Graphene – apakah itu dan untuk apa ia digunakan?

Graphene – apakah itu dan dari mana ia datang

Ciri terobosan graphene terletak terutamanya pada dua dimensinya. Secara fizikal, ia adalah lapisan atom karbon tunggal yang disusun dalam corak heksagon yang secara visualnya serupa dengan sarang lebah. Oleh itu, graphene ialah alotrop karbon. Pada tahun 1940-an, Phillip Russel Wallace membangunkan konsep teori untuk mencipta struktur karbon atom tunggal. Walau bagaimanapun, idea ini telah ditolak oleh kebanyakan saintis selama bertahun-tahun. Hanya enam dekad kemudian ia boleh diubah menjadi bahan nyata yang nyata. Duo Gejm dan Nowosiolow dari Universiti Manchester berjaya mengasingkan graphene daripada ketulan grafit dengan memindahkan atom karbon ke lapisan silikon dioksida (SO ₂ ) menggunakan pita pelekat. Silika memainkan peranan penting dalam proses ini, mengasingkan lapisan graphene dengan cas elektrik neutral. Kaedah ini pada masa ini hanya digunakan dalam skala kecil untuk tujuan penyelidikan.

Sifat luar biasa graphene

Apakah yang dimaksudkan dengan lapisan ultra-nipis atom karbon ini yang telah mempesonakan dunia saintifik? Graphene telah terbukti sebagai pengalir haba dan elektrik yang sangat baik. Ia juga dicirikan oleh rintangan aktif yang rendah. Dalam hal ini, ia adalah pesaing untuk tembaga dan silikon. Pada suhu bilik, elektron graphene menunjukkan mobiliti yang tidak pernah berlaku sebelum ini dalam bahan lain. Halaju tinggi mereka mencapai 1/300th daripada kelajuan cahaya membuka kemungkinan menarik untuk digunakan dalam diagnostik. Graphene juga hampir lutsinar – ia menyerap 2.3%cahaya putih. Oleh itu, potensi elektriknya yang luar biasa seiring dengan yang optik. Walaupun strukturnya sangat nipis, graphene adalah sehingga 100 kali lebih kuat daripada keluli. Pada masa yang sama, ia mengekalkan tahap fleksibiliti yang tinggi (sehingga 20%regangan panjang atau lebar). Membran graphene teroksida adalah tidak telap sepenuhnya kepada gas, namun telap kepada air, oleh itu ia boleh digunakan untuk penapisan. Sifat antimikrob bahan juga patut diberi perhatian.

Graphene prospektif – aplikasi dalam pelbagai industri

Sifat elektronik, optik, terma dan mekanikal graphene telah membuka pintu kepada banyak aplikasi komersial praktikalnya, yang menurut pakar, akan berkembang secara dinamik dalam dekad akan datang. Sudah hari ini, graphene dianggap sebagai pengganti silikon dalam kawasan elektronik. Konduktor lutsinar dan fleksibel ini boleh digunakan untuk mengeluarkan sel fotovoltaik, paparan boleh gulung dan panel sentuh serta lampu LED. Ia juga meningkatkan kekerapan isyarat elektromagnet dengan ketara, membolehkan pengeluaran transistor yang lebih pantas. Penderia graphene juga menarik minat yang besar. Terima kasih kepada kepekaan yang luar biasa, mereka boleh mengesan molekul tunggal bahan berbahaya, dengan itu menjadikannya lebih mudah untuk memantau alam sekitar. Graphene oxide yang diedarkan di udara juga mempunyai keupayaan untuk membuang bahan cemar radioaktif. Prospek membangunkan produk baharu dengan graphene meningkat setiap tahun Aplikasi sedia ada dengan potensi terbesar termasuk:

• grid kuasa moden;
• sumber cahaya cekap tenaga;
• semikonduktor yang digunakan dalam peranti spintronik;
• salutan anti-karat yang lebih berkesan;
• penapisan air untuk penulenan dan penyahgaraman;
• sistem komunikasi optoelektronik.

Selain itu, terdapat spekulasi tentang penggunaan prospektif graphene untuk penghasilan komponen struktur yang lebih ringan dan lebih tahan lama untuk kereta, pesawat, kapal dan peranti. Dalam kombinasi dengan bahan tiruan (cth getah), ia boleh digunakan untuk mencipta, contohnya, getah pengalir haba. Berdasarkan graphene, kertas yang sangat kuat yang mampu mengalirkan elektrik telah pun dibangunkan.

