Глава диплома по Биотехнология на тему изучение поглотительной емкости полиграфена в различных условиях.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГРАФЕНА
1.1. Особенности строения графена
Фундаментальную способность в органической химии и основу всех форм жизни на Земле представляет способность углерода к образованию сложных цепей, и это определяет уникальность его как химического элемента.
Открытие способности углерода формировать двумерную модификацию (графен) вызвало появление большого количества работ, посвященных исследованию свойств этого материала и его возможному применению [1, 3, 6, 9, 21, 22].
К пониманию того, что такое графен, наметились различные подходы. С точки зрения физики твердого тела предпринимаются попытки описания строения графена в рамках классической зонной теории. Однако, из-за малых размеров и жёсткой двумерности подвешенного однослойного графена ряд постулатов зонной теории теряют свой первоначальный смысл. В частности, некоторые авторы говорили о кристаллической структуре, называя графен кристаллом.
В валентной «зоне» графена число электронов не бесконечно, как в макрообъектах, а вполне конечно: в валентную зону каждый атом углерода (а их число ограничено – около 109) может дать только один расположенный на р-орбитали электрон, остальные три принимают участие в формировании о-остова и располагаются глубоко. Этими особенностями в рамках классической зонной теории ограничивается возможность корректно описывать графен [3].
С другой стороны, классические квантово-химические расчёты, используемые в описании электронного строения молекул, как правило, пользуются моделями, имеющими конечное числом атомов и в итоге дающими набор дискретных уровней.
По данным теории строения ароматических органических соединений в полиароматических соединениях происходит последовательное уменьшение при увеличении числа конденсированных ароматических колец разности в энергии между верхней заполненной молекулярной орбиталью и нижней вакантной молекулярной орбиталью. На основании расчетов было показано, что при комнатной температуре, если число колец менее 30, происходит исчезновение энергетической щели и в такой системе состояние электронов формально можно рассматривать как аналогичное состоянию в металлах. Эти данные хорошо согласуются с теоретически предсказанной много лет назад зонной структурой графена.
Аллотропные формы углерода до 2004 года были известны как трехмерные (3D, графит, алмаз), одномерные (1D, нанотрубки) и нульмерные (0D, фуллерены). Долго не удавалось получить экспериментальным путем двухмерные формы углерода (или 2D - графит) согласно представлениям Ландау и Пайерлса о том, что строго 2 D-кристаллы являются термодинамически неустойчивыми [3, 6, 9].
Попытки выращивания графена или же выделения его при помощи метода химического отслоения, предпринимаемые на протяжении многих лет, увенчались успехом только в 2004 году, когда удалось получить графен с использованием усовершенствованной техники микромеханического скалывания с применением обычной ленты-скотча в целях поэтапного отделения пластинок от кристаллического графита обычного строения.
Работа А. Гейма и К. Новоселова была основана на том, что в оптический микроскоп графен становится видимым, если его расположить на поверхность кремниевой подложки, имеющей определенную толщину слоя оксида кремния (SiO2), и провести сканирование подложки с целью определения кристаллов графена [20, 21].
Не вызывает сомнений тот факт, что графен является одной из интереснейших модификаций углерода. Он является самым тонким материалом: структуру графена представляет кристаллическая решетка, имеющая толщину в один атома углерода.
Графен является однослойной двумерной углеродной структурой, которая представлена правильными шестиугольниками, длина стороны которых составляет 0,142 нм, и атомами углерода в вершинах. Эта структура представляет собой составляющую кристаллического графита, в котором на расстоянии 3,4 нм друг от друга расположены такие графеновые слои.
Графен рассматривается в качестве «строительного блока» графита, нанотрубок и других углеродных материалов.
Таким образом, графен представляет собой плоскую однослойную структуру, являющуюся основой двумерных фуллеренов и нанотрубок и трехмерного графита [3, 9].
При комнатной температуре графен является устойчивым. Он механически стабилен, находясь на ровной подложке. Теоретически можно предполагать бесконечные листы графена, имеющие правильную структуру. Но реальные образцы графена обязательно имеют структурные дефекты, оказывающие значительное влияние на свойства графена и требующие тщательного изучения.
