Grafeeni

Grafeeni on vuonna 2004 löydetty hiilen allotrooppinen muoto, joka koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita sp2-hybridisoituneita hiiliatomeja.
Grafeeni on tällä hetkellä maailman kestävin tunnettu aine. Se on myös erittäin valoaläpäisevää ja johtaa hyvin lämpöä ja sähköä. Grafeenia on suomeksi toisinaan kutsuttu myös grafiiniksi, ilmeisesti englannin graphene-sanan ääntämyksen vaikutuksesta.
Se on eräiden muiden hiiliallotrooppien perusrakenne: grafiitti on monta grafeenikerrosta päällekkäin ja hiilinanoputket rullalle kiertynyttä grafeenia. Fullereenit voidaan ajatella grafeeniksi, jonka rakenteessa on kuusikulmioiden seassa viisikulmioita.

Historia
Teoreettisessa fysiikassa oli 1930-luvulla päätelty, että vain yhden atomikerroksen paksuiset rakenteet eivät voi olla pysyviä. Atomien lämpöliikkeen arveltiin hajottavan tällaiset rakenteet. Hyvin ohuista rakenteista on myös tehty paljon kokeita ja tämä alkuperäinen päättely on tähän asti näyttänyt pitävän paikkansa. Kun kokeissa materiaaleja tarpeeksi ohennettiin, ne hajosivat.

Grafeenin teoreettinen ja käytännön olemassaolo grafiitin sisäisen rakenteen osana on tunnettu jo pitkään ennen grafeenin löytämistä itsenäisenä rakenteena 2004. Röntgenkristallografian avulla aineiden rakennetta atomien mittakaavassa oli tutkittu ja ensimmäisiä kuvia hiiliatomien eri muodoista oli julkaistu vuonna 1938. Yhden atomin paksuisten pintojen teoreettista tutkimusta ovat tehneet mm. fyysikko Philip Russel Wallace ja kemisti Hanns-Peter Boehm. Näiden tutkimusten pohjalta grafiitin sisäinen rakenne tunnettiin. Boehm keksi sanan "grafeeni" jo vuonna 1962 kuvaamaan teoreettisesti mahdollisia yksiatomisia lakanoita. Ei kuitenkaan pidetty mahdollisena eristää tällaisia yksiatomisia tasoja toisista niin, että niiden rakenne säilyisi vakaana. Grafeenin mekaaninen kuorintamenetelmä kehitettiin 1990-luvulla, mutta silloin grafeenia saatiin eristettyä vain 50–100 kerroksen paksuisiksi näytteiksi. Kun grafeeni löydettiin, aikaisempien kokeiden ja ennakkokäsitysten vastaisesti yhden atomitason paksuinen rakenne onnistuttiin eristämään itsenäiseksi pysyväksi hiilikalvoksi. Se oli ensimmäinen yhden atomikerroksen paksuinen materiaali.

Grafeenin löysivät Manchesterin yliopiston tutkijat Konstantin Novoselov ja Andre Geim. He yrittivät eri menetelmin ohentaa grafiittia. Alun perin heidän tutkimuksensa oli työviikon lopuksi tehtävää mielikuvituksellista hassuttelua. Heidän kokeissa käyttämänsä välineet olivat varsin tavanomaisia: ensin he koettivat erottaa grafeenia tavallisesta noesta, joka on hyvin hiilipitoinen aine. Toisessa kokeessa he käyttivät lyijykynän piikiteen pintaan jättämää grafiittijälkeä. Kolmannessa kokeessa he irrottivat grafiittia teipin liimapinnan avulla grafiittisesta kappaleesta. Teippi irrotti grafiittia kappaleesta ohueksi kalvoksi teippiin. Toisella teipillä he irrottivat tästä ohuesta kalvosta toisen, vielä ohuemman, kalvon. Tätä ideaa jatkaen he pääsivät varsin yksinkertaisin keinoin hyvin ohuisiin grafiittikalvoihin. Tutkijat onnistuivat löytämään keinon kalvojen tarkan paksuuden määrittämiseen optisella mikroskoopilla. Näistä ohuista kalvoista he saivat kemiallisilla lisäkeinoilla lopulta ohennettua grafiitin yksittäisiksi yhden atomin paksuisiksi hiilikalvoiksi. Vuonna 2010 Geim ja Novoselov saivat grafeenin löytämisestä Nobelin fysiikanpalkinnon.