Grafenkemi

Grafen, en todimensjonal form av krystallinsk karbon, enten et enkelt lag med karbonatomer som danner en bikakegitter (heksagonal) eller flere koblede lag av denne bikakestrukturen. Ordet grafen, når det brukes uten å spesifisere formen (f.eks. Tolags grafen, flerlags grafen), refererer vanligvis til ettlags grafen. Grafen er en foreldreform for alle grafittiske strukturer av karbon: grafitt, som er en tredimensjonal krystall som består av relativt svakt koblede grafenlag; nanorør, som kan være representert som ruller av grafen; og buckyballs, sfæriske molekyler laget av grafen med noen sekskantede ringer erstattet av femkantede ringer.

Første studier av grafen

Den teoretiske studien av grafen ble startet i 1947 av fysikeren Philip R. Wallace som et første skritt for å forstå den elektroniske strukturen til grafitt. Begrepet grafen ble introdusert av kjemikerne Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton og Eberhard Stumpp i 1986 som en kombinasjon av ordet grafitt, med henvisning til karbon i den ordnede krystallinske formen, og suffikset -en, med henvisning til polysykliske aromatiske hydrokarboner der karbonatomene danner sekskantede, eller seks-sidige, ringstrukturer.

I 2004 isolerte fysikere fra University of Manchester Konstantin Novoselov og Andre Geim og kolleger enlags grafen ved å bruke en ekstremt enkel metode for eksfoliering fra grafitt. Deres "scotch-tape-metode" brukte limbånd for å fjerne topplagene fra en prøve av grafitt og deretter påføre lagene på et underlagsmateriale. Da båndet ble fjernet, forble noe grafen på underlaget i enlagsform. Faktisk er derivasjon av grafen ikke en vanskelig oppgave i seg selv; hver gang noen tegner med en blyant på papir, inneholder blyantsporen en liten brøkdel av enlags og flerlags grafen. Prestasjonen for Manchester-gruppen var ikke bare å isolere grafenflak, men også å studere deres fysiske egenskaper. Spesielt demonstrerte de at elektroner i grafen har en veldig høy mobilitet, noe som betyr at grafen muligens kan brukes i elektroniske applikasjoner. I 2010 ble Geim og Novoselov tildelt Nobelprisen for fysikk for deres arbeid.

I disse første eksperimentene var underlaget for grafen silisium naturlig dekket av et tynt gjennomsiktig lag av silisiumdioksyd. Det viste seg at enlags grafen skapte en optisk kontrast med silisiumdioksydet som var sterk nok til å synliggjøre grafenen under et standardoptisk mikroskop. Denne synligheten har to årsaker. For det første samvirker elektroner i grafen veldig sterkt med fotoner i det synlige lysfrekvensene, og absorberer omtrent 2,3 prosent av lysets intensitet per atomlag. For det andre forbedres den optiske kontrasten sterkt av interferensfenomener i silisiumdioksydlaget; dette er de samme fenomenene som skaper regnbuefarger i tynne filmer som såpefilm eller olje på vann.