Γραφένιο

Ο όρος γραφένιο ή γραφίνη, πρωτοεμφανίστηκε το 1987, προκειμένου να περιγράψει μονά φύλλα γραφίτη ως ένα από τα συστατικά των ενώσεων παρεμβολής γραφίτη (GICs).

Ιστορία και πειραματική ανακάλυψη

Ο όρος χρησιμοποιήθηκε επίσης στις πρώτες περιγραφές των νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς και για την κρυσταλλική αύξηση του γραφενίου και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Μεγαλύτερα μόρια ή φύλλα γραφενίου (έτσι ώστε να μπορούν να θεωρηθούν ως πραγματικά απομονωμένοι 2D κρύσταλλοι) δεν μπορούσαν να δημιουργηθούν.
Οι στρώσεις γραφίτη προηγουμένως (αρχής γενομένης από τη δεκαετία του 1970) προέρχονταν από κρυσταλλική αύξηση από τα άλλα υλικά. Αυτό το «κρυσταλλικά αυξανόμενο γραφένιο» αποτελείται από ένα μόνοατομικού πάχους εξαγωνικό πλέγμα των sp² δεσμών των ατόμων άνθρακα, όπως και στο αυτοτελές γραφένιο. Ωστόσο, υπάρχει σημαντική μεταφορά φορτίου από το υπόστρωμα στο κρυσταλλικά αυξανόμενο γραφένιο και σε ορισμένες περιπτώσεις υβριδοποίησης μεταξύ των d τροχιακών των ατόμων υποστρώματος και των τροχιακών π του γραφενίου, η οποία μεταβάλλει σημαντικά την ηλεκτρονιακή δομή του κρυσταλλικά αυξανόμενου γραφενίου.
Στρώσεις γραφίτη παρατηρήθηκαν με μικροσκοπία μετάδοσης ηλεκτρονίων (ΤΕΜ) σε ακατέργαστα υλικά, ιδίως σε αιθάλη που λήφθηκε με χημική αποφλοίωση. Υπήρξαν επίσης πολλές προσπάθειες για να κατασκευαστούν πολύ λεπτές ταινίες από γραφίτη με μηχανική αποφλοίωση (από το 1990 και μέχρι μετά το 2004), αλλά κανένα από αυτά που παρήχθησαν δεν ήταν λεπτότερο των 50 με 100 στρωμάτων.
Ένα σημαντικό βήμα προόδου στην επιστήμη του γραφενίου ήρθε όταν ο Andre Geim και ο Kostya Novoselov στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ κατάφεραν να εξάγουν μονοατομικού πάχους κρυσταλλίτες (γραφένιο) από ακατέργαστο γραφίτη το 2004. Οι ερευνητές έβγαλαν στρώματα γραφενίου από γραφίτη και τα μετέφεραν σε λεπτό διοξείδιο του πυριτίου πάνω σε δίσκο πυριτίου σε μια διαδικασία που αποκαλείται μικρομηχανική διάσπαση. Το διοξείδιο του πυριτίου απομονωμένο ηλεκτρικά από το γραφένιο αλληλεπίδρασε ασθενώς με το γραφένιο, παρέχοντας στρώματα ουδέτερα φορτισμένα.
Η τεχνική μικρομηχανικής διάσπασης οδήγησε άμεσα στην πρώτη παρατήρηση του ανώμαλου κβαντικού φαινομένου του Hall στο γραφένιο, το οποίο παρείχε άμεση απόδειξη της θεωρητικά προβλεπόμενης π φάσης του Berry των χωρίς μάζα φερμιονίων του Dirac στο γραφένιο. Το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall στο γραφένιο αναφέρθηκε μέσω προσομοίωσης από τους Geim και Novoselov καθώς και τους Philip Kim και Yuanbo Zhang από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια.
Η θεωρία του γραφενίου διερευνήθηκε για πρώτη φορά από τον Φίλιπ Ρ. Γουάλας το 1947 ως αφετηρία για την κατανόηση των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων του πιο περίπλοκου 3D γραφίτη. Η αναπτυσσόμενη χωρίς μάζα εξίσωση Dirac τονίστηκε πρώτα από τους Gordon W. Semenoff και David P. DeVincenzo και Eugene J. Mele. Ο Semenoff υπογράμμισε την εμφάνιση του ηλεκτρονιακού επιπέδου Landau σε ένα μαγνητικό πεδίο ακριβώς στο σημείο Dirac. Αυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall. Αργότερα, ενιαίες στρώσεις γραφενίου παρατηρήθηκαν άμεσα με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.
Πιο πρόσφατα, δείγματα γραφενίου παρασκευασμένα σε ταινίες του νικελίου, καθώς και σε πυριτίο αλλά και σε ανθρακικό καρβιδίο του πυριτίου, ανέδειξαν την ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall απευθείας σε ηλεκτρικές μετρήσεις. Γραφιτικά στρώματα σε μορφή άνθρακα καρβιδίου του πυριτίου δείχνουν το φάσμα Dirac σε υπό γωνία φωτοεκπομπή, και το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall παρατηρείται με συντονισμό κυκλοτρόνιου και πειράματα σήραγγας.
Το γραφένιο προσφέρει επίσης μια εξαιρετική αναλογία συμπυκνωμένης ύλης. Από την άλλη πλευρά, αν και είναι αναπόσπαστο μέρος των 3D υλικών, το γραφένιο θεωρήθηκε ότι δεν μπορεί να υπάρξει σε ελεύθερη κατάσταση και ότι είναι ασταθές στο σχηματισμό κυρτών δομών όπως  η αιθάλη, τα φουλερένια και οι νανοσωλήνες. Ξαφνικά, το μοντέλο έγινε πραγματικότητα, όταν βρέθηκε μόνιμα ελεύθερο γραφένιο τρία χρόνια μετά και ιδίως όταν η πειραματική παρακολούθηση επιβεβαίωσε ότι η μεταφορά φορτίου του ήταν πράγματι φερμιόνια Dirac χωρίς μάζα.
Ένας απλός μη τεχνικός προσδιορισμός έχει δοθεί στο γραφένιο:
Το γραφένιο είναι επίπεδα από μονοστρωματικά άτομα άνθρακα καλά συσκευασμένα σε ένα δισδιάστατο (2D) πλέγμα κυψελών, και αποτελεί βασικό στοιχείο για την οικοδόμηση γραφιτικών υλικών όλων των διαστάσεων. Μπορεί να είναι κλεισμένο σε 0D φουλερένια, τυλιγμένο σε 1D νανοσωλήνες ή στοιβάζονται σε 3D γραφίτη.

