاق النانومتر، واللذان يفتقران إلى الترتيب بعيد المدى. وفي عام 2019، نشر كوي وزملاؤه تقنية ميكانيكية كيميائية للحصول على الجرافين باستخدام البنزين وكربيد الكالسيوم . [ 6 ] على الرغم من إمكانية الحصول على الجرافين بكميات كبيرة (بالغرام) باستخدام هذا النهج، إلا أن الجرافين ذي التبلور بعيد المدى على مساحة واسعة لا يزال بعيد المنال.

في عام 2022، تم بنجاح تصنيع طبقات متعددة من غرافين غاما من خلال بلمرة 1،3،5-ثلاثي برومو-2،4،6-ثلاثي إيثينيل بنزين في ظروف تفاعل سونوجاشيرا . وقد حددت مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة والقياس الفولتمي الدوري للمادة فجوة النطاق عند 0.48 ± 0.05 إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع التنبؤ النظري للمواد القائمة على الغرافين. [ 7 ] : 4 [ 8 ]

توليف

على الرغم من الجهود العديدة المبذولة باتباع مناهج مختلفة، لم يتم التوصل إلى طريقة تركيبية لإنتاج غرافين عالي الجودة. ولا تسمح الكميات الضئيلة غير النقية التي تم إنتاجها حتى الآن بإجراء توصيف كافٍ للتحقق من الخصائص النظرية. [ 7 ] : 12

بناء

باستخدام النماذج الحاسوبية، تنبأ العلماء بالعديد من خصائص المادة بناءً على هندسات الشبكة المفترضة. وتُستمد هذه الهياكل المقترحة من إدخال روابط الأسيتيلين بدلًا من الروابط الأحادية بين ذرات الكربون في شبكة الجرافين. [ 9 ] يُفترض أن الجرافين يتواجد في هندسات متعددة، ويعود هذا التنوع إلى الترتيبات المتعددة لذرات الكربون المهجنة sp و sp2 . تشمل الهندسات المقترحة بنية شبكية سداسية وبنية شبكية مستطيلة . [ 10 ] من بين هذه الهياكل النظرية، قد تحمل الشبكة المستطيلة للجرافين 6،6،12 أكبر إمكانات للتطبيقات المستقبلية.

ملكيات

تتنبأ النماذج بأن الجرافين يمتلك إمكانية وجود مخاريط ديراك على ذرات الكربون المرتبطة بروابط ثنائية وثلاثية. وبسبب هذه المخاريط، تلتقي نطاقات التوصيل والتكافؤ بشكل خطي عند نقطة واحدة في مستوى فيرمي . وتكمن ميزة هذه الآلية في أن الإلكترونات تتصرف كما لو أنها عديمة الكتلة، مما ينتج عنه طاقات تتناسب مع زخم الإلكترونات. وكما هو الحال في الجرافين، يتمتع الجرافين السداسي بخصائص كهربائية مستقلة عن الاتجاه. مع ذلك، ونظرًا لتناظر الجرافين المستطيل المقترح 6,6,12، فإن الخصائص الكهربائية تتغير على امتداد اتجاهات مختلفة في مستوى المادة. [ 10 ] تسمح هذه الخاصية الفريدة للتناظر للجرافين بتكوين طبقة ذاتية التطعيم ، أي أنه يمتلك مخروطين مختلفين من مخاريط ديراك يقعان أعلى وأسفل مستوى فيرمي بقليل. [ 10 ] ويمكن ضبط تأثير التطعيم الذاتي للجرافين 6,6,12 بفعالية عن طريق تطبيق إجهاد خارجي في المستوى. [ 11 ] أظهرت عينات الجرافين المصنعة حتى الآن نقطة انصهار تتراوح بين 250 و300 درجة مئوية، وانخفاضًا في التفاعلات التحللية مع الأكسجين والحرارة والضوء. [ 9 ] 

التطبيقات المحتملة

يُفترض أن الجرافين أفضل من الجرافين في تطبيقات محددة نظرًا لبنيته الطاقية الخاصة، وتحديدًا مخاريط ديراك المعتمدة على الاتجاه. [ 12 ] [ 13 ] قد يسمح اعتماد الجرافين 6,6,12 على الاتجاه بإنشاء محززات كهربائية على المستوى النانوي. [ 14 ] قد يؤدي ذلك إلى تطوير ترانزستورات أسرع وأجهزة إلكترونية نانوية. [ 10 ] [ 15 ] [ 16 ] وقد ثبت مؤخرًا أن انتقال الإلكترون المحفز ضوئيًا من الجزيئات المانحة للإلكترونات إلى γ-جرافين مُفضل ويحدث على نطاق زمني يتراوح بين النانوثانية وأجزاء من البيكوثانية. [ 17 ]

