گرافن نام یکی از آلوتروپ های کربن است.در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ های کربن)، هر کدام از اتم‌های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌است، اما این پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوک مداد به کار بروند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده‌است.
هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه مرمین- واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین- واگنر نمی‌تواند کاملا درست باشد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.
چگالی :
سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر ۰/۰۵۲ نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن۰/۷۷ میلیگرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و ۰/۷۷ میلی گرم وزن دارد.
شفافیت نوری :
گرافن تقریباً شفاف است. فقط ۳/۲% از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند. این عدد بیانگر آن است که گرافن معلق هیچ رنگی ندارد.
مقاومت مکانیکی :
مقاومت شکست گرافن ۴۲ نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای ۳/۳۵ آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست در حدود ۰/۴۲- ۰/۰۸۴ نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن ۱۰۰ برابر فولاد است.
خواص گرافن :
گرافن به دلیل ساختار خود، در زمینه های زیادی ویژگی های بسیار منحصر به فردی را نشان می دهد. ثابت شده است که گرافن قوی ترین ماده ای می باشد که تا کنون اندازه گیری شده است. فرانک و همکاران دانشگاهی وی از دانشکده پومونا و دانشگاه کرنل، ثابت فنر ورقه گرافن معلق را اندازه گرفته اند. ثابت فنر ورقه های گرافنی لایه ای با ضخامت بین ۲ و ۸ نانومتر در محدوده بین ۱ تا ۵ نیوتن بر متر قرار دارد که این محدوده بر اساس مقیاس گذاری ابعاد قطعه به دست آمده است و مدول یانگ اندازه گیری شده در حدود ۰/۵ تراپاسکال گزارش شده است. برخی از خصوصیات دیگر گرافن که تاکنون تعیین شده است بدین صورت بیان میگردد:
رسانایی الکتریکی :
مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، ۳۱ اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس کمتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.
رسانایی گرمایی :
رسانایی گرمایی گرافن تقریباً ۵۰۰۰ وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق ۴۰۱ وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن ۱۰ برابر بهتر از مس گرما را منتقل می کند.
کاربرد های گرافن :
۱) ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وبسیار سریع با استفاده از گرافن
گروه تحقیقاتی دانشگاه منچستر یک ترانزیستور گرافنی یک نانومتری ساخت که ضخامت آن یک اتم و قطرش برابر ده اتم بود. عده ای پیش بینی کرده بودند که ترانزیستورهای مذکور که از مشتقات گرافن بودند روزی جای سیلیکون را به عنوان پایه ی محاسبات آینده بگیرد.
به مدت چهل سال، یک قانون کلی به نام قانون مور بر محاسبات حکمفرما بوده است. این قانون پیش بینی می کند که تقریباً هر دو سال، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده روی تراشه ها دو برابر خواهد شد.با این وجود، سیلیکون که تا به حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زیر ده نانومتر ساختارهای پایداری ندارد. جدیدترین تراشه های امروز تنها چهل و پنج نانومتر ابعاد دارند. بنابراین وجود جایگزینی برای سیلیکون احساس می شود. گرافن ها از خواص رسانشی فوق العاده-ای برخوردارن و به همین دلیل نامزد نسل آینده ی ترانزیستورهای سرعت بالا هستند
شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام و نوکیا هم به آینده گرافن امید بسته‌اند. آی‌بی‌ام یک ترانزیستو ۱۵۰ گیگاهرتزی تولید کرده است؛ در حالی که سریع‌ترین ترانزیستور سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس ۴۰ گیگاهرتز کار می‌کند.
به گفته دکتر یو مینگ لین از آی‌بی‌ام، “در مورد سرعت ترانزیستورها، در حال حاضر هیچ مرزی برای حد نهایی سرعت آنها وجود ندارد. هرچند به مشکلاتی برخورده‌ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی‌کنم که مشکلی با خواص گرافن داشته باشیم”
۲) ذخیره بسیار متراکم داده‌ها
گروهی از پژوهشگران دانشگاه Rise یک نمونه حافظه شبیه حافظه‌های فلش کنونی ساختند که مبتنی بر گرافن طراحی شده‌بود و علاوه بر این‌که از چگالی و تراکم بیشتری برخوردار بود، اتلاف حافظه کمتری داشت.
۳) ذخیره انرژی
کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تلاش‌ها برای استفاده از این ماده جهت ساخت خازن‌های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتقال جریان الکتریسیته آغاز شده‌است. هم‌اکنون نیز بعضی از شرکت‌هایی که در ساخت محصولات الکترونیکی ویژه از نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کنند، در حال روی آوردن به گرافن هستند. نمونه‌ای از این محصولات الکترونیکی ویژه، لباس‌هایی هستند که می‌توان آنها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آنها شارژ کرد. همچنین از ترکیب گرافن و آب برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. آب،سبب خیس نگهداشتن گرافن (به شکل ژل) می شود ویک نیروی دافعه میان ورقه‌های منفرد ایجاد کرده و با جلوگیری از اتصال دوباره این ورقه‌ها به یکدیگر، امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای واقعی ایجاد می‌کند. کارایی ژل گرافنی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره‌سازی و هم از نظر زمان رهایش این بار بسیار بهتر از فناوری دیگرِ مبتنی بر کربن بود.
دکتر دان لی، استاد دانشکده مهندسی مواد دانشگاه موناش به همراه همکارانش روی گرافن کار کرده‌اند؛ این ماده می‌تواند مبنایی برای تولید نسل بعدی سامانه‌های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد.وی می‌گوید: «اگر بتوانیم این ماده را به‌درستی دستکاری کنیم، به‌طور مثال آیفون شما می‌تواند در عرض چند ثانیه و یا حتی کمتر شارژ شود».
۴) تجهیزات نوری، سلول‌های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف‌پذیر
گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اصلی گرافن در این است که می‌تواند نور و الکتریسیته را از خود عبور دهد. این ویژگی‌ها در کنار مزایایی مانند استحکام و انعطاف‌پذیری باعث می‌شود تا استفاده از آن به افزایش بازده سلول‌های خورشیدی و لامپ‌های LED بیانجامد، مضاف بر این‌که در ساخت تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای لمسی، نوریاب‌ها و لیزرهای فوق سریع نیز سودمند خواهد بود.
امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آنها می‌توان به روش های پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی، روش رشد همبافته، رسوب بخار شیمیایی (CVD) و روش های شیمیایی را نام برد. برخی روش‌های دیگری همانند شکافتن نانو لوله‌های کربنی برای تولید نانو نوارهای گرافن و ساخت با امواج ماکرویو نیز اخیرا بکاربرده شده‌اند.گرافن در حالت ایده آل یک ساختار کاملا دو بعدی است؛ نانو ساختاری تک لایه از اتم های کربن که با پیوندهای کوالانسی به هم وصل شده اند و یک شبکه شش ضلعی کاملا مسطح پدید آورده اند
.