Εμφάνιση και παραγωγή

Το γραφένιο είναι ουσιαστικά ένα απομονωμένο ατομικό επίπεδο του γραφίτη. Τα γραφενικά επίπεδα έχουν χωριστεί ακόμη καλύτερα σε παρεμβαλλόμενες ενώσεις γραφίτη. Το 2004 οι φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής Τεχνολογίας στην Chernogolovka της Ρωσίας μέτρησαν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των νιφάδων που λαμβάνονται και τους έδειξε φανταστική ποιότητα.
Από τότε, εκατοντάδες ερευνητές έχουν εισέλθει στην περιοχή και, φυσικά, πραγματοποίησαν εκτενή έρευνα για τις προηγούμενες σχετικές δημοσιεύσεις. Η πρώτη βιβλιογραφία δόθηκε από τους πρωτοπόρους από το Μάντσεστερ. Επικαλούνται διάφορα έγγραφα στα οποία στο γραφένιο ή σε πολύ λεπτές γραφιτικές στρώσεις εμφανίζεται κρυσταλλική αύξηση σε διάφορα υποστρώματα. Επίσης, τονίζουν μια σειρά αναφορών πριν το 2004 στις οποίες παρεμβαλλόμενες ενώσεις γραφίτη μελετήθηκαν σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στην τελευταία αυτή περίπτωση, οι ερευνητές παρατήρησαν κατά καιρούς εξαιρετικά λεπτές γραφιτικές νιφάδες ( "ολιγοστρωματικό γραφένιο" και ενδεχομένως ακόμη και μεμονωμένα στρώματα). Η παλαιότερη παρατήρηση ανακαλύφθηκε από τον Rodney Ruoff σε ένα γερμανόγλωσσο περιοδικό του 1962. Είναι γνωστό πλέον καλά ότι μικροσκοπικά θραύσματα γραφενικών φύλλων παράγονται (μαζί με τις ποσότητες των άλλων θραυσμάτων) οποτεδήποτε ο γραφίτης εντρίβεται, όπως κατά τη χάραξη γραμμής με ένα μολύβι. Υπήρχε ελάχιστο ενδιαφέρον σε αυτά τα γραφιτικά κατάλοιπα πριν από το 2004 / 05 και, ως εκ τούτου, η ανακάλυψη του γραφενίου αποδίδεται συχνά στον Andre Geim και στους συνεργάτες του, ο οποίος παρουσιάζει το γραφένιο στη σύγχρονη μορφή του.
Το γραφένιο που παράγεται από αποφλοίωση είναι σήμερα ένα από τα πιο ακριβά υλικά στη Γη, με ένα δείγμα που μπορεί να τοποθετηθεί στη διατομή μιας ανθρώπινης τρίχας να κόστιζε περισσότερο από 1.000 δολάρια τον Απρίλιο του 2008 (περίπου 100.000.000 δολάρια / cm²). Από την άλλη πλευρά, η τιμή του κρυσταλλικά αυξανόμενου γραφενίου σε SiC πάνω σε καρβίδιο του πυριτίου έχει τιμή η οποία ήταν περίπου $ 100/cm² το 2009. Αυτό είναι περίπου 1.000.000 φορές φθηνότερα από το αποφλοιωμένο γραφένιο. Ακόμη φθηνότερο γραφένιο έχει παραχθεί από μεταφορά από νικέλιο, από Κορεάτες ερευνητές, με μεγέθη πλακιδίων έως 30".
Στη βιβλιογραφία, ειδικά στην επιστημονική κοινότητα επιφανειών, το γραφένιο αναφέρεται και ως μονοστρωματικός γραφίτης. Αυτή η κοινότητα έχει μελετήσει εντατικά το κρυσταλλικά αυξανόμενο γραφένιο σε διάφορες επιφάνειες (πάνω από 300 άρθρα πριν από το 2004). Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα εν λόγω γραφενικά στρώματα συνδυάζονται με ασθενείς επιφάνειες (από δυνάμεις Van der Waals), για να διατηρούν τους δισδιάστατους ηλεκτρονιακούς δεσμούς της δομής του απομονωμένου γραφένιου, όπως επίσης συμβαίνει με την αποφλοίωση νιφάδων γραφενίου σε σχέση με το διοξείδιο του πυριτίου.

Σχεδιαστικές μέθοδοι

Το 2004, οι Ρώσοι ερευνητές πήραν γραφένιο από μηχανική αποφλοίωση του γραφίτη. Χρησιμοποίησαν συνεκτική ταινία για να χωρίσουν επανειλημμένα κρύσταλλους γραφίτη σε όλο και περισσότερο λεπτύτερα κομμάτια. Η ταινία με τις επικολλημένες οπτικά διαφανείς νιφάδες διαλύθηκε σε ακετόνη και μετά από μερικά περαιτέρω βήματα, οι νιφάδες συμπεριλαμβανομένων των μονοστρωμάτων είχαν κατακαθίσει σε ένα πλακίδιο πυριτίου. Τα μεμονωμένα ατομικά στρώματα απομονώθηκαν σε ένα οπτικό μικροσκόπιο.
Ένα χρόνο αργότερα, οι ερευνητές απλοποίησαν την τεχνική και άρχισαν την ξηρά απόθεση, αποφεύγοντας το στάδιο που το γραφένιο επιπλέει σε ένα υγρό. Οι σχετικά μεγάλοι κρυσταλλίτες (πρώτα, μόνο μερικά μικρόμετρα σε μέγεθος αλλά, τελικά, μεγαλύτεροι από 1 χιλιοστό και ορατοί με γυμνό μάτι) λήφθηκαν από αυτή την τεχνική. Αναφέρεται συχνά ως μέθοδος κολλητικών ταινιών ή σχεδιαστική μέθοδος. Το τελευταίο όνομα εμφανίστηκε επειδή η ξηρά απόθεση μοιάζει με σχέδιο ενός κομματιού γραφίτη.
Το κλειδί για την επιτυχία ήταν πιθανώς η χρήση της υψηλής ρυθμοαπόδοσης οπτικής αναγνώρισης του γραφενίου σε κατάλληλα επιλεγμένο υπόστρωμα, το οποίο παρέχει μια μικρή αλλά αξιοπρόσεχτη οπτική αντίθεση.

