Графин (вещество)

Не следует путать с графеном и графаном.

Структуры графина-n, где n соответствует количеству тройных углеродных связей в карбиновых цепочках, соединяющих соседние шестиугольники.

Графин (англ. graphyne) — аллотропная модификация углерода, состоящая из плоских слоёв углерода толщиной в один атом, которые находятся в гибридизациях sp и sp^2[1]. Одна из разновидностей графина получена экспериментально^[2].

История открытия

Впервые предположения о существовании графина были высказаны в 1968 г^[3]. В 1987 г при помощи квантовомеханических расчётов была показана возможность существования плоских углеродных структур, в которых половина атомов углерода имеет sp-гибридизацию и половина — sp²-гибридизацию, и построена первая теоретическая модель структуры графина^[4]. Также было предсказано, что графин представляет собой широкозонный полупроводник и имеет нелинейные оптические свойства. На активность исследования графина существенно повлияло открытие фуллерена^[5].

В 2010 г был экспериментально получен графин-2 (также называемый графдиин) при помощи in situ реакции Глазера^[2].

Структура и свойства

Вследствие наличия sp-гибридизованных связей графин по своей структуре и свойствам значительно отличается от других аллотропных модификаций углерода^[6]. Возможны три структуры графина: α-графин, где все три связи sp²-гибридизированных атомов с соседними атомами заменяются на карбиновые цепочки (с тройными связями), β-графин, где заменяются две связи, и γ-графин, где заменяется только одна связь^[1][7][8]. Графдиин является наиболее стабильной из не встречающихся в природе аллотропных модификаций углерода, содержащих диацетиленовые связи^[9].

При помощи молекулярной динамики было рассчитано, что модуль Юнга в плоскости листа составляет 532.5 ГПа и 629.4 ГПа в зависимости от направления растяжения^[10]. На основании теории функционала плотности подвижность электронов составляет 2·10⁵ м²/(В·с) при комнатной температуре, а подвижность дырок на порядок ниже; ширина запрещённой зоны 0.46 эВ.

Экспериментально полученный графин-2 является полупроводником с удельной электропроводностью 2.516·10⁻⁴ См/м^[2].

Возможные применения

Металлосодержащие нанотрубки из графина могут использоваться для хранения водорода^[8], в частности, в области накопления энергии, где проблема хранения водорода является узким местом^[11]. Ленты из графина могут применяться в термо- и наноэлектронике^[12], причём графин имеет линейный закон дисперсии носителей заряда (аналогично графену), но на основе расчётов с помощью теории функционала плотности в нём предсказана возможность создания ненулевой запрещённой зоны, что представляет большую трудность в случае графена^[13]. Также графин может найти применение в разделении газов, что связано с характером пористой структуры графина π-сопряжением связей^[6].

Примечания

1. Е. А. Беленков, В. В. Мавринский. Трехмерная структура углеродных фаз, состоящих из sp-sp2 гибридизированных атомов // Известия Челябинского Научного Центра Уро Ран. — 2006. — Вып. 2. — С. 13–18. — ISSN 1727-7434. Архивировано 29 декабря 2019 года.
2. Guoxing Li, Yuliang Li, Huibiao Liu, Yanbing Guo, Yongjun Li. Architecture of graphdiyne nanoscale films (англ.) // Chemical Communications. — 2010-05-21. — Vol. 46, iss. 19. — P. 3256–3258. — ISSN 1364-548X. — doi:10.1039/B922733D. Архивировано 29 декабря 2019 года.
3. Balaban, AT and Rentia, Co C and Ciupitu, E. Chemical graphs. 6. Estimation of relative stability of several planar and tridimensional lattices for elementary carbon // Revue Roumaine de Chimie. — Editura Academiei Romane, 1968. — Vol. 12, № 2.
4. R. H. Baughman, H. Eckhardt, M. Kertesz. Structure‐property predictions for new planar forms of carbon: Layered phases containing sp2 and sp atoms // The Journal of Chemical Physics. — 1987-12-01. — Т. 87, вып. 11. — С. 6687–6699. — ISSN 0021-9606. — doi:10.1063/1.453405. Архивировано 29 декабря 2019 года.
5. François Diederich. Carbon scaffolding: building acetylenic all-carbon and carbon-rich compounds (англ.) // Nature. — 1994-05. — Vol. 369, iss. 6477. — P. 199–207. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/369199a0. Архивировано 16 октября 2020 года.
6. Xin Gao, Huibiao Liu, Dan Wang, Jin Zhang. Graphdiyne: synthesis, properties, and applications (англ.) // Chemical Society Reviews. — 2019-02-04. — Vol. 48, iss. 3. — P. 908–936. — ISSN 1460-4744. — doi:10.1039/C8CS00773J. Архивировано 30 мая 2019 года.
7. Мавринский Виктор Викторович, Беленкова Татьяна Евгеньевна, Чернов Владимир Михайлович, Беленков Евгений Анатольевич. Структура полиморфных разновидностей графиновых слоев // Вестник Челябинского государственного университета. — 2013. — Вып. 25 (316). — ISSN 1994-2796. Архивировано 29 декабря 2019 года.
8. Jinlian Lu, Yanhua Guo, Yun Zhang, Yingru Tang, Juexian Cao. A comparative study for Hydrogen storage in metal decorated graphyne nanotubes and graphyne monolayers (англ.) // Journal of Solid State Chemistry. — 2015-11. — Vol. 231. — P. 53–57. — doi:10.1016/j.jssc.2015.08.004. Архивировано 29 декабря 2019 года.
9. Michael M. Haley, Stephen C. Brand, Joshua J. Pak. Carbon Networks Based on Dehydrobenzoannulenes: Synthesis of Graphdiyne Substructures (англ.) // Angewandte Chemie International Edition in English. — 1997-05-02. — Vol. 36, iss. 8. — P. 836–838. — ISSN 1521-3773 0570-0833, 1521-3773. — doi:10.1002/anie.199708361.
10. Steven W. Cranford, Markus J. Buehler. Mechanical properties of graphyne // Carbon. — 2011-11-01. — Т. 49, вып. 13. — С. 4111–4121. — ISSN 0008-6223. — doi:10.1016/j.carbon.2011.05.024.
11. K. Srinivasu, Swapan K. Ghosh. Graphyne and Graphdiyne: Promising Materials for Nanoelectronics and Energy Storage Applications // The Journal of Physical Chemistry C. — 2012-03-08. — Т. 116, вып. 9. — С. 5951–5956. — ISSN 1932-7447. — doi:10.1021/jp212181h.
12. Tao Ouyang, Yuanping Chen, Li-Min Liu, Yuee Xie, Xiaolin Wei. Thermal transport in graphyne nanoribbons (англ.) // Physical Review B. — 2012-06-19. — Vol. 85, iss. 23. — P. 235436. — ISSN 1550-235X 1098-0121, 1550-235X. — doi:10.1103/PhysRevB.85.235436.
13. Bog G. Kim, Hyoung Joon Choi. Graphyne: Hexagonal network of carbon with versatile Dirac cones (англ.) // Physical Review B. — 2012-09-21. — Vol. 86, iss. 11. — P. 115435. — ISSN 1550-235X 1098-0121, 1550-235X. — doi:10.1103/PhysRevB.86.115435.