20 mei 2022

Online oplossing voor uw problemen

Expand search form

Is grafeen sterker dan diamant?


Geschreven door Amaia Zurutuza
Wetenschappelijk Directeur
[email protected]

De eigenschappen van grafeen – transparantie, dichtheid, elektrisch en thermisch geleidingsvermogen, elasticiteit, flexibiliteit, hardheid en het vermogen om chemische reacties met andere stoffen op te wekken – herbergen het potentieel om een nieuwe technologische revolutie te ontketenen die grootser is dan die van de elektriciteit in de 19e eeuw en de opkomst van het internet in de jaren negentig van de vorige eeuw.“LarrainVial

In zeer eenvoudige termen kan grafeen worden omschreven als een enkele, één atoom dikke laag van het algemeen gevonden mineraal grafiet; grafiet is in wezen opgebouwd uit honderdduizenden lagen grafeen. In werkelijkheid is de structurele opbouw van grafiet en grafeen, en de methode om het een uit het ander te maken, enigszins verschillend.

Grafiet

Toen u nog op school zat, bent u waarschijnlijk wel eens de term “potloodstift” tegengekomen, waarmee de kern van een potlood wordt bedoeld waarmee u op papier en ander materiaal kunt schrijven. In plaats van te verwijzen naar het chemische element en zware metaal lood, wordt deze kern meestal gemaakt van grafiet vermengd met klei. De vergissing is ontstaan toen grafiet voor het eerst werd ontdekt; omdat het een vorm van koolstof is en een soortgelijke moleculaire samenstelling heeft als andere leden van de koolstofgroep (maar vooral door de visuele gelijkenissen), werd gedacht dat het een vorm van lood was.

Grafiet is een mineraal dat van nature voorkomt in metamorf gesteente in verschillende continenten van de wereld, waaronder Azië, Zuid-Amerika en sommige delen van Noord-Amerika. Het wordt gevormd als gevolg van de reductie van sedimentaire koolstofverbindingen tijdens het metamorfisme. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn de chemische bindingen in grafiet in feite sterker dan die in diamant. Het verschil in hardheid tussen de twee verbindingen wordt echter bepaald door de roosterstructuur van de koolstofatomen in diamant: diamant heeft driedimensionale roosterbindingen, terwijl grafiet tweedimensionale roosterbindingen heeft (lagen van koolstofbladen). Hoewel in elke laag grafiet de koolstofatomen zeer sterke bindingen hebben, kunnen de lagen over elkaar heen schuiven, waardoor grafiet een zachter, kneedbaarder materiaal wordt.

Uitgebreid onderzoek gedurende honderden jaren heeft aangetoond dat grafiet een indrukwekkend mineraal is dat een aantal uitstekende en superlatieve eigenschappen vertoont, waaronder het vermogen om elektriciteit en warmte goed te geleiden, de hoogste natuurlijke stijfheid en sterkte te hebben, zelfs bij temperaturen van meer dan 3600 graden Celsius, en het is ook zeer goed bestand tegen chemische aantasting en zelfsmerend. Hoewel het meer dan duizend jaar geleden voor het eerst werd geïdentificeerd en in 1789 voor het eerst een naam kreeg, heeft het enige tijd geduurd voordat de industrie zich bewust werd van het volledige potentieel van dit verbazingwekkende materiaal.

Grafiet is een van de slechts drie natuurlijk voorkomende allotropen van koolstof (de andere zijn amorfe koolstof en diamant). Het verschil tussen de drie natuurlijk voorkomende allotropen is de structuur en binding van de atomen binnen de allotropen; diamant heeft een diamantrooster-kristallijne structuur, grafiet een honingraatroosterstructuur, en amorfe koolstof (zoals steenkool of roet) heeft geen kristallijne structuur.

Hoewel er veel verschillende vormen van koolstof zijn, is grafiet van een zeer hoge kwaliteit en het meest stabiel onder standaardomstandigheden. Daarom wordt het in de thermochemie vaak gebruikt als de standaardtoestand voor het bepalen van de warmtevorming van uit koolstof vervaardigde verbindingen. Het komt in de natuur voor in drie verschillende vormen: kristallijn vlokgrafiet, amorf grafiet en klomp- of adergrafiet, en wordt, afhankelijk van de vorm, gebruikt voor een aantal verschillende toepassingen.

