3.3 Grafén og karbonnanostrukturer

Grafén og karbonnanostrukturer

Karbon er et av de mest allsidige grunnstoffene i periodesystemet. I tillegg til de velkjente formene diamant og grafitt, finnes en hel familie av karbonnanostrukturer som har revolusjonert materialvitenskapen siden oppdagelsen av fullerener i 1985.

Disse nanostrukturene — fullerener, karbonnanorør og grafén — deler det samme grunnleggende byggeelementet: et heksagonalt nettverk av $sp^2$-hybridiserte karbonatomer. Men ved å variere geometrien — lukke nettverket til en kule, rulle det til et rør, eller holde det flatt — oppnår man vidt forskjellige egenskaper.

Grafén, som er et enkelt atomlag av karbon i et bikakemønster, ble isolert for første gang i 2004 av Andre Geim og Konstantin Novoselov, som fikk Nobelprisen i fysikk for dette i 2010. Materialet har siden blitt kalt et «vidundermateriale» på grunn av sine ekstreme egenskaper.

Fra grafitt til grafén

Grafén er egentlig ikke noe nytt materiale — det har alltid eksistert som de individuelle lagene i grafitt. Det revolusjonerende var at Geim og Novoselov klarte å isolere et enkelt atomlag og vise at det var stabilt ved romtemperatur.

Metoden de brukte var overraskende enkel: de presset et stykke grafitt mot vanlig kontortape, rev tapen av (og tok med seg noen grafénlag), og gjentok prosessen til bare et enkelt lag gjenstod. Denne «teip-metoden» (mekanisk eksfoliering) ga grafénflak av svært høy kvalitet, men bare i mikrometerstørrelse.

Bindingsstruktur i grafén:
Hvert karbonatom i grafén er bundet til tre naboer gjennom sterke kovalente $\sigma$-bindinger. Bindingslengden C–C er 0,142 nm (mellom enkeltbinding 0,154 nm og dobbeltbinding 0,134 nm), noe som reflekterer den delokaliserte $\pi$-bindingen.

Grafénets styrke kommer fra $\sigma$-bindingene — de er blant de sterkeste kjente kjemiske bindinger. $\pi$-bindingene gir de elektriske egenskapene: elektronene i $\pi$-systemet er delokaliserte over hele arket og kan bevege seg fritt, noe som gjør grafén til en utmerket leder.

Grafénets ekstraordinære egenskaper

Grafén holder en rekke rekorder blant kjente materialer:

Elektriske egenskaper:
Elektronmobiliteten i grafén er opptil $200\,000\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$ ved romtemperatur, over 100 ganger høyere enn i silisium. Elektronene i grafén oppfører seg som masseløse Dirac-fermioner — de beveger seg med en effektiv «lyshastighet» på ca. $10^6$ m/s (300 ganger langsommere enn lys i vakuum, men ekstremt raskt for elektroner i et fast stoff).

Mekaniske egenskaper:
Grafén er det sterkeste materialet noensinne målt. Strekkfastheten er ca. 130 GPa, og Youngs modul (elastisitetsmodulen) er ca. 1 TPa. Et grafénark på 1 m² veier bare 0,77 mg, men kan bære en vekt på ca. 4 kg før det ryker — dette beskrives populært som at en «hengekøye av grafén kan bære en katt».

Termiske egenskaper:
Termisk ledningsevne opptil 5000 W/(m·K), høyere enn diamant og kobber.

Optiske egenskaper:
Et enkelt lag grafén absorberer nøyaktig $\pi\alpha \approx 2{,}3\,\%$ av gjennomgående hvitt lys, der $\alpha \approx 1/137$ er finstrukturkonstanten. Dette er en bemerkelsesverdig sammenheng mellom et rent kvantemekanisk fenomen og en makroskopisk optisk egenskap.

Overflate:
Grafén har den høyeste mulige overflate-til-masse-forholdet av alle materialer — hele $2630\text{ m}^2/\text{g}$ — fordi hvert atom er et overflateatom.

Fullerener

Fullerener er lukkede, hule karbonmolekyler. Den mest kjente er buckminsterfullerén ($\text{C}_{60}$), oppkalt etter arkitekten Buckminster Fuller som designet geodetiske kupler med lignende struktur. Molekylet kalles også «buckyball» eller «fotballmolekyl».

$\text{C}_{60}$ ble oppdaget i 1985 av Harold Kroto, Robert Curl og Richard Smalley ved å fordampe grafitt med en kraftig laser. De tre fikk Nobelprisen i kjemi i 1996 for denne oppdagelsen.