Κρυσταλλική ανάπτυξη σε καρβίδιο πυριτίου

Ωστόσο, μια άλλη μέθοδος είναι η θέρμανση καρβίδιου του πυριτίου σε υψηλές θερμοκρασίες (> 1100 °C) για να μειωθεί σε γραφένιο. Η διαδικασία αυτή παράγει ένα δείγμα μεγέθους που εξαρτάται από το μέγεθος του χρησιμοποιούμενου υποστρώματος SiC. Η επιφάνεια του καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία γραφενίου, το πυρίτιο ή ο άνθρακας, επηρεάζουν ιδιαίτερα το πάχος, την κινητικότητα και την πυκνότητα του φορέα γραφενίου.
Πολλές σημαντικές ιδιότητες του γραφενίου έχουν βρεθεί στο γραφένιο που παράγεται με αυτή τη μέθοδο. Για παράδειγμα, ο ηλεκτρονιακός δεσμός δομής (αποκαλούμενη δομή κώνου Dirac), έχει απεικονιστεί πρώτα σε αυτό το υλικό. Ασθενής αντι-εντόπιση παρατηρείται σε αυτό το υλικό και όχι κατά την αποφλοίωση του γραφενίου που παράγεται από τη μέθοδο του ίχνους του μολυβιού. Εξαιρετικά μεγάλη, ανεξάρτητης της θερμοκρασίας, κινητικότητα παρατηρήθηκε σε SiC επιταξιακό γραφένιο. Τα προσεγγίζουν στο αποφλοιωμένο γραφένιο τοποθετημένο σε οξείδιο του πυριτίου, αλλά εξακολουθεί να είναι πολύ χαμηλότερη από τι η κινητικότητα στο απομονωμένο γραφένιο που παράγεται με τη σχεδιαστική μέθοδο. Πιο πρόσφατα, το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall έχει παρατηρηθεί σε γραφένιο για επιφάνεια πυριτίου και επιφάνεια άνθρακα του καρβίδιου του πυριτίου.
Το κρυσταλλικά αυξανόμενο γραφένιο σε καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να πατενταριστεί χρησιμοποιώντας τυποποιημένες μεθόδους μικροηλεκτρονικής. Η δυνατότητα των μεγάλων ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών ειδών σε SiC κρυσταλλικά αναπτυσσόμενο γραφένιο προτάθηκε για πρώτη φορά το 2004 από τους ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια, μόνο δύο μήνες μετά την ανακάλυψη των απομονωμένων γραφενίων με τη σχεδιαστική μέθοδο. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το γραφένιο με βάση τα ηλεκτρονικά εφαρμόστηκε το 2003 και εκδόθηκε το 2006. Από τότε, έχουν γίνει σημαντικά βήματα. Το 2008, οι ερευνητές στο MIT Lincoln Lab έχουν παραγάγει εκατοντάδες τρανζίστορ σε ένα μόνο chip και το 2009 πολύ υψηλής συχνότητας τρανζίστορ έχουν παραχθεί στο Ερευνητικό Εργαστήριο Χιουζ σε μονοστρωματικό γραφένιο πάνω σε καρβίδιο του πυριτίου.

Κρυσταλλική ανάπτυξη πάνω σε υποστρώματα μετάλλου

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί την ατομική δομή ενός υποστρώματος μετάλλου για την έναρξη της ανάπτυξης του γραφενίου. Το γραφένιο που καλλιεργείται πάνω σε ρουθήνιο δεν αποφέρει συνήθως δείγμα γραφενίου με ομοιόμορφο πάχος στρωμάτων και η σύνδεση μεταξύ του κατώτερου στρώματος γραφενίου και του υποστρώματος μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες των στρωμάτων άνθρακα. Από την άλλη πλευρά, το γραφένιο που καλλιεργείται πάνω σε ιρίδιο είναι πολύ αδύναμα συνδεμένο, με ομοιόμορφο πάχος, και μπορεί να έχει πολύ καλή δίαταξη. Όπως και σε πολλά άλλα υποστρώματα, το γραφένιο πάνω σε ιρίδιο είναι ελαφρά κυματιστό. Λόγω της διάταξης του μεγάλου άξονα αυτών των κυματισμών, γίνεται ορατή η δημιουργία μικροκενών στους ηλεκτρονιακούς δεσμούς της δομής (κώνου Dirac). Υψηλής ποιότητας φύλλα ολιγοστρωματικού γραφενίου που υπερβαίνει το 1 cm² (0,2 τετραγωνικές ίντσες) έχουν συντεθεί μέσω χημικής απόθεσης ατμού πάνω σε λεπτές ταινίες νικελίου. Αυτά τα φύλλα έχουν μεταφερθεί με επιτυχία σε διαφορά υποστρώματα διασφαλίζοντας την απόδειξη της βιωσιμότητας για πολλές ηλεκτρονικές εφαρμογές. Μια βελτίωση της τεχνικής αυτής έχει βρεθεί στα φύλλα χαλκού, όπου η ανάπτυξη σταματά αυτόματα μετά από ένα μονό στρώμα γραφενίου και μπορούν να δημιουργηθούν μεγάλες ταινίες γραφενίου.

Πυρόλυση του αιθοξειδίου του νατρίου (sodium ethoxide)

Μια πρόσφατη δημοσίευση έχει περιγράψει μια διαδικασία για την παραγωγή γραφενίου ποσοτήτων γραμμάριου, από τη μείωση της αιθανόλης από νάτριο, ακολουθούμενη από την πυρόλυση των παραγώγων του αιθοξειδίου, καθώς και το πλύσιμο με νερό για την αφαίρεση των αλάτων νατρίου.

Μείωση του οξειδίου του γραφίτη

Η μείωση του οξειδίου του γραφίτη ήταν πιθανώς η ιστορικά πρώτη μέθοδος σύνθεσης γραφενίου. Ο P. Boehm ανέφερε μονοστρωματικές νιφάδες οξειδίου του γραφίτη από το 1962. Σε αυτό το πρώιμο έργο αποδείχθηκε η ύπαρξη μονοστρωματικών νιφάδων οξειδίου του γραφίτη. Η συμβολή του Boehm πρόσφατα αναγνωρίστηκε από τον νομπελίστα για την έρευνα του πάνω στο γραφένιο, Andre Geim. Η αποφλοίωση οξειδίου του γραφίτη μπορεί να επιτευχθεί με ταχεία θέρμανση και να παράγει σε μεγάλο βαθμό εξαπλωμένη σκόνη άνθρακα με μικρό ποσοστό νιφάδων γραφενίου. Η μείωση μονοστρωματικών φιλμ οξειδίου του γραφίτη π.χ. από υδραζίνη, ανόπτηση σε αργό/υδρογόνο, αναφέρθηκε ότι παράγει φιλμ γραφενίου. Ωστόσο, η ποιότητα του γραφενίου που παράγεται από μείωση του οξειδίου του γραφίτη είναι χαμηλότερη συγκρινόμενη με  π.χ. Το γραφένιο που προέρχεται με την τεχνική Scotch tape και οφείλεται στην ελλιπή απομάκρυνση των διάφορων λειτουργικών ομάδων με τις υπάρχουσες μεθόδους μείωσης.

