Grafeeni | yksi hiilen muodoista
Grafeeni on yksi hiilen muodoista. Hiilen eri muodoilla (eli allotroopeilla) on timantin ja grafiitin tavoin erilainen kiderakenne, mikä antaa niille erilaisia ominaisuuksia. Grafeeni on monien 3D-allotrooppien, kuten grafiitin, hiilen, fullereenin ja hiilinanoputkien 2D-perusmuoto.
Termi grafeeni syntyi grafiitin ja -enin yhdistelmänä Hanns-Peter Boehmin vuonna 1962 tekemässä kuvauksessa yksikerroksisista hiilikalvoista. Grafeeni on kuin hunajakennomainen tai "kanalanka"-rakenne, joka koostuu hiiliatomeista ja niiden sidoksista. Grafiitti koostuu monista yhteen pinotuista grafeenilevyistä.
Kolme miljoonaa grafeenilevyä pinottuna grafiitiksi olisi vain yhden millimetrin paksuinen.
Vuoden 2010 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Sir Andre Geimille ja Sir Konstantin Novoseloville "uraauurtavista kokeista, jotka koskevat kaksiulotteista materiaalia grafeenia".
Mahdollisia sovelluksia ovat muun muassa grafeenin superkondensaattorit.
Grafeeni on hiiliatomeista koostuva atomimittakaavan hunajakennoristikko.
Grafeenioksidi
Manchesterin yliopiston kansainvälinen ryhmä valmisti grafeenioksidista kalvon. He osoittivat, että se estää monia kaasuja ja nesteitä mutta päästää veden läpi. Sir Andre Geim sanoi: "Heliumkaasua on vaikea pysäyttää. Se vuotaa hitaasti jopa millimetrin paksuisen ikkunalasin läpi, mutta meidän erittäin ohuet kalvomme estävät sen täysin. Samaan aikaan vesi haihtuu niiden läpi esteettä. Materiaalit eivät voi käyttäytyä sen kummallisemmin".
Viimeisin idea
Grafeenikalvoista saadaan melko hyviä luodinsulkijoita. Tutkimusten mukaan atomipaksu kerros vaimentaa osumaa paremmin kuin teräs. Tutkimusryhmä ehdottaa, että grafeenin yhdistäminen yhteen tai useampaan lisämateriaaliin komposiitiksi voisi olla oikea tapa edetä.
Grafeeniparistot
1. Sisäinen rakenne
Grafeenipariston sisäinen rakenne on melko samanlainen kuin tavallisen litiumioniakun. Siinä on kaksi elektrodia ja elektrolyyttiliuos, joka mahdollistaa varauksen kulun. Erona on se, että grafeenipohjaisissa akuissa toinen elektrodeista, useimmiten katodi, on korvattu hybridikomposiittimateriaalilla (kiinteä metalli + grafeeni), jota käytetään tavallisen kiinteän metallin sijasta.
2. Edut
Pienempi ja ohuempi akku: Grafeeni on kaksiulotteinen materiaali, joka koostuu vain yhdestä atomikerroksesta. Jotta tämä olisi helpompi ymmärtää, kun pinotaan 3 miljoonaa grafeenikerrosta, saadaan 1 mm:n paksuinen kerros. Tämä tarkoittaa, että grafeenin ansiosta älypuhelimista tulisi entistä ohuempia ja niissä olisi enemmän tilaa lisäelektroniikalle ja niihin voitaisiin sijoittaa suurempikapasiteettisia akkuja.
Suurempi kapasiteetti: Grafeenilla on suurempi energiakapasiteetti samassa koossa kuin litiumioniakuilla. Litiumioniakkujen tiedetään varastoivan jopa 180 Wh kilogrammaa kohti, mutta grafeenipohjaiset akut voivat varastoida jopa 1 000 Wh kilogrammaa kohti. Samankokoisen grafeeniakun latauskapasiteetti on siis suurempi kuin litiumioniakkujen tai muiden yleisesti käytettyjen akkujen.
Nopeammat latausajat: Grafeeni on erinomainen sähkönjohdin. Sen kaksiulotteinen hunajakennorakenne ei muodosta vastusta elektronien virtaukselle. Näin ollen se voi latautua nopeasti ja myös kestää kauemmin kuin litiumioniakut.
Grafeenipatentit
Grafeenin keksiminen on johtanut moniin patentteihin, jotka koskevat sen käytännön sovelluksia. Vuonna 2013 pisteet olivat:
- Kiinalaiset yksiköt: 2 204
- Yhdysvaltain yksiköt: 1,754
- Etelä-Korean yksiköt: 1,160
- Yhdistyneen kuningaskunnan yksiköt: 54
Eteläkorealainen elektroniikkajätti Samsung on yritys, jolla on eniten grafeenipatentteja.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä grafeeni on?
V: Grafeeni on yksi hiilen muodoista, jonka kaksiulotteinen hunajakennomainen tai "kanalanka"-rakenne koostuu hiiliatomeista ja niiden sidoksista.
K: Miten grafeeni liittyy grafiittiin?
V: Grafiitti koostuu monista yhteen pinoutuneista grafeenilevyistä - kolme miljoonaa grafeenilevyä pinoutuneena muodostaen grafiittia olisi vain yhden millimetrin paksuinen.
K: Kuka keksi termin "grafeeni"?
V: Hanns-Peter Boehm keksi termin "grafeeni" yhdistelmänä grafiitista ja päätteestä "-ene" vuonna 1962.
K: Mistä Sir Andre Geim ja Sir Konstantin Novoselov saivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2010?
V: Sir Andre Geim ja Sir Konstantin Novoselov saivat vuoden 2010 fysiikan Nobel-palkinnon "uraauurtavista kokeista, jotka koskivat kaksiulotteista materiaalia grafeenia".
K: Mitä mahdollisia sovelluksia grafeenilla on?
V: Grafeenin mahdollisia sovelluksia ovat muun muassa superkondensaattorit.
K: Mitä muita muotoja tai allotrooppeja hiilellä on grafeenin lisäksi?
V: Muita hiilen muotoja tai allotrooppeja grafeenin lisäksi ovat timantit, grafiitti, puuhiili, fullereeni ja hiilinanoputket.