Struktur:
$\text{C}_{60}$ har 60 karbonatomer arrangert i 20 heksagoner og 12 pentagoner — nøyaktig som en fotball. Diameteren er ca. 0,71 nm. Hvert karbonatom er $sp^2$-hybridisert og bundet til tre naboer, men overflaten er buet (ikke flat som i grafén).

Eulers polyederformel forteller oss at en lukket polyeder med bare pentagoner og heksagoner alltid trenger nøyaktig 12 pentagoner (mens antall heksagoner kan variere). Det finnes derfor fullerener av mange størrelser: $\text{C}_{70}$, $\text{C}_{76}$, $\text{C}_{84}$, osv.

Egenskaper og anvendelser:
- Endohedralt fulleren: Atomer eller små molekyler kan innkapsles inne i det hule $\text{C}_{60}$-buret — notasjon: $\text{X@C}_{60}$. Eksempler: $\text{La@C}_{82}$ brukes i MR-kontrastmidler.
- Organiske solceller: $\text{C}_{60}$ og derivater (spesielt PCBM) brukes som elektronakseptor i organiske solceller.
- Smøremiddel: Sfærisk form gjør fullerener til potensielle molekylære «kulelager».
- Antioksidanter: Fullerener kan nøytralisere frie radikaler ved å reagere med dem på overflaten.

Karbonnanorør — syntese og anvendelser

Karbonnanorør ble første gang observert av Sumio Iijima i 1991 som fletveggende rør i sot fra bueladning. Siden da har det blitt et av de mest intensivt studerte nanomaterialene.

Syntesemetoder:
- Bueladning (arc discharge): Høy strøm mellom to grafittelektroder i inert atmosfære. Gir CNT av høy kvalitet, men blandet med andre karbonformer.
- Laserablasjon: En kraftig laser fordamper grafitt i en ovn. Gir hovedsakelig SWCNT.
- Kjemisk dampavsetning (CVD): En gass med karbon (f.eks. metan) strømmer over metallkatalysatorer (Fe, Co, Ni) ved 600–1200 °C. Den mest skalerbare metoden.

Sentrale anvendelser:

1. Komposittmaterialer: CNT tilsettes i polymerer, keramikk og metaller for å forbedre styrke, stivhet og elektrisk ledningsevne. Brukes i sportsutstyr (tennisracketer, sykkelrammer), romfartskomponenter og bilindustri.

2. Elektronikk: CNT-baserte transistorer kan potensielt erstatte silisium i fremtidige prosessorer. Et team ved MIT demonstrerte i 2019 en enkel 16-bits mikroprosessor basert utelukkende på karbonnanorørtransistorer.

3. Energi: CNT brukes som elektrodemateriale i superkondensatorer og litiumionbatterier for å øke overflatearealet og elektrisk ledningsevne. De forbedrer også ytelsen til brenselsceller.

4. Filtre og membraner: Vertikalt justerte CNT-membraner kan filtrere vann med ekstremt høy gjennomstrømming og lav energibruk, fordi vann beveger seg nesten friksjonsfritt gjennom de glatte, hydrofobe kanalene.

5. Romheis-konseptet: Karbonnanorørs høye strekkfasthet-til-vekt-forhold gjør dem til det eneste kjente materialet som teoretisk er sterkt nok til å bygge en romheis — et kabel fra jordoverflaten til geostasjonær bane. I praksis er defektfrie CNT-fibre av tilstrekkelig lengde foreløpig uoppnåelig.

Oppsummering

- Karbon danner en rekke nanostrukturer basert på $sp^2$-hybridisering: fullerener (0D), karbonnanorør (1D) og grafén (2D).
- Grafén er det sterkeste (130 GPa), tynneste (0,34 nm) og mest ledende ($200\,000\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$) materialet kjent. Det er en nullgap-halvleder, som er en utfordring for transistorbruk.
- Fullerener ($\text{C}_{60}$) er sfæriske karbonmolekyler med 12 pentagoner og 20 heksagoner, nyttige i organiske solceller og som nanoskala beholdere.
- Karbonnanorør kombinerer ekstraordinær styrke (50 GPa), lav vekt ($1{,}3\text{ g/cm}^3$) og variabel ledningsevne styrt av kiraliteten. Viktige i kompositter, elektronikk og energilagring.
- Alle tre deler det samme $sp^2$-karbonnettverket med delokalisert $\pi$-system — geometrien bestemmer egenskapene.