گرافين چیست ؟

[azarafrooz 14221]

چند سالي است که گرافين به يکي از جالب توجه ترين سوژه هاي دنياي فناوري تبديل شده است؛ ماده اي سخت تر از الماس، رساناتر از مس و با شفافيتي بالا که ميتواند به بسياري از عرصه هاي علم و فناوري نفوذ کند. نمودي از اهميت گرافين را ميتوان در اختصاص جايزه نوبل فيزيک امسال به دو دانشمندي که مطالعات خود را بر آن متمرکز کرده بودند دانست؛ ماده ای که به گفته كنستانتين نووسلوف يکي از دو دانشمند مذکور، به مثابه يک معدن طلا است.

ماده نوظهور

همانطور که پيشتر نيز خبر آن در رسانه هاي مختلف منتشر شد، جايزه نوبل فيزيک امسال را دو دانشمند روسی دانشگاه منچستر انگلستان، يعنی آندره گيم و كنستانتين نووسلوف به علت آنچه که «پيشگامي در مطالعه مواد گرافيني دو بعدي» عنوان شده بود، از آن خود کردند. نووسلوف هنگامي که دانشجوي دکترا بود همکاري خود را با گيم در هلند آغاز کرد، سپس هر دو روانه انگلستان شده و تحقيقاتشان را در آنجا دنبال كردند. نتايج بررسيهای آنها باعث شد تا توليد محصولات مبتني بر گرافين يک گام ديگر به صنعتی شدن نزديکتر شود.

 

اما گرافين چيست؟ در جديدترين تعريفي که براي گرافين ارائه شده اينگونه میخوانيم: گرافين ماده ای تخت و تکلايه متشکل از اتمهای کربن است که اين اتمها در يک شبکه دوبعدي و کندو مانند به هم متصل شده اند و اين ساختاری است که همه مواد گرافيني در ابعاد ديگر نيز از آن تبعيت میکنند.

 

گرافين سختترين و نازکترين ماده اي است که بشر تاکنون به آن دست يافته است. اين ماده با وجود اينکه ساختار متراکمي دارد، به علت ضخامت بسيار اندکش که برابر با ضخامت يک اتم کربن است، نور را از خود عبور ميدهد و از شفافيت 97,3 درصد برخوردار است؛ همچنين آساني تهيه و رسانا بودن اين ماده و قابليت آن در عبور دادن گرما و جريان الکتريسيته آنرا به گزينه ای جديد براي استفاده در پنلهاي نوری و کامپيوترها تبديل کرده است.

 

شايد به همين دليل بود که گيم طي مصاحبه با خبرگزاري بي بي سي پيش بيني کرد که تا سال 2011 از اين ماده در ساخت نمايشگرهاي لمسي بسيار ظريف و مقاوم استفاده خواهد شد. گيم همان کسي است که در سال 2000 نيز جايزه Ig Noble را در دانشگاه هاروارد به خود اختصاص داده بود. اين جايزه اقتباسی امريکایی از جايزه نوبل است و به دستاوردهايي اعطا ميشود که به ظاهر مضحک هستند، اما مخاطبان را به فکر وا ميدارند. دليل برنده شدن وي اين بود كه توانسته بود يک قورباغه را در محيط مغناطيسي، معلق نگه دارد.

 

در همين راستا، سامسونگ و آي بي ام از جمله شرکتهايي هستند که قصد دارند اين ماده نوظهور را به صورت کاربردي مورد استفاده قرار دهند. انستيتوي پيشرفته فناوري سامسونگ واقع در شهر کي هونگ کره جنوبي در حال انجام مطالعات بيشتري درباره اين ماده است. اين شرکت قصد دارد طي يک تا دو سال آتي از گرافين در ساخت نمايشگرهاي موبايل استفاده کند. گيم چنان به اين پيشرفتها اطمينان دارد که قول ميدهد اگر در تابستاني که در پيش است عازم کره جنوبي شود، متخصصان سامسونگ يک چنين نمايشگري را به او نشان خواهند داد.

 

در صنعت تراشه سازي نيز محققان آيبي ام چندي پيش نمونهاي از سريعترين ترانزيستور جهان را که از گرافين ساخته شده بود، معرفي کردند. نوکيا نيزسرگرم بررسي امكان استفاده از گرافين در تجهيزات ويژه صنعت ارتباطات موبايل است. گفتني است، الکترود شفاف و منعطف گرافيني پنج سال پيش معرفي شد و به نمايش درآمد. اما عملياتي کردن اين طرح و توليد صنعتي آن نيازمند تحقيقات و بررسيهاي بيشتري بود و در صورت نتيجه دادن ميتوانست خود را به عنوان بنمايه ساخت نمايشگرهاي جديد مطرح کند. ويژگيهاي متمايزکننده گرافين تا حدي بود که متخصصان اظهار داشتند حتي ميتوان در ساخت تراشه ها نيز به جاي سيليکون از اين ماده استفاده کرد.