مراجع

  1. ↑ هايمان، آر بي؛ إيفسفوكوف، إس إي؛ كوجا، واي. (1997). "متآصلات الكربون: مخطط تصنيف مقترح قائم على تهجين مدارات التكافؤ". الكربون . 35 ( 10-11 ): 1654-1658 . Bibcode : 1997Carbo..35.1654H . doi : 10.1016/S0008-6223(97)82794-7 .
  2. ^ إنياشين، أندريه ن.؛ إيفانوفسكي، ألكسندر ل. (2011). "تآصلات الجرافين" . الحالة الفيزيائية Solidi B . 248 (8): 1879–1883 . بيب كود : 2011PSSBR.248.1879E . دوى : 10.1002/pssb.201046583 . S2CID 125591804 . 
  3. ↑ أوزجيليك، ف. أونجون؛ سيراسي، س. (10 يناير 2013). "تأثير الحجم على استقرار وخواص ألفا-جرافين الإلكترونية ونظيره من نتريد البورون". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 117 (5): 2175-2182 . arXiv : 1301.2593 . doi : 10.1021/jp3111869 . S2CID 44136901 . 
  4. ↑ باومان، آر إتش؛ إيكهارت، إتش؛ كيرتز، إم. (1987). "توقعات العلاقة بين البنية والخواص لأشكال مستوية جديدة من الكربون: أطوار طبقية تحتوي على ذرات sp2 وsp". مجلة الفيزياء الكيميائية . 87 (11): 6687-6699 . Bibcode : 1987JChPh..87.6687B . doi : 10.1063/1.453405 .
  5. ^ لي، ج. لي، Y.؛ لوي، ه.؛ قوه، Y.؛ لي، Y.؛ تشو، د. (2010). “هندسة أفلام الجرافدين النانوية”. الاتصالات الكيميائية . 46 (19): 3256-3258 . دوى : 10.1039 / B922733D . بميد 20442882 . 
  6. ↑ لي، كيو؛ يانغ، سي؛ وو، إل؛ وانغ، إتش؛ تسوي، إكس. (2019). "تحويل البنزين إلى غاما-غرافين وتحسين أدائه في توليد الأكسجين الكهروكيميائي". مجلة كيمياء المواد أ . 7 (11): 5981-5990 . doi : 10.1039/C8TA10317H . S2CID 104431102 . 
  7. 1 2 لي، جياكيانغ؛ هان، يو (2023-03-01). "مُتَشَكِّل الكربون الاصطناعي غاما-غرافين: التركيب والخواص والتطبيقات" . جاينت . 13 100140. doi : 10.1016/j.giant.2023.100140 . hdl : 10754/687549 . ISSN 2666-5425 . 
  8. ↑ ديسياتكين، في جي؛ مارتن، دبليو بي؛ علييف، إيه إي؛ تشابمان، إن إي؛ فونسيكا، إيه إف؛ غالفا، دي إس؛ ميلر، إي آر؛ ستون، كيه إتش؛ وانغ، زد؛ زاخيدوف، دي؛ ليمبوكو، إف تي؛ المهدالي، إس آر؛ باركر، إس إم؛ باومان، آر إتش؛ روديونوف، في أو (2022). "تخليق وتوصيف قابل للتطوير لطبقات متعددة من γ-غرافين، بلورات كربونية جديدة ذات فجوة نطاق مباشرة صغيرة". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 144 (39): 17999-18008 . arXiv : 2301.05291 . Bibcode : 2022JAChS.14417999D . doi : 10.1021/jacs.2c06583 . PMID 36130080 . S2CID 252438218 .  
  9. 1 2 كيم، بوغ جي؛ تشوي، هيونغ جون (2012). "غرافين: شبكة سداسية من الكربون ذات مخاريط ديراك متعددة الاستخدامات". مجلة Physical Review B. 86 ( 11) 115435. arXiv : 1112.2932 . Bibcode : 2012PhRvB..86k5435K . doi : 10.1103/PhysRevB.86.115435 . S2CID 119288235 . 
  10. 1 2 3 4 دومي، بيل (1 مارس 2012). "هل يمكن أن تكون الجرافينات أفضل من الجرافين؟" . عالم الفيزياء . معهد الفيزياء .
  11. ↑ وانغ، غاوكسو؛ سي، مينغسو؛ كومار، أشوك؛ باندي، رافيندرا (26 مايو 2014). "هندسة إجهاد مخاريط ديراك في الجرافين". رسائل الفيزياء التطبيقية . 104 (21): 213107. رمز Bibcode : 2014ApPhL.104u3107W . doi : 10.1063/1.4880635 .
  12. ↑ مالكو، دانيال؛ نايس، كريستيان؛ فينيس، فرانسيسك؛ غورلينغ، أندرياس (24 فبراير 2012). "التنافس على الغرافين: غرافينات ذات مخاريط ديراك تعتمد على الاتجاه" (ملف PDF) . مجلة Physical Review Letters، المجلد 108 (8)، 086804. Bibcode : 2012PhRvL.108h6804M . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.086804 . hdl : 2445/65316 . PMID: 22463556 . 
  13. ↑ شيربر، مايكل (24 فبراير 2012). "التركيز: قد يكون الجرافين أفضل من الجرافين" . الفيزياء . 5 (24): 24. Bibcode : 2012PhyOJ...5...24S . doi : 10.1103/Physics.5.24 .
  14. ^ باردان ، ديبجيوتي (2 مارس 2012). "يمكن أن تكون مادة الجرافين الجديدة منافسًا خطيرًا للجرافين" . techie-buzz.com .
  15. ↑ كارترايت، ج. (1 مارس 2012). "قد يكون الجرافين أفضل من الجرافين" . news.sciencemag.org . مؤرشف من الأصل في 2 أكتوبر 2012.
  16. ↑ "هل الجرافين أفضل من الجرافين؟" . مواد اليوم . 5 مارس 2012.
  17. ↑ ستاسيوك، أو.أ؛ ستاسيوك، أ.ج؛ سولا، م؛ فويتيوك، أ.أ (2022). "γ-غرافين: مستقبل إلكتروني واعد للخلايا الكهروضوئية العضوية". المواد والتصميم . 225 111526. doi : 10.1016/j.matdes.2022.111526 . hdl : 10256/22532 . S2CID 254961210 .