گرافن

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :



در این بخش می خواهیم به ماده ای نوظهور به نام گرافن بپردازیم.

اگر مهندسان شیمی و علم مواد، قرن بیستم میلادی را قرن پلاستیک بنامند، بدون شک پادشاهی مواد نو‌ظهور در قرن بیست و یکم به گرافن (Graphene) می‌رسد.

گرافن یک ماده تازه کشف شده به شکل لانه‌ زنبوری بوده که ضخامتی به اندازه یک اتم دارد.
احتمالاً در خیلی از ژورنال‌های علمی-خبری با عنوان‌هایی نظیر سبک‌ترین، قوی‌ترین، نازک‌ترین، بهترین هادی حرارتی و الکتریکی برای این ماده تازه کشف شده روبه‌رو شده‌اید.

این ماده که توسط «آندره گایم» (Andre Geim) و «کنستانتین نووسلف» (Konstantin Novoselov) در سال 2004 در دانشگاه منچستر ساخته شد.
لازم به ذکر است که جایزه نوبل فیزیک 2010 نیز به دلیل ساخت این ماده دو بعدی به این دو دانشمند اهدا شد.

جدا از گرافیت و الماس، دانشمندان انوع مختلفی از ساختارهای کربنی را با ویژگی‌های جالب توجه توسعه داده‌اند.
ساختار های کربنی مثل فولرین ها، نانولوله های کربنی و گرافن.

در ادامه اشاره کوچکی به این ساختار ها می کنیم.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در بخش قبل گفتیم که کربن علاوه بر الماس و گرافیت دارای ساختار های متفاوتی است که :
به طور مثال فولرین‌های (Fullerenes) کشف شده در سال 1985 شامل قفسه‌های توخالی اتم‌های کربن نظیر باکی‌بال (شبیه به یک توپ فوتبال با 60 اتم کربن)، نانولوله‌های کربنی (Nanotubes) کشف شده در سال 1991 که شامل ورقه‌های تخت اتم‌های کربن هستند که با قطری حدود چند نانومتر به صورت لوله درآمده‌ و نهایتاً گرافن کشف شده در سال 2004، نمونه‌هایی از ساختارهای مختلف کربنی هستند.

گرافن چیزی جز یک لایه گرافیت نیست. فقط یک لایه نازک به ضخامت یک اتم.
گرافن ساختاری دو بعدی دارد.

به عبارت دیگر اتم‌ها در صفحه‌ای تخت (مثل توپ‌های بازی بیلیارد روی میز) جای گرفته‌اند. هر لایه گرافن از حلقه‌های کربنی شش وجهی (Hexagonal) ساخته‌ شده‌اند که ساختاری لانه زنبوری را پدید می‌آورند. گفتیم که هر لایه گرافن ضخامتی به اندازه قطر یک اتم دارد، یعنی اگر شما بخواهید ساختاری گرافنی با قطر حدود یک میلی‌متر بسازید نیاز به 3 میلیون لایه گرافن دارید.

امروزه دانشمندان روی مواد مختلفی بر پایه ساختار گرافن تحقیق می‌کنند. انتظار می‌رود که روزی کلمه ساختار گرافنی همانند کلمه پلاستیکی که اشاره به انواع مختلف ساختارهای پلاستیکی دارد، برای طیف وسیعی از مواد گرافنی به کار رود.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :



در بخش های قبل به تعریف گرافن پرداختیم، حال می خواهیم به ویژگی های آن بپردازیم.

در هر سال کشفیات و اختراعات زیادی ثبت و ارائه می‌شوند. اما تنها تعداد معدودی شگفت‌انگیز و جالب توجه هستند.
گرافن کشف شده در سال 2004 از حیث ویژگی‌های جالب توجه‌اش بسیار مورد توجه جامعه جهانی قرار گرفت.
به طور خلاصه این ساختار بسیار محکم و نازک، بسیار سبک، تقریباً شفاف، هادی حرارتی و الکتریکی بسیار خوب و همچنین ویژگی‌هایی خاص در علم الکترونیک دارد.



ویژگی‌‌های عمومی :

گرافن یک ماده خالص بر پایه کربن است. گرافن ساختاری ساده، منظم و شش ضلعی از کربن اما بسیار محکم است.
از لحاظ الکتریسیته دانشمندان کربن را در دسته نیمه رسانا (نیمه هادی) همانند ژرمانیوم و سیلیکون تقسیم‌بندی می‌کنند.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :



استحکام و سختی :

اگر تا به حال با یک مداد نرم (نظیر 4B4B) متنی را با سرعت زیاد نوشته باشید، متوجه نرمی این مداد شده‌اید.
در واقع لایه‌های کربنی به راحتی از مغز مداد (گرافیت) جدا شده و روی کاغذ می‌نشینند. همانطور که در بخش های قبل اشاره کردیم، پیوند بین لایه‌ها در گرافیت قوی نبوده و به راحتی شکسته می‌شود. اما پیوند درون این لایه‌ها، در واقع پیوند بین کربن‌هایی که این لایه را می‌سازند بسیار محکم (مثل نانولوله‌های کربنی) است.

تا به امروز گرافن مستحکم‌ ترین ماده کشف شده (بیشتر از الماس و تا 200 برابر قوی‌تر از فولاد) توسط بشر محسوب می‌شود.

