Μπορούν οι μάσκες γραφενίου να αποτρέψουν την ομίχλη

1. Μηχανικές ιδιότητες Οι μηχανικές ιδιότητες του γραφενίου είναι πολύ ισχυρές και η μηχανική αντοχή εφελκυσμού του φτάνει τα 130 GPa, που ισοδυναμεί με 100 φορές αυτή του χάλυβα. Θεωρητικά υπολογισμένο, εάν το πραγματικό πάχος σύνδεσης του γραφενίου μπορεί να φτάσει το ένα χιλιοστό, μπορεί να υποστηρίξει το βάρος ενός ελέφαντα. Από πού προέρχονται οι ισχυρές μηχανικές του ιδιότητες; Όπως είπαμε στην αρχή, η δομή καθορίζει τις ιδιότητες. Είναι μια δισδιάστατη δομή και η αλυσίδα μεταξύ άνθρακα και άνθρακα είναι πολύ ισχυρή. Υπάρχουν τρεις γείτονες γύρω από κάθε άνθρακα. Ο δεσμός άνθρακα που σχηματίζεται από αυτούς τους τρεις γείτονες είναι πολύ βραχύς και πολύ ισχυρός, γεγονός που υποστηρίζει τις υψηλές μηχανικές ιδιότητες του γραφενίου.

2. Ηλεκτρικές ιδιότητες Αξίζει να αναφερθούν οι ηλεκτρικές του ιδιότητες. Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων του μπορεί να φτάσει τα 200.000 cm^2/Vs, που είναι εκατό φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου. Τι είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων; Σημαίνει πόσο γρήγορα μπορούν να τρέξουν τα ηλεκτρόνια σε αυτό το υλικό. Η αγωγιμότητα ενός υλικού καθορίζεται από δύο πράγματα. Το ένα είναι πόσο γρήγορα τρέχουν τα ηλεκτρόνια σε αυτό και το δεύτερο είναι πόσα ηλεκτρόνια τρέχουν σε αυτό. Μπορείτε να φανταστείτε έναν αυτοκινητόδρομο. Ποιο είναι το όριο ταχύτητας σε αυτόν τον αυτοκινητόδρομο; Πόσο γρήγορα μπορεί να τρέξει το αυτοκίνητο; Ο αριθμός των αυτοκινήτων που κινούνται σε αυτό καθορίζει τη χωρητικότητα αυτού του αυτοκινητόδρομου. Έτσι, στην κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών, ελπίζουμε συχνά να έχουμε υψηλή χωρητικότητα, ώστε να επιταχυνθεί η υπολογιστική ταχύτητα της συσκευής. Δεύτερον, η τρέχουσα ανοχή πυκνότητάς του είναι πολύ μεγάλη. Για παράδειγμα, έχουμε ένα σύρμα που χρησιμοποιείται συνήθως, όπως ένα μεταλλικό σύρμα χαλκού. Περνάμε ρεύμα. Εάν η τάση αυξηθεί και το ρεύμα αυξηθεί σε κάποιο βαθμό, το ρεύμα θα κάψει το χάλκινο σύρμα. Αλλά η ικανότητα του γραφενίου να αντιστέκεται στην καύση είναι πολύ υψηλή, μπορεί να φτάσει το 1 εκατομμύριο φορές αυτή του χαλκού! Αν χρησιμοποιήσουμε το γραφένιο ως αγωγό, το βάρος του αγωγού μπορεί να μειωθεί πολύ. Μια πρόσφατη ανακάλυψη δείχνει ότι εάν ένα γραφένιο διπλής στρώσης περιστραφεί υπό γωνία, θα εμφανιστεί κάποια υπεραγωγιμότητα. Ωστόσο, έχει ένα μειονέκτημα στις ηλεκτρικές ιδιότητες, το οποίο είναι το μηδενικό ενεργειακό κενό ζώνης του. Η ενεργειακή ζώνη [4] σχετίζεται με την ύπαρξη ημιαγωγού. Εάν αυτή η ζώνη ενέργειας είναι κατάλληλη, είναι ένας καλός ημιαγωγός. Δεδομένου ότι το γραφένιο έχει ζώνη μηδενικής ενέργειας, δεν είναι ημιαγωγός, αλλά μια μεταλλική ιδιότητα, επομένως είναι ακόμα δύσκολο να κατασκευαστούν ηλεκτρονικές συσκευές. Οι επιστήμονες ξεπερνούν τα προβλήματα που προκαλούνται από αυτές τις ζώνες μηδενικής ενέργειας.

