Grafiinid on kahemõõtmelised süsiniku allotroopid, mis sarnanevad imematerjali grafeeniga, mis on optiliselt läbipaistev ja mehaaniliselt painduv, kuid samas tugev ja elektrooniliselt juhitav.

Süsinikuaatomid võivad olla sp3-, sp2- või sp-hübridiseeritud (erineval viisil võivad nad seotud olla ka teiste elementidega), et moodustada üksik-, kaksik- või isegi kolmiksidemeid naaber süsiniku aatomitega ja nii toota erinevaid allotroope. Tuntumad süsiniku allotroopid on grafiit ja teemant.

Süsiniku allotroopidel on erinevad füüsikalised omadused, mis tulenevad erineva pikkuse, tugevuse, geomeetria ja elektrooniliste omadustega mitut tüüpi sidemete ainulaadsest kombinatsioonist ja paigutusest. Näiteks on grafiit läbipaistmatu ja pehme, samas kui teemant on läbipaistev ja kõige kõvem teadaolev looduslik aine.

Uute süsiniku allotroopide, sealhulgas fullereeni loomise (1996. aastal pärjati Nobeli keemiaauhinnaga), süsinik-nanotorude, grafeeni loomise (2010. aastal pälvis Nobeli füüsikaauhinna), bifenüleenivõrgustiku ja tsüklo[18]süsiniku loomise kõrval on tehtud tohutuid jõupingutusi.

Kõik ülaltoodud teadaolevad allotroopid koosnevad ühte tüüpi süsiniku aatomitest. Siiski on palju rohkem neid, mis koosnevad erinevatest sp3-, sp2- ja sp-hübridiseeritud süsiniku aatomite kombinatsioonidest ning on veel avastamata.

Erinevalt grafeenidest, mis koosnevad ainult sp2-hübridiseeritud süsinikest, sisaldavad grafiinid sp-hübridiseeritud süsinikke, mis on perioodiliselt integreeritud sp2-hübridiseeritud süsiniku raamistikku.

Vana probleem, uued tööriistad

Eeldati, et grafiinil on intrigeerivad ja ainulaadsed elektronjuhtivuse, mehaanilised ja optilised omadused. Täpsemalt, elektronide juhitaivus grafiinides oleks erakordselt kiire, nagu see on grafeenis. Kuid erinevalt grafeeni mitmesuunalisest juhtivusest saab mõne grafiini elektronjuhtivust kontrollida kindlas suunas.

Mitmed uurimisrühmad sünteesisid mitmesuguseid madala molekulmassiga grafüüni fragmente või etünüleeniga seotud molekulaararhitektuure, sealhulgas ka karbiini.

“Grafiini loomine on tõesti vana ja ammune küsimus, kuid kuna sünteetilised tööriistad olid seni piiratud, siis huvi langes,” ütles projekti juhtiv autor Yiming Hu, Colorado Boulderi ülikooli keemiaosakonna teadur. “Tõime probleemi uuesti esile ja kasutasime uut tööriista selleks, et lahendada vana probleem, mis on tõesti oluline.”

Kasutades alküüni metateesi reaktsiooni (orgaaniline reaktsioon, mis hõlmab alküüni keemiliste sidemete ümberjaotamist või lõikamist ja reformimist), termodünaamikat ja kineetilist juhtimist, suutsid Hu ja tema kolleegid edukalt gamma-grafüüni sünteesida.

“Grafeeni ja grafiini vahel on päris suur erinevus, kuid heas mõttes,” ütles vanemautor professor Wei Zhang, samuti Colorado Boulderi ülikooli keemiaosakonnast. “See võib olla järgmise põlvkonna imematerjal. Sellepärast ongi inimesed väga elevil.”

Kuigi materjal on edukalt loodud, soovivad teadlased siiski uurida selle konkreetseid üksikasju, sealhulgas seda, kuidas materjali suures mahus toota ja kuidas sellega ümber käia.

“Püüame tõesti uurida seda uudset materjali mitmest dimensioonist, nii eksperimentaalselt kui ka teoreetiliselt, alates aatomitasemest kuni reaalsete seadmeteni,” ütles professor Zhang.

“Need jõupingutused peaksid omakorda aitama välja selgitada, kuidas materjali elektronjuhtivaid ja optilisi omadusi saab kasutada tööstuslikes rakendustes, nagu näiteks liitium-ioonakud.”

“Loodame, et tulevikus saame kulusid vähendada ja reaktsiooniprotseduuri lihtsustada ning siis loodetavasti saavad inimesed meie uuringutest tõesti kasu,” ütles Hu.
Töörühma artikkel avaldati ajakirjas Nature Synthesis.