 

بيونگ هی هونگ و همکارانش از دانشگاه سونگ کيونوان واقع در شهر سوون کره جنوبی توانسته اند يک لايه ويفر گرافيني را روي قطعات پليمر جاي دهند. پلميرهاي مورد استفاده در اين طرح عبارتند از، پلیاتيلن ترفتالين (PET) که قابليت انعطاف پذيري دارد و ديگري پلي دي متيل سيلوکسان (PDMS) که انبساط پذير است. لايه هايي که به اين صورت به دست آمدند، در مقايسه با نمونه گرافينهاي پيشين از رسانايي بيشتري برخوردار هستند.

 

تا پيش از اين، توليد گرافين باکيفيت در مقياس بزرگ دشوار بود. از اينرو، هونگ و همکارانش براي توليد گرافين از همان ترفندي بهره بردند که در صنعت نيمه رسانه ها از آن استفاده ميشود: رسوب بخارهاي شيميايي؛ به اين ترتيب که با توجه به محصول مورد نظر، يک سوبستريت يا گوهرمايه در دماي بالا در معرض مواد شيميايي ويژه قرار ميگيرد و سپس اين مواد شيميايي روي سطح سوبستريت واکنش شيميايي نشان ميدهند و لايه ای نازک از ماده دلخواه به دست ميآيد. هونگ نيز از اين فرآيند استفاده کرد و آنچه که به دست آمد لايه های با کيفيت و تقريباً بزرگ گرافين بود که ضخامتي تنها برابر با چند اتم و عرضی معادل چند اينچ داشت.

 

چرا گرافين؟

برخي از مزاياي گرافين و کاربردهاي بالقوه آن را به طور خلاصه ميتوان چنين عنوان کرد:

 

ساخت ترانزيستورهاي بسيار کوچک با استفاده از گرافين: گروه تحقيقاتي دانشگاه منچستر در سال 2008 يک ترانزيستور گرافيني يک نانومتري ساخت که ضخامت آن يک اتم و قطرش برابر ده اتم بود.

ذخيره بسيار متراکم داده ها: گروهي از پژوهشگران دانشگاه Rise در سال 2008 يک نمونه حافظه شبيه حافظه هاي فلش کنوني ساختند که مبتني بر گرافين طراحي شدهبود و علاوه بر اينکه از چگالي و تراکم بيشتري برخوردار بود، اتلاف حافظه کمتري داشت.

 

ذخيره انرژی: کاربرد گرافين در بخش انرژي نيز قابل توجه است. تلاشها براي استفاده از اين ماده جهت ساخت خازنهاي پرقدرت با قابليت ذخيره و انتقال جريان الکتريسيته آغاز شدهاست. هماکنون نيز بعضي از شرکتهايي که در ساخت محصولات الکترونيکي ويژه از نانولوله هاي کربني استفاده ميکنند، در حال روي آوردن به گرافين هستند. نمونه اي از اين محصولات الکترونيکي ويژه، لباسهايي هستند که ميتوان آنها را پوشيد و در صورت نياز تجهيزات الکتريکي را با آنها شارژ کرد.

 

تجهيزات نوري، سلولهاي خورشيدي و نمايشگرهاي لمسي انعطاف پذير: گروهي از پژوهشگران دانشگاه کمبريج در مقالهاي که سپتامبر امسال در نشريه نيچر فوتونيكس به چاپ رسيد، اظهار داشتند مزيت اصلي گرافين در اين است که ميتواند نور و الکتريسيته را از خود عبور دهد. اين ويژگيها در کنار مزايايي مانند استحکام و انعطاف پذيري باعث ميشود تا استفاده از آن به افزايش بازده سلولهاي خورشيدي و لامپهاي LED بيانجامد، مضاف بر اينکه در ساخت تجهيزات نسل جديد از جمله نمايشگرهاي لمسي، نوريابها و ليزرهاي فوق سريع نيز سودمند خواهد بود.

 

فيزيک ذرات پرانرژي: آنگونه که از سخنان گيم استنباط ميشود، گرافين ماده اي است که پژوهشگران مرکز تحقيقاتيCERN رانيز خشنود خواهد کرد. زيرا استفاده از اين ماده، مطالعه ذرات کوانتومي در سرعتهاي بالا را ساده تر خواهد کرد. با توجه به اينکه گرافين فقط دو بعد دارد، الکترونها ميتوانند تقريباً بدون وجود مقاومت در ساختار مشبک آن حرکت کنند.

 

به عنوان یکی ديگر از کاربردهای ملموس ميتوان به مزايای گرافين در ساخت باتری تلفنهای همراه اشاره کرد. تقريباً دو ساعت زمان لازم است تا باتري يک تلفن همراه به طور کامل شارژ شود. باتريهاي گرافيني اين زمان را به حدود ده دقيقه کاهش ميدهند. گروهي از پژوهشگران چندين دانشگاه و مرکز تحقيقاتي، الکترودهاي مورد استفاده در اين باتريها را براي توليد انبوه تحت امتياز شرکتي موسوم به Vorbec Materials به ثبت رسانده اند.اظهارات متخصصان و پژوهشگران حاکی از آن است که محصولات گرافيني تا صنعتی شدن فاصله زيادی ندارند. به هر حال، همگام با افزايش نيازهای علمی و محاسباتی مواد جديدی پا به عرصه میگذارند که استفاده از آنها ميتواند بين عرضه و تقاضا تعادل ايجاد کند.