Pan fydd haenau graphene yn cael eu pentyrru un ar y llall, maent yn ffurfio graffit. Mae un milimedr o graffit yn cynnwys tua 3 miliwn o haenau o graphene. Mae strôc ysgafn o bensil ar bapur yn gadael olion a all fod yn ddim ond ychydig o haenau neu hyd yn oed haen sengl o graphene. Diolch i'w strwythur dau ddimensiwn perffaith, mae'n gweithredu fel ychwanegyn swyddogaethol mewn llawer o gynhyrchion arloesol.
Wrth siarad am graphene, y sôn mwyaf enwog yn ddi-os yw Gwobr Nobel mewn Ffiseg 2010, a rennir gan ddau wyddonydd am eu hymchwil arloesol ar graphene. Yn ddiweddar, cyhoeddodd Prifysgol Fudan fod ei hymchwilwyr, mewn cydweithrediad â’r rhai o Brifysgol Genedlaethol Singapôr, wedi datblygu dull paratoi graphene effeithlonrwydd uchel newydd sbon y gellir cynyddu ei dechnoleg graidd yn hawdd ar gyfer cynhyrchu diwydiannol.
Yn nodedig, cymerodd y tîm ymchwil agwedd hollol groes i'r llwybr traddodiadol o gyhoeddi papurau yn gyntaf ac yna cydweithredu â mentrau. Cyflawnwyd canlyniadau arloesol ganddynt yn 2013, ffeilio patent yn 2014, trosglwyddo'r patent i fenter ddomestig yn 2015, a dim ond cyhoeddi eu canfyddiadau ar-lein ynCyfathrebu Naturar Ionawr 8. Dywedodd Lu Hongbin, un o'r arweinwyr tîm o'r Adran Gwyddoniaeth Macromoleciwlaidd a Labordy Allweddol Gwladol Peirianneg Foleciwlaidd Polymerau ym Mhrifysgol Fudan, gyda gwên: "Mae'n werth aros am bethau da; maent yn aml yn troi allan yn well ar ôl peth amser i aeddfedu."
Delwedd microsgopeg electron trawsyrru cydraniad atomig (a), sbectrwm Raman (b), sbectrwm sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (c), a delwedd microsgopeg grym atomig ar raddfa fawr (d) o'r graphene fel y'i paratowyd; lleiniau o ddosraniad trwch graphene (e) ac ystadegau maint ochrol (f).
Llun gan Dong Lei
Ychydig iawn o bobl sy'n sylweddoli nad enw ar restr Gwobr Nobel yn unig yw graphene - mae eisoes wedi'i integreiddio'n agos i fywyd bob dydd. Mae'n bodoli'n naturiol yn y byd, er nad yw ynysu graphene haen sengl yn dasg hawdd. Wedi'i bentyrru fesul haen, mae graphene yn ffurfio graffit, gydag 1 milimedr o graffit yn cynnwys tua 3 miliwn o haenau graphene. Gall marc pensil ar bapur fod yn sawl neu hyd yn oed un haen o graphene. Oherwydd ei strwythur 2D delfrydol, mae'n gweithredu fel ychwanegyn swyddogaethol mewn amrywiol gynhyrchion arloesol:
· Wedi'i ychwanegu at haenau polymer arbennig, mae'n ymestyn bywyd y gwasanaeth trwy briodweddau rhwystr rhagorol;
· Wedi'i ddefnyddio fel asiant dargludol mewn batris, mae ei strwythur 2D yn hwyluso trafnidiaeth electronau cyflymach, gan roi hwb mawr i gyflymder codi tâl;
· Wedi'i ymgorffori mewn ffibrau a dyfeisiau gwresogi trydan, mae ei ddargludedd trydanol a thermol eithriadol yn uwchraddio perfformiad cynnyrch yn sylweddol.