به طور قابل توجهی، گرافن سفت و محکم اما انعطاف‌پذیر است؛ به طوری که اگر آن را تا 20 الی 25 درصد طولش بکشید (خم کنید)، بدون شکستن پیوند بین اتم‌هایش در مقابل عمل شما منعطف است.
دلیل این خواص فوق‌العاده هنوز به طور دقیق مشخص نیست. اما فرض کنید که بتوان گرافن را با سایر مواد (مثل پلاستیک) ترکیب کنیم. در این صورت مخلوطی سفت و سخت اما نازک و سبک ساخته‌ایم که می‌تواند کاربردهای فراوانی در صنعت داشته باشد.
تصور کنید که در بدنه یک ماشین سواری از این ماده ترکیبی استفاده کنیم؛ سبکی و نازکی در کنار استحکام و سختی بالا در صرفه‌جویی انرژی موثر بوده و بدون شک آینده به سمت استفاده از این دست مواد ترکیبی به پیش می‌ رود.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در این بخش به ویژگی های دیگری از گرافن بطور خلاصه می پردازیم.

نازک و سبک :

ماده با ضخامت یک اتم، قاعدتاً بسیار سبک و نازک است.
شما می‌توانید مساحت یک زمین فوتبال را با لایه‌ای از گرافن با وزن کمتر از یک گرم پوشش دهید و یا با لایه‌ای از گرافن به وزن 1500 تا 2000 تن (حدود 1000 عدد ماشین سواری) کل ایالات متحده را پوشش دهید.



رسانای حرارتی :

اگر استحکام، سختی زیاد، نازکی و حتی سبکی برایتان کافی نیست، گرافن توانایی خیلی بالایی در هدایت گرمایی حتی بیشتر از نقره و مس یا گرافیت و الماس دارد.
اضافه و استفاده کردن گرافن در ساختارهای مختلف باعث افزوده شدن خواص مد نظر گرافن به آن ماده شده که می‌تواند به کاربردهای متنوعی منجر شود.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :



رسانای الکتریکی :

در کنار رسانندگی گرمایی زیاد، رسانایی الکتریکی بالا را نیز به خواص شگفت انگیز گرافن اضافه کنید.
هر دو ویژگی انتقال گرمایی و الکتریکی می‌توانند برای انتقال انرژی توسط الکترون‌ها مفید باشند.

ساختار تخت شش ضلعی گرافن باعث می‌شود که الکترون‌های آزاد، مقاومت بسیار کمی احساس کنند و در نتیجه گرافن، انتقال الکتریسیته خیلی خوبی (بیشتر از مس) داشته باشد. گرافن در دمای اتاق، حتی در قیاس با ابرسانایی که نیاز به دماهای خیلی پایین دارند، رسانایی خوبی دارد.

الکترو‌ن‌ها در گرافن به دلیل ساختار لایه‌ای، بدون این که در مسیر خود برخورد‌هایی داشته باشند (منظورمان آن چیزی است که مقاومت الکتریکی تعریف می‌شود)، می‌توانند مسیر طولانی‌تری را طی کنند.

تا اینجا ماده‌ای با ویژگی‌های فوق‌العاده سبک و نازک، سخت و سفت که توانایی الکتریکی بالایی با کمترین اتلاف انرژی ممکن داریم.
انتظار می‌رود در آینده ادواتی نظیر تلفن همراه با عمر باتری طولانی داشته باشیم.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در این بخش می خواهیم خواص الکترونیکی گرافن را مورد بررسی قرار دهیم.

خواص الکترونیکی :

به دنبال خواص الکتریکی، کاربردهایی الکترونیکی نیز از گرافن انتظار می‌رود.
همان طور که در بخش های قبل نیز اشاره شد، به دلیل ساختار خاص گرافن، الکترون‌ ها آزادانه و با سرعت بالایی حرکت می‌کنند. از این امر می‌توان در صنعت الکترونیک بهره‌های زیادی برد.

استفاده از خواص گرافن در ساخت و طراحی تراشه‌های کامپیوتری با سرعت بالا و اتلاف انرژی کم دور از انتظار نیست.

همچنین الکترون‌ها در گرافن از حیث سرعت مشابه فوتون‌ ها عمل می‌کنند.
به عبارتی در اینجا دو بحث نسبیت و مکانیک کوانتومی ترکیب شده و از گرافن می‌توان برای مطالعه این امر (مکانیک کوانتومی نسبیتی) به جای شتاب‌ دهنده‌ های گران‌ قیمت یا تلسکوپ‌ های فضایی بهره برد.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در این بخش دوتا از خواص دیگر گرافن را بررسی کرده ایم.


خواص اپتیکی :

گرافن به دلیل نازکی بسیار بالایی که دارد ( لایه‌ای به ضخامت یک اتم ) نور را بیشتر از خود عبور می‌دهد.
در واقع اتم‌های کمتری در مقابل فوتون‌ های تابیده شده به گرافن جهت برخورد وجود داشته و فوتون‌ ها به راحتی از میان آن‌ ها عبور می‌کنند.

گرافن حدود 97~98 درصد نور را در مقایسه با شیشه یکنواخت ( 80~90 درصد عبور ) از خود عبور می‌دهد.



نفوذ ناپذیری :

ساختار شش ضلعی گرافن بسیار ریز مقیاس است. می‌توانیم تصور کنیم که یک لایه توری با بافت بسیار زیر داریم. از این خاصیت می‌توان برای نگه‌داری یا تشخیص گازها استفاده کرد.
در واقع این ساختار شش ضلعی آنقدر کوچک است که مولکول‌ های گاز توانایی عبور از میان آن‌ها را ندارند. از این خاصیت می‌توان در مخزن ذخیره سوخت هیدروژن برای ماشین‌های هیدروژنی بهره برد.