Графенът е ароматно съединение. Той е алотропна форма на въглерода и двумерен вариант на тримерния графит.
Образува се от чист карбон с атоми, подредени в шестоъгълни клетки. Образуването на петоъгълни и седмоъгълни клетки представлява дефект, а когато има налице 12 петоъгълника, тогава можем да говорим за фулерени. Именно когато е спазена структурата от атоми, подредени в шестоъгълни клетки, тогава можем да говорим за графен.
Графенът може да се разглежда само като съвкупност от шестоъгълни клетки в една равнина, тъй като връзките между самите шестоъгълни клетки са причините за специфичните свойства на това уникално вещество. Казано по друг начин – графенът е графен, когато се разглеждат много взаимно свързани слоеве. Ако се разглежда само една клетка не може да се говори за графен, тъй като структурата би била тримерна, която е типична за графита.
Запазване на структурата на графена
Когато структурата, връзките между шестоъгълните клетки се промени значително, тогава не можем да говорим за идеален графен. Идеалният графен е изграден само от шестоъгълни клетки в една равнина. Ако например вмъкнем една петоъгълна или седмоъгълна клетка, която да бъде изолирана, тогава това би повлияло на структурата – би я изкривило. Тогава не можем да говорим за идеален графен, тъй като свойствата на въпросното вещество няма да бъдат тези, които очакваме.
Графенът е лек! Като цяло веществата, съставени от въглерод са леки – това важи и за графена. Знаете ли, че 1m2 графен тежи само 0.77 mg? Графенът е изключително твърдо вещество. То може да бъде до 200 пъти по-твърдо от стоманата.
Освен, че има изключително висока твърдост и лекота, графенът е еластичен, може да се деформира при промяна в темперетурата, има оптични свойства и не на последно място – електропроводимост Всички тези свойства разширяват спектъра, в който може да бъде приложено това вещество.
Електронни свойства
Графенът се различава от повечето конвенционални 3D материали. Същинският графен е полуметал/полупроводник. Разбирането на електронната структура на графена е ключът за разбиране на връзките между различните клетки.
Още през 1947 специалистът P. R.Wallace е установил, че E-K връзката в графена е линейна за ниски енергии, намиращи се в близост до шестте ъгли на шестоъгълната 2D област, наречена зона на Brillouin, водеща до ефективна маса (физика на твърдото тяло) за електрони и дупки.
Поради тази линейна дисперсия, електрони и дупки, намиращи се в близост до шестте ъгли, се държат като релавистични частици, описани по уравнението на Дирак за въртене на -1/2 частици.Следователно тези електрони и дупки са наречени фермиони на Дирак, а шестте ъгли на зоната на Brillouin, са наречени точки на Дирак.
Електронен транспорт
Експериментални резултати от измервания скоростта на транспорт на електрони на стайна темперетура показват, че графенът има забележителна електронна мобилност, със стойности в излишък от тип на 15,000 cm2·V−1·s−! Също така симетрията на измерената електропроводимост показва, че мобилността за дупки и електрони е почти същата, което е забележително! Въпреки почти нулевото съпротивление, в близост до точките на Дирак, графенът има минимална електропроводимост от 4 електронволта на час. Причината за тази минимална електропроводимост все още е неясна.
Химични добавки
Скорошни изследвания доказаха, че добавянето на вещества с цел повишаване електропроводимостта има минимално влияние върху преноса на електрони, без значение количеството на добавеното вещество. Все пак трябва да се има предвид, че тези неща се изследват отскоро и е възможно да бъде открита „слабост“ на графена, която да позволява промяната на тези свойства. Според учените причина за слабото или никакво влияние на добавките е силната връзка между клетките на графена, но в момента се изследва точно това – как може да й се повлияе.
Графенът в интегрални схеми
Графенът има идеални свойства, за да стане отличен компонент на интегрални схеми. Той има висока скорост на пренос на електрони, не създава висок шум, През 2010 година IBM обявиха, че вече са създали транзистори от графен, които могат да работят на честоти от няколко GHz. През 2011 година IBM обявиха, че са успели да създадат първата интегрална схема, която може да поддържа чипове до 10 GHz. Уникалното в тази платка е не само високата скорост, а фактът, че същата може да работи на темперетура 127 градуса по Целзий, без това да се отрази на нейната физическа цялост.
Това означава, че в бъдеще ще можем да имаме много по-леки дънни платки за своите компютри, които не само ще бъдат изключително леки и далеч по-здрави, а и няма да имат нужда от охлаждане, тъй като няма компютърен чип, който да работи на такава темперетура, а освен това темперетурата на новите устройства непрекъснато пада (което е нещо добро).
Електрохромни устройства
За направата им най-често се ползва веществото графенен оксид. Те имат контролирана редукция и контролирано окисление.
Батерии, заместител, слънчеви панели Графенът има висока ефективност в батериите и повишава тяхната енергоносимост и издръжливост.
Също така има над 10 пъти по-добра проводимост от силиция, което го прави идеален заместител на силиката в силициевите чипове. Именно това му свойство позволява ползването му за изработка на суперкондензатори. Като суперкондензатор графенът е по-евтин от други добри проводници като златото, което е на висока цена.
Именно златото е причината най-добрите компютърни чипове, смесени със силикато да имат по-висока цена. Ползването на графена ще опрости, подобри и ще направи процесът по производството на тези устройства по-евтин. Същевременно ще ползваме по-малко енергия (което ще се отрази благоприятно на световната икономика и на планетата) поради ниското съпротивление.
Тези свойства са благоприятни за производството на соларни клетки, които досега се произвеждаха от силикон. С графен клетките имат до 60 % ефективност, докато тези от силикон имат до 30 % ефективност.
Други приложения
Поради своята здравина, издръжливост и проводимост графенът се може да се ползва като доста по-добра алтернатива на текущите вещества. Такова приложения може да бъде в самолетостроенето, всякакви електронни устройства, био устройства, медицински устройства (машини, високотехнологични скенери, лазери) и още безброй много устройства.
Бъдещето
Графенът има потенциала да промени нашия свят из основи. Вземете например производството на автомобили – преминаване на електрически двигатели, направени от супенкондензатори (като графена) би намалило драстично времето за производство на автомобили, би намалило броя на частите им от 5 000 на 100, би ги направило по-тихи, по ефективни. А литиево-йонните батерии, които ползваме за своите телефони, компютри, устройства? Забравете за тях. Графенът е далеч по-ефективен – представете си няколко пъти по-леко устройство с батерия, издържаща минимум 10 пъти повече време (процесът все още не е напълно проучен – най-вероятно батериите ще бъдат дори по-ефективни). Представете си, че рамката на вашето колело е до 200 пъти по-здрава, а тежи по-малко от килограм. Или пък опитайте да счупите графеновата рамка на своите очила с чук – няма да можете, защото графенът е в пъти по-здрав.•Представете си по-здрави и леки конструкции на сгради или леки и изключително здрави оръжия, ножове от графен. Това е малка част от приложенията на това изключително вещество.