O ystyried ei werth enfawr, mae gwell dulliau paratoi wedi dod yn nod cystadleuol ar gyfer y byd academaidd a diwydiant. Darganfu dau wyddonydd ym Mhrifysgol Manceinion - Andre Geim a Konstantin Novoselov - ffordd hynod o syml o gael naddion graffit cynyddol denau. Roeddent yn plicio naddion o graffit pyrolytig â chyfeiriadedd uchel, wedi'u cysylltu'r ddwy ochr â thâp gludiog arbennig, ac yn hollti'r naddion trwy rwygo'r tâp. Roedd ailadrodd y broses hon yn cynhyrchu dalennau teneuach a theneuach, gan arwain yn y pen draw at naddion yn cynnwys dim ond un haen o atomau carbon: graphene. Ers hynny, mae nifer o ddulliau paratoi newydd wedi dod i'r amlwg, ac ar ôl pum mlynedd o ddatblygiad, mae cynhyrchu graphene ar raddfa ddiwydiannol wedi dod o fewn cyrraedd.
Rhoddodd yr Athro Lu Hongbin dri theitl "gorau'r byd" i graphene:
· Y deunydd teneuaf hysbys, dim ond 0.335 nanometr o drwch;
· Y deunydd cryfaf, 100 gwaith yn gryfach na dur;
·Y dargludydd thermol gorau, mwy na 10 gwaith yn uwch nag arian.
Yn ogystal, mae gan graphene symudedd electronau hynod o uchel, dau orchymyn maint yn uwch na silicon. Fel deunydd strategol pwysig sy'n dod i'r amlwg, mae gan y deunydd 2D newydd hwn botensial cymhwysiad enfawr mewn offer craff, awyrofod, storio ynni, adfer amgylcheddol, a llawer o feysydd eraill.
Fodd bynnag, mae sicrhau cynhyrchiant effeithlon, ar raddfa fawr o graffene o ansawdd uchel wedi bod yn dagfa allweddol ers tro sy'n cyfyngu ar ei ddefnydd eang.
Mae graphene yn bodoli'n naturiol, a'r strategaeth baratoi ddelfrydol yw exfoliate graffit fflawiau naturiol i graphene mewn toddydd hylif penodol. Mewn geiriau eraill, gan fod graphene yn hydroffobig, rhaid ychwanegu llawer iawn o syrffactyddion at yr hylif yn ystod y diblisgo, neu mae gwahanu bron yn amhosibl. Mae dulliau confensiynol fel arfer yn gofyn am 3 tunnell o ocsidyddion fel potasiwm permanganad i gynhyrchu 1 tunnell o graphene, gan ei drawsnewid yn graphene ocsid cyn diblisgo a lleihau. Mae'r broses hon yn cynhyrchu llawer iawn o ddŵr gwastraff o ocsideiddio, lleihau a glanhau, tra hefyd yn diraddio rhai o briodweddau unigryw graphene.
Sut gwnaeth y tîm ymchwil oresgyn yr heriau hyn? Mabwysiadwyd strategaeth wasgaru ansefydlog ganddynt drwy gyflwyno swm bach iawn o ocsigen ïonadwy-yn cynnwys grwpiau swyddogaethol ar arwynebau graphene, gan alluogi diblisgiad cyflym, uchel-cynnyrch ar grynodiadau uchel iawn. Mae dros 90% o'r cynnyrch wedi'i ddiarddel yn graffen haen sengl gyda'r lleiafswm o ddiffygion dellt, gan ddatrys problemau storio a chludo yn effeithiol ar gyfer cymwysiadau ar raddfa fawr. Ar ben hynny, mae'r slyri graphene dyfrllyd a gynhyrchir gan y dull hwn yn arddangos priodweddau rheolegol ffafriol a gellir ei ddefnyddio'n uniongyrchol i argraffu aerogels graphene 3D o wahanol siapiau, gan agor llwybrau newydd ar gyfer cymwysiadau graphene mewn storio ynni, triniaeth amgylcheddol, cyfansoddion amlswyddogaethol, a thu hwnt.
