Helmichs Chemie-Lexikon

Graphen

Struktur

Graphen ist eine Kohlenstoff-Modifikation, bei der jedes C-Atom mit drei anderen C-Atomen kovalent verbunden ist. Die C-Atome sind durchweg sp2-hybridisiert, daher betragen die C-C-Bindungswinkel im Graphen 120º, und alle C-Atome liegen in einer Ebene. Die pi-Elektronen der pz-Orbitale befinden sich oberhalb und unterhalb dieser Schicht und sind - wie im Graphit - delokalisiert.

Im Grunde ist Graphen nichts anderes als eine einzelne Graphit-Schicht.

siehe folgenden Text

Graphen, C-Atome mit eingezeichneten p-Orbitalen.
Autor: Ulrich Helmich 08/2024, Lizenz: Public domain

Wenn man jetzt mit einem Molekülbaukasten versucht, ein Graphen-Modell zu bauen, ist das kein Problem, solange man genug C-Atome und Verbindungsstücke hat. An den Außenflächen des Modells gibt es dann allerdings ein Problem: Jedes C-Atom hat dann ja eine ungesättigte freie Bindung. Echtes Graphen ist also an den Rändern mit anderen Atomen verbunden. Wegen der geringen Anzahl der Außenatome im Vergleich zu den inneren C-Atomen beeinflussen diese Fremdatome aber nicht die Eigenschaften des Graphens.

Zur Herstellung von Graphen siehe den Abschnitt "Herstellung" im Wikipedia-Artikel über Graphen.

Eigenschaften

Graphen ist eine Kohlenstoff-Modifikation mit sehr ungewöhnlichen Eigenschaften. Zum Beispiel ist die Zugfestigkeit von Graphen ca. 125 mal höher als die von Stahl.

"These experiments establish graphene as the strongest material ever measured, and show that atomically perfect nanoscale materials can be mechanically tested to deformations well beyond the linear regime." [2]

Da Graphen nur aus einer einzigen Schicht von Benzolringen besteht, ist das Gewicht von Graphen-Flächen extrem gering. Ein Quadratkilometer Graphen würde nur 757 Gramm wiegen. Allerdings haben die größten bisher produzierten Graphen-Blätter nur eine Breite von 70 cm [3].

Wegen der vielen überlappenden p-Orbitale und der delokalisierten Elektronen ist Graphen ein sehr guter elektrischer Leiter. Man versucht inzwischen sogar, Transistoren aus Graphen herzustellen, mit denen Computer dann Taktraten von 500 bis 1000 GHz haben können [1].

Viele weitere Eigenschaften, die allerdings eher für Physiker interessant sind, finden sich in dem Wikipedia-Artikel "Graphen" sowie in dem Scinexx-Dossier "Graphen - Wundermaterial in zwei Dimensionen".

Quellen:

  1. Wikipedia, Artikel "Graphen", abgerufen am 19. Mai 2020.
  2. Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone: Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. In: Science. Band 321, Nr. 5887, 2008, S. 385–388
  3. Graphen - Wundermaterial in zwei Dimensionen. Dossier auf www.scinexx.de vom 16. Mai 2014, aufgerufen am 19. Mai 2020.