Από νανοσωλήνες

Αναφέρθηκαν πειραματικές μέθοδοι για την παραγωγή κορδελλών γραφένιου, αποτελούμενες από το κόψιμο ανοικτών νανοσωλήνων. Σε μία τέτοια μέθοδο, νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων είναι ανοιχτοί σε διάλυμα με δράδη υπερμαγγανικού καλίου και θειικού οξέος. Σε μία άλλη μέθοδο, νανοκορδέλες γραφενίου παράγονται με εγχάραξη πλάσματος νανοσωλήνων που είναι εν μέρει ενσωματωμένοι σε πολυμερή φιλμ.

Ατομική δομή

Εικόνες διάθλασης ηλεκτρονίων παρουσίασαν το αναμενόμενο εξαγωνικό δικτυωτό πλέγμα του γραφενίου.   Επίσης, το απομονωμένο γραφένιο παρουσίασε «κυματισμό» του επίπεδου φύλλου, με εύρος περίπου ενός νανομέτρου. Αυτοί οι κυματισμοί μπορούν να είναι εγγενείς στο γραφένιο ως αποτέλεσμα της αστάθειας των δισδιάστατων κρυστάλλων ή μπορούν να είναι εξωγενείς, προερχόμενοι από τον πανταχού παρόντα ρύπο που εμφανίζεται σε όλες τις εικόνες TEM, του γραφενίου. Πραγματικού χρόνου, ατομικής ανάλυσης εικόνες απομονωμένου, μονοστρωματικού γραφενίου πάνω σε υποστρώματα διοξειδίου πυριτίου έχουν ληφθεί με μικροσκοπία σάρωσης (STM). Γραφένιο επεξεργασμένο με λιθογραφικές τεχνικές καλύπτεται από υπολείμματα φωτοανθεκτικού υλικού, το οποίο πρέπει να καθαριστεί για να ληφθούν ατομικής ανάλυσης εικόνες. Τέτοια υπολείμματα μπορεί να είναι οι «προσροφημένες ουσίες» που παρατηρούνται στις εικόνες TEM, και μπορεί να εξηγήσει τον κυματισμό του απομονωμένου γραφενίου.
Φύλλα γραφενίου σε στερεά μορφή (πυκνότητα > 1 g/cm³) εμφανίζονται συνήθως κατά την περίθλαση στρώσεων (002) γραφίτη 0,34 nm. Αυτό ισχύει ακόμη για μερικές μονού τοιχώματος νανοδομές άνθρακα. Ωστόσο, μη στρωματικό γραφένιο με μόνο (hk0) δακτύλιους έχει βρεθεί στον πυρήνα των προηλιακών γραφιτικών κρεμμυδιών. Μελέτες με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (ΤΕΜ) δείχνουν ελαττώματα σε επίπεδα φύλλα γραφενίου και προτείνουν ένα πιθανό ρόλο σε αυτό το μη στρωματικό γραφένιο για δισδιάστατη δενδριτική κρυστάλλωση τήγματος.
Μία έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, η οποία δημοσιεύθηκε στο Mesoscale and Nanoscale Physics, έδειξε ότι το γραφένιο μπορεί να αυτοεπισκευάζει τις τρύπες που τυχόν υπάρχουν στα φύλλα του όταν εκτίθεται σε μόρια τα οποία περιέχουν άνθρακα όπως για παράδειγμα οι υδρογονάνθρακες. Όταν οι τρύπες στο γραφένιο βομβαρδίζονται με καθαρά άτομα άνθρακα, τότε αυτές καλύπτονται πλήρως, με τα άτομα του άνθρακα να σπάνε τα κενά και να ευθυγραμμίζονται πλήρως στην εξαγωνική μορφή.

Ηλεκτρονικές ιδιότητες

Το γραφένιο είναι εντελώς διαφορετικό από τα περισσότερα συμβατικά τρισδιάστατα υλικά. Το φυσικό γραφένιο είναι ένα ημι-μέταλλο ή μηδενικού κενού ημιαγωγός. Η κατανόηση της ηλεκτρονικής δομής του γραφένιου είναι το σημείο εκκίνησης για την εξεύρεση της δομής των ζωνών του γραφίτη. Συνειδητοποιήθηκε νωρίς ότι η σχέση E-k είναι γραμμική για χαμηλές ενέργειες κοντά στις έξι γωνίες των δισδιάστατων  εξαγωνικών ζώνεων Brillouin, που οδηγεί σε μηδενική ενεργή μάζα για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Λόγω αυτής της γραμμικής (ή " κωνικής ") διασποράς, η σχέση σε χαμηλές ενέργειες, τα ηλεκτρόνια και τις οπές κοντά σε αυτά τα έξι σημεία, δύο εκ των οποίων είναι μη ισοδύναμα, συμπεριφέρονται σαν σχετικιστικά σωματίδια, περιγράφεται από την εξίσωση Dirac για σωματίδια με spin 1 / 2. Ως εκ τούτου, τα ηλεκτρόνια και οι οπές ονομάζονται φερμιόνια Dirac, και οι έξι γωνιές της ζώνης Brillouin ονομάζονται σημεία Dirac. Η εξίσωση που περιγράφει τη σχέση E-k είναι E=ħvF(kₓ² +ky²)1/2  όπου η ταχύτητα Fermi είναι VF ~ 10⁶ m / s.

