گرافین

گرافن ( به انگلیسی: Graphene ) نامِ یکی از آلوتروپ هایِ کربن است. این ماده با استفاده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی تشکیل شده است[ ۱] [ ۲] که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده است. یک الکترون ظرفیت باقی مانده نیز بر روی کل صفحهٔ گرافن و بین تمام اتم ها به اشتراک گذاشته شده و الکترونِ آزاد است. در صورت وجود ناخالصی بر روی صفحات گرافن مانند اکسیژن این الکترون به صورت پیوند π در پیوند میان کربن با اکسیژن شرکت می کند. در گرافیت ( فراوان ترین آلوتروپ کربن ) ، هر کدام از اتم هایِ چهارظرفیتیِ کربن، با سه پیوندِ کووالانسی به سه اتمِ کربنِ دیگر متصل شده اند و یک شبکهٔ گسترده را تشکیل داده اند. این لایه خود بر رویِ لایه ای کاملاً مشابه قرار گرفته است و به این ترتیب، چهارمین الکترونِ ظرفیت نیز یک پیوندِ شیمیایی داده است، اما پیوندِ این الکترونِ چهارم، از نوعِ پیوندِ واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه هایِ گرافیت به راحتی بر رویِ هم سر می خورند و می توانند در نوکِ مداد به کار بروند. گرافن ماده ای است که در آن تنها یکی از این لایه هایِ گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترونِ پیوندیِ کربن، به عنوان الکترونِ آزاد باقی مانده است.
هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس دربارهٔ گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش هایِ زیادی برایِ ساختِ آن صورت گرفته بود اما قضیه ای به نامِ قضیهٔ مرمین - واگنر در مکانیکِ آماری و نظریهٔ میدان هایِ کوانتومی وجود داشت که ساختِ یک مادهٔ دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده ای را غیرپایدار می دانست. زیرا بر اساس این نظریه نیروی اعوجاجات اتم های درون یک ساختار دوبعدی در دمای اتاق از نیروی پیوندی میان اتم ها بزرگ تر شده و ساختار دوبعدی از هم گسسته می شود. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساختِ این ماده شده و نشان دادند که قضیهٔ مرمین - واگنر نمی تواند کاملاً درست باشد. جایزهٔ نوبلِ فیزیکِ ۲۰۱۰ نیز به خاطرِ ساختِ ماده ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت. [ ۳]
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار، رسانندگی اپتیکی[ ۴] و خواص مکانیکی[ ۵] به ماده ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می دهند که برهم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهٔ بین صفحه ای ۰٫۳۳۵ نانومتر می باشد. اگر تک لایه گرافنی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می دهد. لایه های گرافنی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافن کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می نامند.