Zoals eerder gezegd, heeft grafiet een vlakke, gelaagde structuur; elke laag bestaat uit koolstofatomen die met elkaar verbonden zijn in een zeshoekig rooster. Deze verbindingen, of covalente bindingen zoals ze technisch beter bekend zijn, zijn extreem sterk, en de koolstofatomen zijn slechts 0,142 nanometer van elkaar verwijderd. De koolstofatomen zijn met elkaar verbonden door zeer stevige sp2-hybride bindingen in een enkele laag van atomen, tweedimensionaal. Elke afzonderlijke, tweedimensionale, één atoom dikke laag van sp2 gebonden koolstofatomen in grafiet is 0,335 nm van elkaar verwijderd. In wezen bestaat de kristallijne vlokvorm van grafiet, zoals eerder vermeld, gewoon uit honderdduizenden op elkaar gestapelde afzonderlijke lagen van gekoppelde koolstofatomen.

“De eigenschappen van grafeen – transparantie, dichtheid, elektrisch en thermisch geleidingsvermogen, elasticiteit, flexibiliteit, hardheid en het vermogen om chemische reacties met andere stoffen tot stand te brengen – bieden de mogelijkheid om een nieuwe technologische revolutie te ontketenen van een omvang die groter is dan die van de elektriciteit in de 19e eeuw en de opkomst van het internet in de jaren negentig. – LarrainVial”

Grafeen

Grafeen is dus in wezen één enkele laag grafiet; een laag van sp2 gebonden koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraat (hexagonaal) rooster. Grafeen heeft echter een aantal indrukwekkende eigenschappen die die van grafiet overtreffen, omdat het geïsoleerd is van het ‘moedermateriaal’. Grafiet is van nature een zeer brosse verbinding en kan op zichzelf niet als constructiemateriaal worden gebruikt vanwege de grote vlakken (hoewel het vaak wordt gebruikt om staal te versterken). Grafeen daarentegen is het sterkste materiaal ooit gemeten, meer dan driehonderd keer sterker dan A36 constructiestaal, bij 130 gigapascal, en meer dan veertig keer sterker dan diamant.

Door de vlakke structuur van grafiet zijn de thermische, akoestische en elektronische eigenschappen ervan zeer anisotroop, wat betekent dat fononen zich veel gemakkelijker langs de vlakken verplaatsen dan wanneer zij door de vlakken proberen te reizen. Grafeen daarentegen bestaat uit één enkele laag atomen en heeft een zeer hoge elektronenmobiliteit. Het biedt een fantastisch niveau van elektronische geleiding doordat er voor elk koolstofatoom een vrij pi (π) elektron aanwezig is.

Aanbevolen producten

GFET-S10
(Die grootte 10 mm x 10 mm)
Voor Sensing-toepassingen
380.00$

Misschien bent u ook geïnteresseerd in de volgende onderwerpen

Is er iets sterker dan diamant?

Diamant blijft het meest krasbestendige materiaal dat de mensheid kent. De structuur van boornitride in zijn wurtzietconfiguratie is sterker dan die van diamant. Boornitride kan ook worden gebruikt voor de constructie van nanobuizen, aëogels en een grote verscheidenheid van andere fascinerende toepassingen.

Waarom is grafeen harder dan diamant?

Sterkte en stijfheid Maar de atomen in die lagen zijn zeer stevig aan elkaar gebonden, dus net als koolstof nanobuisjes (en in tegenstelling tot grafiet), is grafeen supersterk – zelfs sterker dan diamant! Dat komt omdat de platte vlakken van koolstofatomen in grafeen relatief gemakkelijk kunnen buigen zonder dat de atomen uit elkaar vallen.

Kan grafeen een kogel tegenhouden?

[Grafeen: Het wonderbaarlijke materiaal dat zo licht is als folie, maar een kogel kan stoppen. Ondanks dat grafeen opmerkelijk dun is, is het sterk genoeg om te beschermen tegen een kogel, volgens een verklaring die het nieuwe onderzoek beschrijft. [/color-box]

Wat is sterker dan grafeen?

Borofeen
Borofeen blijkt sterker te zijn dan grafeen, en flexibeler. Het is een goede geleider van zowel elektriciteit als warmte, en het supergeleidt ook. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de oriëntatie van het materiaal en de opstelling van de open plekken.

Is grafeen het sterkste materiaal?