Οπτικές ιδιότητες

Οι μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου παράγουν μια απροσδόκητα μεγάλη αδιαφάνεια για μία ατομική μονή στρώση, με εκπληκτικά απλή τιμή: απορροφά πα ≈ 2,3% του λευκού φωτός, όπου α είναι η σταθερά της τέλειας δομής. Αυτό είναι συνέπεια της ασυνήθιστα χαμηλής ενέργειας της ηλεκτρονικής δομής του μονοστρωματικού γραφενίου το οποίο αναδυκνείει ηλεκτρόνια και οπές κωνικής ζώνης που συναντιούνται μεταξύ τους στο σημείο Dirac που είναι ποιοτικά διαφορετικό από τις πιο κοινές τετραγωνικές συμπαγείς ζώνες.
Αυτό έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά, αλλά η μέτρηση δεν είναι αρκετά ακριβής ώστε να αποδειχθεί με άλλες τεχνικές για τον καθορισμό της σταθεράς της τέλειας δομής.
Πρόσφατα έχει καταδειχθεί ότι το κενό ζωνών του γραφενίου μπορεί να συντονιστεί από 0 έως 0.25 eV (περίπου 5 μικρόμετρα μήκος κύματος) με εφαρμογή της τάσης σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) διπλής πύλης διπλοστρωματικού γραφενίου σε θερμοκρασία δωματίου. Η οπτική απόκριση των νανοκορδέλων γραφενίου έχει αποδειχθεί να είναι συντονίσιμη σε περιβάλλον τεραχερτζ (terahertz) μέσω ενός εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου.

Μεταφορά σπιν

Το γραφένιο πιστεύεται ότι είναι ένα ιδανικό υλικό για την σπιντρονική λόγω της χαμηλής αλληλεπίδρασης της τροχιάς σπιν και επίσης λόγω της σχεδόν απουσίας της πυρηνικής μαγνητικής ροπής στον άνθρακα. Ηλεκτρικό ρεύμα περιστροφής (spin-current) έγχυσης και ανίχνευσης στο γραφένιο παρουσιάστηκε πρόσφατα σε θερμοκρασία δωματίου.
Έχει παρατηρηθεί σπίν συνοχής μήκους πάνω από 1 μικρόμετρο σε θερμοκρασία δωματίου και ο έλεγχος του ρέυματος περιστροφής του σπιν με μία ηλεκτρική είσοδο παρατηρήθηκε σε χαμηλή θερμοκρασία.

Οξείδιο του γραφενίου

Με τη διασπορά οξειδωμένου και χημικά κατεργασμένου γραφίτη σε νερό, και χρησιμοποιώντας τεχνικές κατασκευής χαρτιού, οι μονοστρωματικές νιφάδες σχηματίζουν ένα μονό φύλλο με πολύ ισχυρούς δεσμούς. Αυτά τα φύλλα, που ονομάζονται χαρτί οξειδίου του γραφενίου έχει μέτρο εφελκυσμού 32 GPa. Η περίεργη χημική ιδιότητα του οξειδίου του γραφίτη έχει σχέση με λειτουργικές ομάδες που συνδέονται με τα φύλλα γραφενίου. Μπορούν ακόμα να μεταβάλουν αισθητά τον δρόμο πολυμερισμού τους και παρόμοιων χημικών διεργασιών. Νιφάδες οξειδίου του γραφενίου σε πολυμερή δείχνουν επίσης αυξημένες φωτοαγώγιμες ιδιότητες.

Θερμικές ιδιότητες

Η σε θερμοκρασία δωματίου θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου μετρήθηκε πρόσφατα να είναι μεταξύ (4.84±0.44) ×10³ έως (5.30±0.48) ×10³ Wm⁻¹K⁻¹. Οι μετρήσεις αυτές, που πραγματοποιούνται από τεχνική μη οπτικής επαφής, είναι μεγαλύτερες από εκείνες που μετρώνται για νανοσωλήνες άνθρακα ή διαμάντι. Μπορεί να αποδειχθεί με τη χρήση του νόμου των Wiedemann-Franz, ότι η θερμική αγωγιμότητα κυριαρχείται από φωνόνια. Η βαλλιστική θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου είναι ισότροπη.
Η Δυναμικότητα για αυτή την υψηλή αγωγιμότητα μπορεί να διαπιστωθεί από την εξέταση γραφίτη, μία 3D έκδοση του γραφενίου που έχει βασική επίπεδο θερμικής αγωγιμότητας πάνω από 1000 W/mK (συγκρίσιμη με διαμάντι). Στο γραφίτη, στον γ άξονα (εκτός στρώματος) η θερμική αγωγιμότητα είναι κατά ένα παράγοντα περίπου 100 μικρότερη λόγω των περιορισμένων δεσμευτικών δυνάμεων μεταξύ των βασικών επιπέδων, καθώς και του μεγαλύτερου διαστήματος πλέγματος. Επιπλέον, η βαλλιστική θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου φαίνεται να κατώτερο όριο των βαλλιστικών θερμικών αγωγιμοτήτων, ανά μονάδα περιφέρειας, μήκους των νανοσωλήνων άνθρακα.

Μηχανικές ιδιότητες

Το 2008 πραγματοποιείται το πρώτο πείραμα που αποδεικνύει ότι το γραφένιο είναι το ισχυρότερο υλικό που υπάρχει στη φύση . Οι μετρήσεις έδειξαν ότι το γραφένιο έχει αντοχή εφελκυσμού 100 φορές μεγαλύτερη από το ατσάλι. Ωστόσο, η διαδικασία παραγωγής του μέσω ης μηχανικής αποφλοίωσης του φυσικού γραφίτη, θα απαιτήσει περαιτέρω τεχνολογική ανάπτυξη πριν να γίνει εμπορικά διαθέσιμο.
Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), μετρήθηκε η σταθερά ελαστικότητας φύλλων γραφενίου . Τα φύλλα γραφενίου, τοποθετήθηκαν σε κυκλικές κοιλότητες διοξειδίου του πυριτίου και η ακίδα του AFM χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων του. Η αντοχή στη θραύση μετρήθηκε στα 42 Ν/m, το μέτρο ελαστικότητας Young στο 1 TPa και η αντοχή στον εφελκυσμό (στο επίπεδο του κρυστάλλου)στα 130 GPa. Αυτές οι εξαιρετικά υψηλές τιμές καθιστούν το γραφένιο το πιο ισχυρό υλικό στη φύση, που μπορεί να αξιοποιηθεί σε πληθώρα εφαρμογών από την νανοηλεκτρονική (π.χ. αισθητήρες πίεσης, συντονίσιμοι νανοταλαντωτές), ως την αεροδιαστημική τεχνολογία, όπου το γραφένιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτικό μέσο για την δημιουργία νέων πολύ ανθεκτικών συνθέτων υλικών .
Στην Ελλάδα τα τελευταία 4 χρόνια υπάρχει σημαντική ερευνητική δραστηριότητα στο γραφένιο (παραγωγή, χαρακτηρισμός και εφαρμογές), που πραγματοποιείται στο Κέντρο Γραφενίου του Ινστιτούτου Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ). Η πρώτη ερευνητική εργασία που μελετά την συμπεριφορά του γραφενίου υπό θλιπτική μηχανική φόρτιση, πραγματοποιήθηκε το 2009 στο Κέντρο Γραφενίου σε συνεργασία με τους κατόχους του βραβείου Nobel Φυσικής για το 2010. Για την δημοσίευση αυτή γίνεται ειδική μνεία, ως η πρώτη παγκοσμίως εργασία στην θλιπτική συμπεριφορά του γραφενίου, στην παρουσίαση του βραβείου Nobel από τον κάτοχο του Kαθ. Κostya Νovoselov  στα έγκυρα επιστημονικά περιοδικά Review of Modern Physics   και Angewante Chemie .