Например, вид границы образца может быть различным. Часто используется для того, чтобы охарактеризовать структуру границы графена понятие угла хиральности, который определяют как угол ориентации границы графена в отношении линии, которая образована из шестиугольников, располагающихся в области вершин и имеющих друг с другом границы.
В том случае, когда угол хиральности составляет 0º, то граница имеет зигзагообразную структуру. Если угол хиральности составляет 30º, то граница имеет кресельную структуру. Также может определяться промежуточная структура с углом хиральности от 0 до 30º.
В зависимости от характера структуры границы графена определяется анизотропия его транспортных характеристик, в результате наличия различий значений в различных направлениях постоянной решетки [3, 6, 9].
Методы синтеза, температура и другие условия определяют появление на поверхности графена различных структурных дефектов, приводящих к нарушению его свойств. Описывается наличие двух наиболее существенных дефектов: вакансионного и Стоуна-Уэльса.
Наличие вакансионного дефекта определяется отсутствием в правильной гексагональной структуре листа некоторых атомов углерода.
Дефект Стоуна-Уэльса представляет собой замену некоторых шестиугольников на пяти- или семиугольники.
Кроме подобных изменений структуры графена возможно присоединение к поверхности графена радикала, атома или функциональной группы, например, атома водорода или гидроксогруппы.
Взаимодействием с атомом водорода образуется гидрогенизированная модификация графена – графан. Присоединение водорода к графену вызывает деформацию моноатомного графитового слоя, который первоначально является плоским, поскольку в новой решетке гибридизация всех атомов углерода изменяется на тетраэдрическую sp3 с плоской sp2. Из проводника графена в результате данной модификации структуры получается диэлектрик графан [1, 2, 9].
В этом открытии ведущим моментом учеными считается тот факт, что оно показало, что применение не очень сложных химических реакций позволяет получить модификации графена, а значит, на его основе создавать новые производные материалы, обладающие новыми полезными свойствами. Ведь в результате любых изменений в структуре возникают в гексагональной ячейке графена изменения расстояний между атомами, а значит, видоизменяется его плоская структура и свойства.
Кроме того, графен представляет из себя один из наиболее прочных материалов, и к механическим воздействиям его устойчивость сопоставима с устойчивостью алмаза, но графен обладает при этом хорошей гибкостью и легко может быть свернут в трубочку, что для изготовления нанотрубок делает его идеальным материалом, поскольку нанотрубки могут применяться для моделирования различных процессов, происходящих в природе [1, 2].
Ещё один эффект, который обусловливает характер в графене носителей заряда, взаимосвязан с наличием спиральности, что определяет существование так называемой киральной симметрии.
В однослойном и двухслойном графене киральная природа электронных состояний имеет большое значение при прохождении через потенциальный барьер электрона (туннельный эффект).
Нанографиты характеризуются наличием многих особенностей, где играет очень важную роль в определении электронной структуры наносистем вид и форма границ из атомов углерода, и по они могут быть свойствам полупроводниковыми, металлическими, антиферромагнитными, ферромагнитными. В некоторых случаях они могут обладать характеристиками диэлектриков. Такая вариабельность свойств представлет собой необходимое условие для создания из одного и того же материала в электронной технике наноструктурных устройств и приборов.
Полиграфен (нанографит) рассматривается как тонкая стопка графеновых плоскостей, которые характеризуются наличием гексагональной сетки атомов углерода. Характерная особенность такой сетки представлена так называемыми краевыми состояниями. В отличие от имеющих замкнутую электронную систему фуллеренов и нанотрубок нанографиты обладают π-электронной системой, окаймленной по краям цепочкой атомов углерода, напоминающей по форме линию «зигзаг» или «подлокотник кресла» [1, 2, 6].
Особенными края типа зигзаг считаются в том смысле, что они характеризуются возникновением сильно локализованных электронных состояний, которые определяются как краевые состояния. В краях, где атомы углерода располагаются по линии подлокотник кресла, такие электронные состояния не определяются.
Нанографиты представляют собой блоки, являющиеся составными частями пористых углеродных материалов. Получаемые из полимерных