Graphene, μια δισδιάστατη μορφή κρυσταλλικού άνθρακα, είτε ένα μονό στρώμα ατόμων άνθρακα που σχηματίζει ένα κυψελωτό (εξαγωνικό) πλέγμα ή αρκετά συζευγμένα στρώματα αυτής της δομής κηρήθρας. Η λέξη γραφένιο, όταν χρησιμοποιείται χωρίς να προσδιορίζεται η μορφή (π.χ., διπλό στρώμα γραφένιο, πολυστρωματικό γραφένιο), συνήθως αναφέρεται σε μονό στρώμα γραφένιο. Το γραφένιο είναι μια μητρική μορφή όλων των γραφικών δομών άνθρακα: γραφίτη, ο οποίος είναι ένας τρισδιάστατος κρύσταλλος που αποτελείται από σχετικά ασθενώς συζευγμένα στρώματα γραφενίου. νανοσωλήνες, οι οποίοι μπορούν να αναπαρασταθούν ως κύλινδροι γραφενίου. και buckyballs, σφαιρικά μόρια κατασκευασμένα από γραφένιο με μερικούς εξαγωνικούς δακτυλίους που αντικαθίστανται από πενταγωνικούς δακτυλίους.
Πρώτες μελέτες του γραφενίου
Η θεωρητική μελέτη του γραφενίου ξεκίνησε το 1947 από τον φυσικό Philip R. Wallace ως πρώτο βήμα για την κατανόηση της ηλεκτρονικής δομής του γραφίτη. Ο όρος γραφένιο εισήχθη από τους χημικούς Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton και Eberhard Stumpp το 1986 ως συνδυασμός της λέξης γραφίτη, που αναφέρεται στον άνθρακα στην ταξινομημένη κρυσταλλική του μορφή, και το επίθημα -ene, αναφέρεται σε πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες στους οποίους τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν εξαγωνικές, ή έξι όψεις, δακτυλίους δομές.
Το 2004, οι φυσικοί του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, Konstantin Novoselov και Andre Geim και οι συνεργάτες τους, απομόνωσαν γραφένιο μονής στιβάδας χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά απλή μέθοδο απολέπισης από γραφίτη. Η «μέθοδος κολλητικής ταινίας» χρησιμοποίησε κολλητική ταινία για να αφαιρέσει τα ανώτερα στρώματα από ένα δείγμα γραφίτη και στη συνέχεια να εφαρμόσει τα στρώματα σε ένα υλικό υποστρώματος. Όταν αφαιρέθηκε η ταινία, κάποιο γραφένιο παρέμεινε στο υπόστρωμα σε μορφή ενός στρώματος. Στην πραγματικότητα, η παραγωγή γραφενίου δεν είναι από μόνη της δύσκολη εργασία. κάθε φορά που κάποιος σχεδιάζει με ένα μολύβι σε χαρτί, το ίχνος μολυβιού περιέχει ένα μικρό κλάσμα μονόχρωμου και πολυστρωματικού γραφενίου. Το επίτευγμα του ομίλου Μάντσεστερ δεν ήταν μόνο η απομόνωση των νιφάδων γραφενίου αλλά και η μελέτη των φυσικών τους ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, έδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια στο γραφένιο έχουν πολύ υψηλή κινητικότητα, πράγμα που σημαίνει ότι το γραφένιο θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρονικές εφαρμογές. Το 2010 οι Geim και Novoselov απονεμήθηκαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τη δουλειά τους.
Σε αυτά τα πρώτα πειράματα, το υπόστρωμα για γραφένιο καλύφθηκε φυσικά από ένα λεπτό διαφανές στρώμα διοξειδίου του πυριτίου. Αποδείχθηκε ότι το μονόστρωμα γραφένιο δημιούργησε μια οπτική αντίθεση με το διοξείδιο του πυριτίου που ήταν αρκετά ισχυρό για να κάνει το γραφένιο ορατό κάτω από ένα τυπικό οπτικό μικροσκόπιο. Αυτή η ορατότητα έχει δύο αιτίες. Πρώτον, τα ηλεκτρόνια σε γραφένιο αλληλεπιδρούν πολύ έντονα με τα φωτόνια στις ορατές φωτεινές συχνότητες, απορροφώντας περίπου 2,3 τοις εκατό της έντασης του φωτός ανά ατομικό στρώμα. Δεύτερον, η οπτική αντίθεση ενισχύεται έντονα από φαινόμενα παρεμβολών στο στρώμα διοξειδίου του πυριτίου. Αυτά είναι τα ίδια φαινόμενα που δημιουργούν χρώματα ουράνιου τόξου σε λεπτές μεμβράνες όπως φιλμ σαπουνιού ή λάδι στο νερό.