3. Πυκνότητα και μεγάλη ειδική επιφάνεια Το γραφένιο είναι ένα πολύ πυκνό υλικό. Επειδή οι δεσμοί του είναι πολύ μικροί, η απόσταση μεταξύ των ατόμων είναι πολύ κοντά, μόνο 0,142 nm. Με άλλα λόγια, ακόμη και μικρά μόρια και άτομα όπως το υδρογόνο και το ήλιο δεν μπορούν να περάσουν από αυτό. Είναι ένα πολύ καλό υλικό φραγμού με ειδική επιφάνεια 2630m^2/g, που σημαίνει ότι η έκτασή του είναι πολύ μεγάλη. Ας δούμε τη μεσαία εικόνα, η οποία είναι μια δομή που μοιάζει με αφρό από γραφένιο. Μπορεί να στηριχτεί, αλλά είναι πολύ ελαφρύ. Το βάζουμε σε ένα γρασίδι σκυλόουρας και το γρασίδι σκυλόουρας δεν φαίνεται να έχει δομικές αλλαγές. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα γραφένια για να φτιάξουμε κάποια υλικά φιλτραρίσματος. Ανοίγοντας πάνω τους μερικές μικρές τρύπες ελεγχόμενου μεγέθους, μπορούμε να διαχωρίσουμε διαφορετικά αέρια ή υγρά. Για παράδειγμα, ο διαχωρισμός του αλατιού στο θαλασσινό νερό και ο διαχωρισμός του οξυγόνου και του αζώτου στον αέρα.

4. Ιδιότητες φωτός και θερμότητας Οι ιδιότητες του φωτός στο γραφένιο, επειδή υπάρχει μόνο μία πηγή άνθρακα, μόνο ένα στρώμα ατόμων άνθρακα, η διαπερατότητά του μπορεί να φτάσει το 97,7%, που σημαίνει ότι ένα στρώμα ατόμων άνθρακα μπορεί να απορροφήσει το 2,3% του φωτός . Αυτό είναι μεγάλο ή μικρό; Στην πραγματικότητα, είναι μια πολύ ισχυρή απορρόφηση φωτός. Μπορούμε να απορροφήσουμε πλήρως το φως με περίπου 50 στρώματα γραφενίου. Αυτό είναι δύσκολο για άλλα υλικά. Αλλά το γραφένιο μπορεί, χρειαζόμαστε μόνο ένα στρώμα από αυτό, που το καθιστά πολύ χρήσιμο. Το γραφένιο έχει πολύ καλή θερμική αγωγιμότητα. Υπάρχουν σήμερα δύο κύριοι τρόποι θερμικής αγωγιμότητας. Το ένα ονομάζεται ηλεκτρονική θερμική αγωγιμότητα, δηλαδή, εάν ένα υλικό είναι πολύ αγώγιμο, η θερμική του αγωγιμότητα είναι συχνά επίσης πολύ καλή, όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο. Υπάρχει όμως ένα άλλο υλικό που δεν βασίζεται στην ηλεκτρική αγωγιμότητα για τη θερμική αγωγιμότητα. Βασίζεται σε φωνόνια, δηλαδή στην ταχύτητα διάδοσης των ηχητικών κυμάτων. Στο γραφένιο, η ταχύτητα διάδοσης των ηχητικών κυμάτων μπορεί να φτάσει τα 22 km/s, άρα έχει πολύ καλή θερμική αγωγιμότητα.