Μαγνητικές ιδιότητες

Η μαγνητική διάταξη στον άνθρακα μπορεί να αποδοθεί σε ατομικές ατέλειες που έχουν μαγνητική ροπή.  Για παράδειγμα στην εικόνα 3 μπορεί να υπάρχουν adatoms στην επιφάνεια του φύλου (Α), είτε κενό άνθρακα (Β),  είτε άκρο που τελειώνει με σχήμα ζιγκ-ζάγκ (C). Η περιοχή μέσα στην εστιγμένη γραμμή περικλείει τη μοναδιαία κυψελίδα μιας μαγνητικής ταινίας σε γραφένιο,  που έχει σπιν 1/2, και οι προεξοχές παριστάνουν άτομα  υδρογόνου. καθεμιά από αυτές τις ατέλειες πιστεύεται ότι μπορεί να επάγει μια μαγνητική ροπή, αλλά δεν είναι ακόμη γνωστό πως αυτές οι ροπές αλληλεπιδρούν για να  παράγουν μια μαγνητική μακροσκοπική διάταξη.

Πολυμερή σύνθετα με ενίσχυση γραφενίου

Απλώνοντας ένα μικρό ποσό γραφενίου σε κάποιο πολυμερές, οι ερευνητές έφτιαξαν σκληρά και ελαφρά υλικά. Η ηλεκτρική συμπεριφορά στα σύνθετα μπορεί να αντέξει πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από ό, τι τα πολυμερή μόνα τους.
Τα πολυμερή μπορούν να εγχυθούν με νανοσωλήνες άνθρακα για να φτιάξουν υλικά με παρεμφερείς ιδιότητες.
Επίσης το γραφένιο ενδέχεται να έχει μικρότερη τοξικότητα από νανοσωλήνες άνθρακα. Μια δημοσίευση στο περιοδικό Nature Nanotechnology διαπίστωσε ότι μεγάλοι νανοσωλήνες άνθρακα προκαλούν τις ίδιες τοξικές αντιδράσεις σε ποντίκια, όπως αυτές του αμίαντου. Η ανησυχία είναι ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να μιμούνται τις ίνες αμιάντου, οι οποίες είναι αρκετά λεπτές για να διεισδύσουν στους πνεύμονες και να προκαλούν καρκίνο. Το γραφένιο, από την άλλη πλευρά, το οποίο είναι ένα νανόμετρο μόνο σε πάχος, είναι αρκετά μεγάλο στις δύο άλλες διαστάσεις. και δεν θα είναι σε θέση να περάσει από τα εμπόδια του αίματος στον εγκέφαλο ή στα κύτταρα, αναφέρει ο Lawrence Drzal, διευθυντής του Κέντρου Σύνθετων Υλικών και Δομών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.
Τα πολυμερή σύνθετα με ενίσχυση γραφενίου είναι ιδανικά για ελαφριές δεξαμενές βενζίνης και πλαστικά δοχεία που διατηρούν τη φρεσκάδα των τροφίμων για εβδομάδες. Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να φτιάξουν ελαφρύτερα και με μικρότερη κατανάλωση καυσίμων αεροσκάφη και εξαρτήματα αυτοκινήτων, καθώς και ισχυρότερες ανεμογεννήτριες, ιατρικά εμφυτεύματα, και αθλητικό εξοπλισμό. Επιπλέον, είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να φτιαχτούν διαφανείς αγώγιμες επιστρώσεις για ηλιακές κυψελίδες και οθόνες.
Η ανάπτυξη αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας έρευνας για να δημιουργήσουν πολυμερή ενισχυμένα με νανοσωματίδια. Ίνες άνθρακα και ίνες γυαλιού χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για την ενίσχυση πολυμερών. Σε αντίθεση με τις ίνες, όμως, ένα πολύ μικρό ποσό των νανοσωματιδίων (λιγότερο από το 2 τοις εκατό του όγκου του σύνθετου) είναι αρκετό για να κάνει το πολυμερές ισχυρότερο και ανθεκτικότερο στη θερμότητα. Επειδή χρησιμοποιείται λιγότερο υλικό πληρώσεως, το σύνθετο μπορεί να διατηρήσει την ικανότητα τανισμού και τη διαφάνεια το πολυμερούς.
Τα νανοσωματίδια από πηλό και οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σημαντικά υλικά για χρήση σε πολυμερή σύνθετα. Η Toyota έχει φτιάξει κάποια τμήματα κινητήρα από σύνθετα πηλού-νάιλον, τα οποία είναι ισχυρότερα και μπορεί να αντέξουν πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από ό, τι μπορεί το νάιλον. Πολυμερή με έγχυση νανοσωλήνων άνθρακα χρησιμοποιούνται για να φτιαχτούν ρόπαλα του μπέιζμπολ και μπαστούνια του γκολφ και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μέρη του αυτοκινήτου, όπως λαβές και φτερά. Αλλά λόγω του υψηλού κόστους των νανοσωλήνων άνθρακα έχουν περιορισμένη χρήση.
Αναφέρεται ότι για όλες τις ιδιότητες που καταδεικνύονται τα φύλλα γραφενίου είναι ίδιες ή ανώτερες από τους νανοσωλήνες. Χρησιμοποιώντας τα ίδια πολυμερή, δημιουργήθηκαν δύο σύνθετα υλικά, που το πρώτο περιέχει 1 τοις εκατό κατά βάρος των νανοσωλήνων άνθρακα, και το δεύτερο να περιέχει το ίδιο ποσό γραφενίου. Προσθήκη γραφενίου στο πολυμερές το καθιστά το 80 τοις εκατό σκληρότερο, ενώ οι νανοσωλήνες άνθρακα, λίγο περισσότερο από το 50 τοις εκατό πιο σκληρό. Το  σύνθετο γραφένιο θα μπορούσε να αντέξει 30 βαθμούς Κελσίου περισσότερο, σε σύγκριση με το σκέτο πολυμερές , ενώ οι νανοσωλήνες άνθρακα δεν αυξάνουν τη σταθερότητα της θερμοκρασίας.

