Графан представляет собой двумерный полимер углерода и водорода с формульной единицей (CH) n , где n велико. [1] В результате частичного гидрирования образуется гидрогенизированный графен, о чем сообщили Элиас и др. в 2009 году исследованием TEM было признано «прямым доказательством существования нового производного на основе графена». Авторы рассматривали панораму как «целый набор новых двумерных кристаллов с заданными электронными и другими свойствами». [2]
О его получении сообщалось в 2009 году. [2] Графан может быть образован электролитическим гидрированием графена, малослойного графена или высокоориентированного пиролитического графита . В последнем случае можно использовать механическое отшелушивание гидрогенизированных верхних слоев. [3]
Первое теоретическое описание графана было опубликовано в 2003 году. [4] С помощью метода кластерного расширения была обнаружена структура, которая является наиболее стабильной из всех возможных степеней гидрирования графена. [4] В 2007 году исследователи обнаружили, что это соединение более стабильно, чем другие соединения, содержащие углерод и водород, такие как бензол , циклогексан и полиэтилен . [1] Эта группа назвала предсказанное соединение графаном, потому что это полностью насыщенная версия графена.
Графан фактически состоит из звеньев циклогексана, и, параллельно с циклогексаном, наиболее стабильной структурной конформацией является не плоская, а неплоская структура, включая конформеры кресла и лодочки, чтобы минимизировать кольцевую деформацию и обеспечить возможность идеальный тетраэдрический валентный угол составляет 109,5° для атомов, связанных sp 3 . Однако, в отличие от циклогексана, графан не может взаимно превращаться между этими разными конформерами, поскольку они не только топологически различны, но и представляют собой разные структурные изомеры с разными конфигурациями. В конформере «кресло» атомы водорода чередуются выше или ниже плоскости от углерода к соседнему углероду, тогда как в конформере «лодочка» атомы водорода чередуются попарно выше и ниже плоскости. Существуют также другие возможные конформационные изомеры, в том числе твист-лодочка и твист-лодочка-кресло. Как и в случае с циклогексаном, наиболее стабильным конформером графана является стул, за которым следует структура «твист-лодочка». [5] [6] Хотя выпучивание конформера стула будет означать усадку решетки, [6] расчеты показывают, что решетка фактически расширяется примерно на 30% [7] из-за противоположного воздействия на расстояние между решетками более длинных углерод-углеродных ( CC) связи, так как sp 3 -связь графана дает более длинные связи CC 1,52 Å по сравнению с sp 2 -связью графена, которая дает более короткие связи CC 1,42 Å. [7] Как только что было установлено, теоретически, если бы графан был совершенным и повсюду находился в стабильном конформере кресла, решетка расширялась бы; однако существование областей, в которых доминирует локально стабильный конформер «твист-лодочка», «способствует экспериментально наблюдаемому сжатию решетки». [6] Когда экспериментаторы охарактеризовали графан, они обнаружили распределение периодов решетки, соответствующее различным доменам с разными конформерами. [6] Любой беспорядок в конформации гидрирования имеет тенденцию сжимать постоянную решетки примерно на 2,0%. [8]
Графан является изолятором. Химическая функционализация графена водородом может быть подходящим методом открытия запрещенной зоны в графене. [1] Предполагается, что графан, легированный P, является высокотемпературным сверхпроводником теории БКШ с T c выше 90 K . [9]
Частичное гидрирование приводит к образованию гидрированного графена, а не (полностью гидрированного) графана. [2] Такие соединения обычно называют «графаноподобными» структурами. Графан и графаноподобные структуры могут быть образованы электролитическим гидрированием графена или малослойного графена или высокоориентированного пиролитического графита . В последнем случае можно использовать механическое отшелушивание гидрогенизированных верхних слоев. [3]
Гидрирование графена на подложке затрагивает только одну сторону, сохраняя гексагональную симметрию. Одностороннее гидрирование графена возможно из-за существования ряби. Поскольку последние распределены случайным образом, полученный материал неупорядочен в отличие от двустороннего графана. [2] Отжиг позволяет водороду рассеяться, превращаясь в графен. [10] Моделирование выявило основной кинетический механизм. [11]
Постулируется , что p-легированный графан является высокотемпературным сверхпроводником по теории БКШ с T c выше 90 К. [9]
Графан был предложен для хранения водорода. [1] Гидрирование уменьшает зависимость постоянной решетки от температуры, что указывает на возможность применения в прецизионных приборах. [8]