با وجود اینکه شناخت گرافن به چهار قرن قبل از میلاد مسیح برمی گردد (حدود ۶۰۰۰ سال قبل) ولی تحقیقات بر روی گرافن تنها حدود چهل سال قدمت دارد و به اوایل دهه ۷۰ میلادی می رسد. این پژوهش در قرن بیستم به آرامی رشد کرد و تا قبل از ۲۰۰۴ روش های متفاوتی برای تولید گرافن گزارش شد ولی هیچکدام از آنها موفق به ساخت گرافن تک لایه نشد. در سال۲۰۰۴ جیم و همکارانش در دانشگاه منچستر موفق به ساخت گرافن و دیگر کریستال های دوبعدی شدند که قبلا تصور بر این بود که به لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار است و نمی تواند تحت شرایط محیط دوام داشته باشد. خواص الکتریکی، نوری، حرارتی و مغناطیسی گرافن زمینه ای جدید برای تحقیقات ایجاد کرده است.تهیه گرافن تک لایه از گرافیت منجر به دریافت جایزه فیزیک نوبل در سال ۲۰۱۰ میلادی برای آندره جیم و همکارنش گردید.حجم بالای تحقیقات در سال های اخیر نشان از اهمیت بسیار زیاد آن برای جامعه علمی صنعتی جهان می باشد.گرافن به عنوان باریک ترین ماده جهان در یک صفحه مسطح با ضخامت یک اتم به صورت شبکه لانه زنبوری تشکیل شده که به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصر بفرد تبدیل شده است. در گرافن هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر برابر وͦ ۱۲۰ است. در این حالت، اتم های کربن در وضعیتی قرار می گیرند که شبکه ای از شش ضلعی های منتظم را در حالت ایده آل ایجاد می کند. طول پیوند کربن-کربن sp2 تقریبا ۰٫۱۴۲ نانومتر است. محققان ضخامت لایه گرافن را حدود ۱-۰٫۳۵ نانومتر مربوط به بستر Sio2 است. غیر از گرافن تک لایه و دو لایه، لایه های گرافنی از ا ه به نام گرافن کم لایه و بین ۱۰ تا ۳۰ لایه به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم و یا نانو بلور های نازک گرافیتی می شناسند.
گرافن
گرافن واحد ساختاری اساسی برخی از آلوتروپ های کربن از جمله گرافیت، نانو لوله های کربنی و فولرن است. دانشمندان معتقدند که گرافن از حلقه های بنزن که اتم هیدروژن خود را از دست داده تشکیل شده است. نورد کردن گرافن در جهت طولی میتواند باعث تولید نانو لوله های کربنی شود.فولرن نیز از پیچیدن گرافن بدست می آید.در سال ۱۹۴۰ نظریه ای به وجود آمد که گرافن واحد ساختاری اساسی بلوک های گرافیت را تشکیل می دهد[۳۶,۳۵,۳]. گرافن اکسید به عنوان یکی از آلوتروپ های کربن بین دسته های گرافیتی و تک لایه گرافن قرار گرفته که با گروه های عاملی حاوی اکسیژن نظیر کربوکسیل، هیدورکسیل و اپوکسی می تواند برهم کنش های مناسبی در محیط هایی با ماهیت قطبی داشته باشد. به عنوان مثال گرافن اکسید به خوبی در محیط های آبی به صورت پایدار (پایداری الکترواستاتیک) پخش می شود.در نتیجه گرافن اکسید به عنوان ترکیبی پر کاربرد در تهیه نانو کامپوزیت های گرافنی( به خصوص پلیمر های قطبی و آب دوست) استفاده می شود، اما به دلیل اینکه عموما پلیمر های آلی با محیط های آبی سازگار نبوده و از طرفی نانو کامپوزیت های تقویت شده با گرافن اکسید خواص هدایتی ضعیفی دارند، نیاز به احیا سطح کرافن اکسید و یا اصلاح خواص سطحی لایه های گرافنی جت بهبود کیفیت سطح تماس و بهبود برهمکنش فیلر پلیمر، و همچینین موجب تقویت خواص نانو کامپوزیت های پایه گرافنی می شود.[۳۷,۳۲] مدول الاستیک گرافن در حدود TPa1 و استحکام نهایی آن GPa130 می باشد. تک لایه گرافن مستحکم ترین ترکیب تولید شده تا کنون است .[۳۳] این خواص مکانیکی عالی در ترکیب با سطح ویژه بالای گرافن (سطح ویژه به صورت نظری m2/g2600 (است.که این نشان می دهد نانو صفحات گرافن می تواند موجب بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمر ها شود.[۳۴] از دیگر خواص گرافنمی توان به مشاهده اثر کوانتومی هال در دمای اتاق ،تحرک الکترونی بسیار بالا و مسیر پویش آزاد الکترونی طولانی، ابر رسانای گرمایی، انعطاف پذیری، جذب برخی از یون های فلزی، و ویژگی کاتالیستی به عنوان ویژگی های قابل توجه گرافن نام برد.