Το γραφένιο στην κατασκευή εύκαμπτων οθονών και κυκλωμάτων

To γραφένιο είναι εύκαμπτο και εξαιρετικά καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Επίσης, είναι ένα υλικό πιο σκληρό κι από το διαμάντι. Θα μπορούσε λοιπόν να βρει χρήση σε εύκαμπτες οθόνες του υπολογιστή, σε μοριακά ηλεκτρονικά και σε νέες ασύρματες επικοινωνίες.
Η κατασκευή φύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας είναι συνήθως μια αργή, επίπονη διαδικασία, όμως τελευταία αρκετές ερευνητικές ομάδες έχουν ανακαλύψει τρόπους για να φτιαχτούν κυκλώματα γραφενίου, χρησιμοποιώντας τεχνικές δανεισμένες από την κατασκευή μικροτσίπ για μαζική παραγωγή.
Τα στρώματα του γραφενίου - άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε ένα σχήμα κυψελοειδούς δομής από εξάγωνα πάχους ενός μόλις ατόμου - μπορούμε να τα πάρουμε εύκολα από τη μύτη ενός μολυβιού αν χρησιμοποιήσουμε μια κολλητική ταινία. Αντίθετα, η νέα τεχνική αναγκάζει τα άτομα του άνθρακα, μέσα σε ατμούς υδρογονανθράκων, να κολλήσουν πάνω σε μια επιφάνεια νικελίου και έτσι να σχηματίσουν εξάγωνα, τη γνωστή μορφή του γραφενίου.
Εν συνεχεία χρησιμοποιώντας τεχνικές που συναντάμε στην κατασκευή των τσιπ χαράσσονται ολοκληρωμένα κυκλώματα πάνω στην επιφάνεια νικελίου. Καθώς σχηματίζονται στρώματα γραφενίου, αυτά παίρνουν το σχήμα του κυκλώματος που θέλουμε, αναφέρουν ερευνητές στο περιοδικό Nature.
"Η ανακάλυψη ενός κατάλληλου υλικού που να είναι διαφανές, αγώγιμο και λεπτό είναι ο μεγάλος στόχος", λέει ο Philip Kim, ένας από τους ερευνητές και φυσικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. Ο Kim και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι το γραφένιο που σχηματίζεται από την απόθεση χημικού ατμού, διατηρεί εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες ακόμη και όταν λυγίζεται.
Τα τελικά φύλλα γραφενίου -πάνω σε πολυμερές πλαστικό - έχουν τόσο μικρό πάχος ώστε να παραμένουν διαφανή και να μπορούν να κάμπτονται ή να τεντώνονται, ανάλογα με το πολυμερές που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή τους.
Η νέα τεχνική θα μπορούσε να αξιοποιηθεί αρχικά για την ανάπτυξη ελαστικών οθονών, στις οποίες το γραφένιο θα υποκαθιστά το ακριβό και άκαμπτο οξείδιο τιτανίου-ίνδιου.
Αργότερα, όταν θα υπάρχουν τεχνικές για την παραγωγή ποιοτικών φύλλων γραφενίου σε μεγάλες διαστάσεις, ο άνθρακας θα αρχίσει να αντικαθιστά το πυρίτιο σε όλες τις εφαρμογές της ηλεκτρονικής, προβλέπει ο ερευνητής.

Ύφανση

Δημιουργήθηκε ένα νέο υλικό, το οξείδιο του γραφενίου, που μπορεί να διπλωθεί, να ζαρωθεί και—μέχρι ενός σημείου—να τεντωθεί. Αλλά παρόλο ότι έχει το ίδιο πάχος με το συνηθισμένο χαρτί (μόλις ένα χιλιοστό του χιλιοστού) είναι πολύ δύσκαμπτο και εξαιρετικά ανθεκτικό, ισχυρίζονται οι εφευρέτες του. Επιπλέον, θεωρούν ότι το υλικό που βασίζεται σε μια ένωση του άνθρακα μπορεί να προσαρμοστεί για πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης και της μοριακής αποθήκευσης, σαν ιοντικού αγωγού και σαν υπερπυκνωτή (Nature 448 457).
Μια ομάδα από το Βορειοδυτικό Πανεπιστήμιο στο Σικάγο συμπεριλαμβανομένου και του Rodney Ruoff έχει ανακαλύψει ότι μεγάλες ποσότητες οξειδωμένου γραφενίου μπορούν να 'υφανθούν' μαζί, δημιουργούν έναν νέο τύπο "χαρτιού" που είναι πιο δύσκαμπτο και ισχυρότερο από άλλα λεπτά υλικά. Συγκεκριμένα δημιούργησαν το νέο υλικό από επικαλυπτόμενα φύλλα οξειδίου του γραφενίου, ενωμένα όπως τα κεραμίδια μιας στέγης χάρη σε δεσμούς υδρογόνου. Επίσης, διπλώνεται σχετικά εύκολα αλλά σκίζεται πολύ δύσκολα.
"Το όνειρό μου ήταν να αποσυνθέσω το γραφίτη σε μεμονωμένα φύλλα, και έπειτα να συγκεντρώσω εκ νέου αυτά τα φύλλα με διαφορετικούς τρόπους", λέει ο Ruoff.
Για να το καταφέρει άρχισε με την οξείδωση του γραφίτη, με σκοπό να αντικαταστήσει κατά προσέγγιση τα μισά από τα άτομα άνθρακα με άτομα οξυγόνου. Όταν το οξείδιο του γραφίτη αναμιγνύεται με νερό, αυτά τα άτομα του οξυγόνου απωθούν τα μόρια του νερού, αναγκάζοντας τα μεμονωμένα στρώματα - του οξειδίου του γραφενίου - να διασκορπιστούν ή να γίνουν "φύλλα". Οι ερευνητές ακολούθως φίλτραραν αυτό το μίγμα (με τα φύλλα) με τη βοήθεια μιας μεμβράνης, η οποία συλλέγει τα στρώματα με μια τέτοια ρύθμιση ώστε παραγάγει οξείδιο του γραφενίου λεπτό σαν χαρτί.
Ο κανονικός γραφίτης έχει μια λεπτή δομή, που χρειάζεται μόνο μια μικρή πλευρική δύναμη για να διασπαστεί σε κανονικά λεπτά στρώματα. Αντιθέτως, τα στρώματα στο οξείδιο του γραφενίου αναμειγνύονται το ένα με το άλλο και ρυτιδώνουν στις μεγαλύτερες κλίμακες. Αυτό επιτρέπει στο φορτίο να κατανεμηθεί σε όλη τη δομή, γι αυτό και η δομή αυτή γίνεται πιο ισχυρή από το φύλλο του γραφίτη και το φύλλο από νανοσωλήνες άνθρακα. Στην πραγματικότητα, ισχυρίζεται ο Ruoff, το μόνο ισχυρότερο υλικό θα μπορούσε να είναι το διαμάντι.
Η περιπλεγμένη δομή αφήνει, επίσης, μεμονωμένη μετατόπιση των στρωμάτων το ένα πάνω από το άλλο, έτσι ώστε τα συλλογικά στρώματα να γίνονται εύκαμπτα.
Αλλά το πιο σπουδαίο είναι ότι το χαρτί μπορεί χημικά να συντονιστεί με την αλλαγή της ποσότητας του οξυγόνου στα στρώματα. Η μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο, παραδείγματος χάριν, θα το έκανε μονωτή μέσα σε έναν καλό αγωγό, έτσι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των υλικών αυτών στο μέλλον θα είναι δυνατόν να ρυθμιστεί κατά βούληση. Επιπλέον, το ειδικό αυτό χαρτί θα μπορούσε να εμποτιστεί με πολυμερή, κεραμικά ή μέταλλα, για να κάνει σύνθετα υλικά που να ξεπερνούν σε πολύτιμες ιδιότητες τα καθαρά αντίστοιχά τους.
Οι εφαρμογές της νέας τεχνολογίας θεωρητικά είναι πολλές. Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα του υλικού, που καθιστά πιθανή τη χρήση του στη μικροηλεκτρονική, είναι η ηλεκτρική του αγωγιμότητα, η οποία στο μέλλον θα είναι δυνατόν να ρυθμιστεί κατά βούληση.
Αυτή η μεγάλη γκάμα των ιδιοτήτων του θα μπορούσε να σημαίνει ότι υπάρχουν εφαρμογές τόσο διαφορετικές, όσο και οι μεμβράνες με ελεγχόμενη διαπερατότητα στους υπερπυκνωτές για την αποθήκευση της ενέργειας.

