Графин (вещество)

Графи́н, аллотропная модификация углерода, состоящая из атомов углерода, соединённых между собой sp- и sp² -связями, представляющая собой плоский слой толщиной в один атом.

Различают три основные структуры графина: α-графин, у которого каждый трёхкоординированный атом в состоянии sp² -гибридизации заменён на 3 карбиновые цепочки (цепочка из атомов углерода, соединённых между собой тройной –С≡С–С≡С– или двойной кумулированной =С=С=С=С= связью), β-графин – на 2 карбиновые цепочки и γ-графин – на 1 цепочку. γ-графин является самой распространённой структурой. γ-графин можно представить, как молекулы бензола, соединённые между собой ацетиленовыми связями. Гибридизация графина смешанная и в зависимости от количества ацетиленовых связей находится в пределах от 1 до 2.

Возможность существования аллотропного соединения углерода было предсказано ещё в 1968 г. А. Т. Балабаном, но до настоящего времени удалось синтезировать лишь небольшие молекулярные фрагменты графина в малых количествах. Получаемые образцы графина нестабильные, легко агрегируют и сворачиваются. Методы синтеза графина можно разделить на две группы: сухие методы (детонационный синтез, химическое осаждение из газовой фазы) и жидкофазные (синтез на Cu подложке, темплатный синтез, межфазный метод и др.). Механохимический синтез может быть отнесён к обеим группам. Наиболее подходящими методами для синтеза графина в больших количествах являются детонационный и механохимический синтез. В качестве прекурсоров при синтезе графина используют бензол, гексабромбензол, гексаэтинилбензол, карбид кальция и др.

Графин отличается по свойствам от графена из-за наличия тройных связей в структуре графина:

1) увеличивается пористость материала, причём возможно регулировать размер пор за счёт варьирования количества тройных связей, что открывает возможности для создания высокоэффективных и высокоселективных фильтров и адсорбентов;

2) увеличение количества тройных связей приводит к уменьшению количества атомов углерода на единицу площади, т. е. плотность графина меньше плотности графена;

3) длина тройных связей меньше, и, следовательно, энергия связи больше, что оказывает большое влияние на механические свойства графина;

4) увеличивается общее число π-связей, что влияет на электронную структуру графина, его электронные и теплофизические свойства.

За счёт особенностей своей структуры графин обладает уникальными физическими и химическими свойствами – неравномерно распределённой электронной структурой, регулируемой шириной запрещённой зоны, высокой подвижностью носителей, равномерно распределёнными порами и др.

Согласно расчётам методами молекулярной динамики и функционала плотности графин обладает шириной запрещённой зоны 0,44–2,23 эВ, подвижностью носителей порядка 10⁴ см² /В∙с, модулем упругости 162 Н/м и коэффициентом Пуассона 0,429. Получение экспериментальных данных затруднено сложностью получения стабильных плёнок графина.

Данные свойства открывают возможности для использования графина в медицине, электронике, для накопления, хранения и преобразования энергии, в катализе, для производства суперконденсаторов, химических сенсоров, в качестве наполнителя в композиционных материалах и т. д.