الجرافين ، وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون البلوري ، إما طبقة واحدة من ذرات الكربون التي تشكل شبكة شعرية (سداسية الشكل) أو عدة طبقات مقترنة من بنية قرص العسل هذه. تشير كلمة الجرافين ، عند استخدامها دون تحديد الشكل (على سبيل المثال ، الجرافين ثنائي الطبقات ، الجرافين متعدد الطبقات) ، إلى الجرافين أحادي الطبقة. الجرافين هو شكل رئيسي لجميع الهياكل الجرافيكية للكربون: الجرافيت ، وهو بلورة ثلاثية الأبعاد تتكون من طبقات الجرافين المقترنة ضعيفة نسبيًا ؛ الأنابيب النانوية ، التي يمكن تمثيلها كمخطوطات من الجرافين ؛ وكرات buckyballs ، جزيئات كروية مصنوعة من الجرافين مع استبدال بعض الحلقات السداسية بحلقات خماسية.
الدراسات الأولى للجرافين
بدأ الفيزيائي فيليب ر. والاس الدراسة النظرية للجرافين عام 1947 كخطوة أولى لفهم البنية الإلكترونية للجرافيت. تم تقديم مصطلح الجرافين من قبل الكيميائيين هانس بيتر بوم ، رالف سيتون ، وإبرهارد ستومب في عام 1986 كمزيج من كلمة الجرافيت ، في إشارة إلى الكربون في شكله البلوري المرتبط ، واللاحقة إييني ، في إشارة إلى الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات التي تشكل ذرات الكربون هياكل سداسية أو سداسية الحلقات.
في عام 2004 قام علماء الفيزياء بجامعة مانشستر كونستانتين نوفوسيلوف وأندريه جايم وزملاؤه بعزل الجرافين أحادي الطبقة باستخدام طريقة بسيطة للغاية للتقشير من الجرافيت. استخدمت "طريقة الشريط الاسكتلندي" الشريط اللاصق لإزالة الطبقات العليا من عينة من الجرافيت ثم قم بتطبيق الطبقات على مادة الركيزة. عندما تمت إزالة الشريط ، بقي بعض الجرافين على الركيزة في شكل طبقة واحدة. في الواقع ، لا يعد اشتقاق الجرافين مهمة صعبة في حد ذاته ؛ في كل مرة يرسم فيها شخص ما قلم رصاص على الورق ، يحتوي أثر قلم الرصاص على جزء صغير من الجرافين أحادي الطبقة ومتعدد الطبقات. لم يكن إنجاز مجموعة مانشستر هو عزل رقائق الجرافين فحسب ، بل أيضًا دراسة خصائصها الفيزيائية. على وجه الخصوص ، أظهروا أن الإلكترونات في الجرافين تتمتع بحركة عالية جدًا ، مما يعني أنه يمكن استخدام الجرافين في التطبيقات الإلكترونية. في عام 2010 ، تم منح Geim و Novoselov جائزة نوبل للفيزياء لعملهما.
في هذه التجارب الأولى ، كانت الركيزة للغرافين مغطاة بالسيليكون بشكل طبيعي بطبقة شفافة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون. اتضح أن الجرافين أحادي الطبقة خلق تباينًا بصريًا مع ثاني أكسيد السيليكون الذي كان قويًا بما يكفي لجعل الجرافين مرئيًا تحت مجهر ضوئي قياسي. هذه الرؤية لها سببين. أولاً ، تتفاعل الإلكترونات في الجرافين بقوة شديدة مع الفوتونات في ترددات الضوء المرئية ، وتمتص حوالي 2.3 في المائة من كثافة الضوء لكل طبقة ذرية. ثانيًا ، يتم تعزيز التباين البصري بقوة من خلال ظواهر التداخل في طبقة ثاني أكسيد السيليكون ؛ هذه هي نفس الظواهر التي تخلق ألوان قوس قزح في الأغشية الرقيقة مثل الصابون أو الزيت على الماء.