Το γραφένιο στην αποθήκευση του υδρογόνου

Μια ομάδα Ελλήνων ερευνητών σχεδίασε ένα νέο υλικό από φύλλα γραφένιου, με στόχο την αποθήκευση υδρογόνου, ανακάλυψη που μπορεί να επιταχύνει την ανάπτυξη οχημάτων, τα οποία χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως εναλλακτική πηγή ενέργειας. Το νέο υλικό σχεδόν πληροί τις προδιαγραφές του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, σχετικά με την αποθήκευση του υδρογόνου, που είναι εκρηκτικό αέριο.
Οι Κρητικοί ερευνητές Γιώργος Δημητρακάκης, Εμμανουήλ Τυλλιανάκης και Γιώργος Φρουδάκης, σε εργασία τους που έχει δημοσιευτεί στο περιοδικό «Nano Letters» της Αμερικανικής Χημικής Εταιρίας, αναφέρουν ότι οι επιστήμονες, εδώ και καιρό, αναζητούν τρόπους για να χρησιμοποιήσουν νανοσωλήνες άνθρακα με στόχο την αποθήκευση υδρογόνου στις κυψέλες καυσίμων των αυτοκινήτων. Οι νανοσωλήνες είναι μικροσκοπικοί κύλινδροι άνθρακα, περίπου 50.000 φορές λεπτότεροι από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στόχος των ερευνών είναι η χρήση αυτών των νανοσωλήνων, ως αποθηκευτικών χώρων στην επόμενη γενιά κυψελών καυσίμων.
Οι Έλληνες ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικούς υπολογιστές για να σχεδιάσουν μια μοναδική δομή αποθήκευσης υδρογόνου, που αποτελείται από παράλληλα φύλλα γραφένιου (στρώματα άνθρακα με πάχος μόλις ενός ατόμου), τα οποία στη συνέχεια σταθεροποιούνται από κάθετες στήλες νανοσωλήνων άνθρακα. Επίσης, πρόσθεσαν ιόντα λιθίου στο σχεδιασμό του νέου υλικού για να βελτιώσουν την αποθηκευτική του δυνατότητα.
Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των τριών επιστημόνων, το νέο υλικό (pillared graphene) μπορεί θεωρητικά να αποθηκεύσει μέχρι 41 γραμμάρια υδρογόνου ανά λίτρο, σχεδόν καλύπτοντας τις αντίστοιχες προδιαγραφές του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας (45 γρ. ανά λίτρο) για εφαρμογές στις μεταφορές.
Το επόμενο βήμα, κατά τους ερευνητές, θα είναι η κατασκευή του νέου υλικού και η δοκιμασία του στην πράξη.

Το λεπτότερο μπαλόνι του κόσμου

Χρησιμοποιώντας το γραφένιο, ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell στις ΗΠΑ δημιούργησαν μια μεμβράνη σαν μπαλόνι που έχει πάχος μόνο ένα άτομο, αλλά είναι αρκετά δυνατή ώστε να αντέχει σε εσωτερικές πιέσεις αρκετών ατμοσφαιρών.
Σε αντίθεση με τα λαστιχένια μπαλόνια, τα οποία ο αέρας διαρρέει, έστω και με μικρή ταχύτητα, το μπαλόνι από γραφένιο είναι τόσο αδιαπέραστο ώστε συγκρατεί ακόμα και τα πολύ μικρά άτομα του αέριου ήλιου.
Παραδόξως, η κατασκευή του μπαλονιού δεν ήταν ιδιαίτερα δύσκολη. Οι επιστήμονες γνώριζαν εδώ και χρόνια ότι μπορούν να απομονώσουν φύλλα γραφένιου απλά τοποθετώντας μια κολλητική ταινία πάνω σε καθαρό γραφίτη. Όταν η ταινία αφαιρεθεί και κολλήσει για λίγο σε μια πλάκα διοξειδίου του άνθρακα, αφήνει πίσω της στρώματα γραφενίου με πάχος από ένα έως μερικά άτομα.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύεται στο Nano Letters, θα μπορούσε να έχει εφαρμογές σε έρευνες Βιολογίας και Επιστήμης Υλικών.