Grafena biokompatibel – aplikasi perubatan

Perlu diberi perhatian juga kemungkinan menggunakan graphene dalam bidang bioperubatan, baik dalam bidang diagnostik dan terapeutik. Sebagai pembawa ubat, graphene oxide dicirikan oleh biokompatibiliti yang tinggi dan keterlarutan yang sangat baik. Ini membolehkan dos tepat agen anti-radang dan anti-kanser serta enzim dan bahan mineral. Kerana graphene adalah konduktor haba yang sempurna, ia juga digunakan untuk memusnahkan tumor kanser. Fenomena termololesi membolehkan penggunaan haba yang terkumpul olehnya untuk mengurangkan kesakitan pada tisu. Kerja-kerja pengeluaran aksesori dan pakaian perubatan yang dipanaskan sedang dijalankan. Lembaran graphene juga digunakan sebagai biosensor dan boleh membantu mendiagnosis kanser dan penyakit neurologi (cth epilepsi atau penyakit Parkinson) dengan peranti mudah alih. Probe graphene yang dibangunkan oleh Poland dijangka merevolusikan ujian ECG dengan membenarkan pengukuran dari paras jantung. Sifat antibakteria graphene juga memberi peluang untuk menyelesaikan krisis yang berkaitan dengan ketidakpekaan bakteria yang semakin meningkat terhadap antibiotik. Graphene boleh digunakan sebagai asas untuk pembangunan agen yang bertujuan untuk kawalan jangkitan topikal dan pembasmian kuman luka. Kemungkinan menggunakan graphene dalam kejuruteraan tisu kelihatan sangat menjanjikan. Kekuatan mekanikal perancah karbon yang inovatif adalah sangat tinggi. Kajian menunjukkan bahawa ia mempercepatkan pembezaan sel stem dan menggalakkan pemulihan yang lebih cepat.

Pengeluaran graphene

Sejak 2014, graphene telah dihasilkan pada skala yang lebih besar untuk tujuan komersial. Teknik mikromekanikal baharu telah membolehkan pengurangan harga bahan yang ketara. Pada masa ini, pengeluar utamanya ialah Amerika Syarikat dan China, di mana sejumlah besar grafit amorfus murah boleh ditemui. Diingini dalam bidang elektronik, graphene premium mesti dihasilkan daripada grafit yang cukup berkualiti dan ini memerlukan kristal rata dan teratur yang diperoleh dalam pemprosesan khas. Harga bahan itu kemudiannya lebih tinggi. Penyelidik Korea telah berjaya membangunkan cara yang cekap dan kos efektif untuk menghasilkan graphene melalui pemendapan wap kimia (CVD). Kelemahan penyelesaian ini adalah kualiti bahan yang lebih rendah dan kekerapan kecacatan yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, dalam beberapa aplikasi, ini tidak menimbulkan masalah. Kutub juga telah menyumbang kepada pembangunan kaedah inovatif pengeluaran graphene. Institut Teknologi Bahan Elektronik di Warsaw memegang paten untuk menghasilkan bahan daripada silikon karbida. Pada tahun 2015, penyelidik dari Universiti Lodz, Poland, membangunkan teknologi HGSM terobosan yang membolehkan pengeluaran helaian format besar berkualiti tinggi daripada fasa cecair.

Adakah graphene selamat?

Sebagai bahan yang agak baharu, graphene menimbulkan keraguan yang boleh difahami dalam konteks kesan yang mungkin ke atas kesihatan manusia. Malah ada dakwaan bahawa struktur nipis dan ringan graphene mudah masuk ke dalam paru-paru, menimbulkan ancaman yang setanding dengan habuk atau gentian asbestos. Kajian Cina malah mencadangkan bahawa nanopartikel karbon dua dimensi boleh mengendap di dalam organ dalaman. Terdapat juga risiko teori bahawa graphene, dengan memasuki permukaan dan air bawah tanah, boleh memudaratkan tumbuhan dan haiwan. Zarah halus boleh mendap di tepi badan air dan meningkatkan tahap kekerasan air. Walau bagaimanapun, mengikut pengetahuan semasa, graphene tidak toksik dan tidak mempunyai pertalian dengan bahan berbahaya. Kuantitinya, dan dengan itu potensi pendedahan, juga sangat rendah atau boleh diabaikan. Apabila bersentuhan dengan kulit, ia tidak menunjukkan sifat merengsa. Juga, kajian antarabangsa menunjukkan bahawa penyedutan tidak menyebabkan reaksi imunologi yang buruk. Terdapat konsensus umum dalam komuniti saintifik tentang keperluan untuk penyelidikan lanjut tentang sifat dan aplikasi graphene, termasuk keselamatannya. Ini akan membolehkan kaedah mengoptimumkan penggunaan bahan inovatif dengan tujuan untuk kesan jangka panjang ke atas manusia dan alam sekitar.