Het nieuwe materiaal, een sponsachtige configuratie met een dichtheid van slechts 5 procent, kan een sterkte hebben die 10 keer die van staal is. In zijn tweedimensionale vorm wordt grafeen verondersteld het sterkste van alle bekende materialen te zijn.

Kan een kogel een diamant breken?

Het lijkt niet onredelijk om je af te vragen of diamanten kogelvrij zijn, aangezien diamant het hardste natuurlijke materiaal ter wereld is. Diamanten zijn echter niet kogelvrij in het algemeen, want hoewel zij hard zijn, zijn zij niet bijzonder taai en hun broosheid zal ertoe leiden dat zij versplinteren wanneer zij door een kogel worden getroffen.

Wat is het hardste materiaal op Aarde?

diamant
De buitenste schil van elk koolstofatoom heeft vier elektronen. In diamant worden deze elektronen gedeeld met vier andere koolstofatomen om zeer sterke chemische bindingen te vormen, wat resulteert in een extreem stijf tetrahedraal kristal. Het is deze eenvoudige, hechte verbinding die van diamant een van de hardste stoffen op aarde maakt.

Wat is er harder dan een diamant?

boron-nitride
Moissaniet, een natuurlijk voorkomend silicium-carbide, is bijna net zo hard als diamant. Het is een zeldzaam mineraal dat in 1893 door de Franse scheikundige Henri Moissan werd ontdekt bij het onderzoek van gesteentemonsters uit een meteoorkrater in Canyon Diablo, Arizona. Hexagonaal boriumnitride is 18% harder dan diamant.

Kan grafeen een mes stoppen?

Is het mogelijk om een doorzichtig grafeen film pantser te hebben dat kogels en messen kan stoppen? Nee, om de volgende drie redenen: Grafeen heeft verschrikkelijke wapeneigenschappen. De andere eigenschappen dan de treksterkte zijn vergelijkbaar met die van grafiet: zo zacht als potloodlood, bros, en met een lage afschuifsterkte.

Hoe duur is grafeen?

Grafeen kost gewoonlijk 200.000 dollar per ton. Nu kunnen wetenschappers het maken van afval. De nieuwe techniek, ontwikkeld aan de Rice Universiteit, verandert elke koolstofbron in het waardevolle 2D materiaal in slechts 10 milliseconden.

Breekt grafeen gemakkelijk?

Zhu, die samenwerkt met Jun Lou in Rice, ontdekte dat grafeen met scheurtjes tien keer zo breekbaar is als staal, en qua breuktaaiheid dichter in de buurt komt van aluminiumoxide of siliciumcarbide-keramiek. De relatief lage breuktaaiheid betekent dat er slechts een kleine scheur in een stuk grafeen nodig is om het te verzwakken.

Kan grafeen je snijden?

Nee. Grafeen is een zwak atomair dik blad van het materiaal dat zichzelf vernietigt in contact met de lucht.

Kan Titanium kogels stoppen?

Titanium kan enkele treffers opvangen van hoog kaliber kogels, maar het versplintert en wordt doorboorbaar bij meerdere treffers van militaire, pantser doorborende kogels. De meeste wapens die legaal door particulieren worden gekocht en bezeten, zullen titanium waarschijnlijk niet doorboren.

Kan Superman een diamant breken?

Superman kan een hele stad optillen en de kracht die daarvoor nodig is zou groter zijn dan de kracht die nodig is om een diamant van normale grootte te breken.

Zijn diamanten kogelvrij?

Het lijkt niet onredelijk om je af te vragen of diamanten kogelvrij zijn, aangezien diamant het hardste natuurlijke materiaal ter wereld is. Diamanten zijn echter niet kogelvrij in het algemeen, want hoewel zij hard zijn, zijn zij niet bijzonder taai en hun broosheid zal er toe leiden dat zij versplinteren wanneer zij door een kogel worden getroffen.

Vorig artikel

Wat zijn de nadelen van PLA?

Volgend artikel

Hebben de mariniers parachutisten?

You might be interested in …

Zijn sultanarozijnen gedroogde druiven?

Neem een willekeurig bakrecept waar gedroogde vruchten aan te pas komen en je kunt niet om de drie pijlers heen: rozijnen, krenten en sultana’s. Deze drie worden op grote schaal gebruikt in traditionele Britse en […]