سطح ویژه بالا و نیروی برهمکنش واندروالسی قوی و عدم تمایل به پراکندگی در بیشتر محیط های آلی باعث می شود که لایه های گرافن تمایل زیادی برای چسبیدن مجدد به یکدیگر داشته باشند تا انرژی سطحی خود را کاهش دهند و درنتیجه منجر کلوخگی و توزیع نا مناسب ذرات و و جدایی فازی ماتریس پلیمری و نانو ذرات می شودکه جلوگیری از این عوامل دو اصل مهم در تهیه نانو کامپوزیت ها می باشد .
سنتز گرافن:
به دلیل تاثیر مهم فرآیند سنتز روس خواص و عملکرد تک لایه های کربنی، ابتدا به صورت مختصر به معرفی روش های سنتز گرافن پرداخته و تاثیر آن در خواص نانو کامپیوزت های گرافنی بررسی خواهد شد.
روش پایین به بالا:
در روش پایین به بالا روش های متعددی جهت سنتز گرافن وجود دارد که از جماه آن ها می توان به رویش بر روی سیلیسیم کارباید، کاهش کربن مونوکسید، رسوب شیمیایی فاز بخار و باز شدن نانو لوله ها و … اشاره کرد.نکته قابل توجه مقدار بازدهی پایین آن می باشد که عمدتا در مطالعات نظری استفاده می شود. اما در نانو کامپوزیت هایی که نیاز به مقادیر بالای وزنی و همچنین کنترل خواص لایه های سطحی لایه های گرافنی می باشد و کاربرد فراوانی ندارد.
روش بالا به پایین:
در این روش سنتز صفحات گرافنی از گرافیت طبیعی بدست می آید.در این روش ها صفحات گرافنی(خام یا عاملدار شده) از طریق ورقه ورقه کردن گرافیت یا مشتقات آن (نظیز گزافیت اکسید یا گرافیت فوراید) حاصل می شود. در حالت کلی، این روش ها جهت سنتز مقادیر جرمی بالای گرافن جهت استفاده در نانو کامپوزیت ها مناسب تر می باشند. در این روش امکان تهیه کردن تهیه تقویت کننده های کربنی دیگر نظیر گرافیت منبسط شده که مهمترین کاربرد آن در تهیه کامپوزیت های پلیمری تقویت شده می باشد، دسته های چندلایه با ضخامت بیشتری نسبت به گرافن(صفحاتی در حدود nm100) می باشند که در اثر فرآیند حرارت دهیگرافیت به همراه اسید و یا ترکیبات آلکالی فلزی تهیه می شوند.نکته مهم در مورد گرافیت منبسط شده این است که با وجود فرآیند حرارت دهی و ترکیب آن با اسید و سپس حرارت دهی این ترکیب ساختار لایه ای مشابه گرافیت دارد ، در واقع در اثر فرآیند حرارت دهی تک لایه های کربنی به صورت کامل از هم جدا نمی شوند و تنها فاصله ما بین آنها به شکل جزئی در مقیاس آنگسترومی افزایش می یابد. که منجر به افزایش سطح ویژه و در نتیجه بهبود خواص نانو کامپوزیت تهیه شده نسبت به گرافیت طبیعی می شود. نانو صفحات گرافیتی فرم جدیدی از گرافیت منبسط شده با ضخامت کمتری در حدود( nm10) می باشند که از سطح ویژه بالایی برخوردار بوده و درنتیجه خواص تقویت کنندگی بهتری نسبت به گرافیت منبسط شده دارند. اصلی ترین روش تهیه این ترکیب از طریق حرارت دهی( انبساط) ترکیب گرافیت فلوئورینه شده و یا تابش امواج فراصوت گرافیت در محیط اسیدی می باشد. مهمترین تفاوت روش تهیه گرافیت منبسط شده و، انبساط ماتریس گرافیتی تنها در نتیجه افزایش ناگهانی فشار بخار ماده فرار ترکیب شده با گرافیت رخ می دهد، در حالی که انبساط گرافیت در تهیه نانو صفحات گرافیتی، به دلیل افزایش ناگهانی فشار بخار ماده فرار و همچنین تشکیل ترکیبات گازی فلوئورو کربنی (عموما CF4) ناشی از واکنش شیمیایی می باشد. با این وجود در مقایسه با تک لایه های گرافنی، نانو صفحات گرافیتی قابلیت ایجاد سطح تماس و برهمکنش کمتری با ماتریس پلیمری دارند، در نتیجه خواص تقویت کنندگی این دسته به صورت عمومی ما بین گرافیت منبسط شده و گرافن می باشد.
گرافن را به چهار روش می توان تهیه کرد:
- رسوب دهی شیمیایی بخارو رشد همبافته مانند تجزیه اتیلن در سطوح نیکل است.
- لایه برداری میکرو مکانیکی از سطح گرافیت به عنوان شناخته شده ترین روش است.
- روش سوم رشد هم بافته در سطوح عایق الکتریکی است
- احیاء برپایه حلال است که یک لایه از اتم های کربن متراکم در یک شبکه بلوری لانه زنبوری قرار گرفته است.
