آشنایی با گرافن (Graphene)

گرافن شکلی دیگر از کربن در قالبی دو بعدی و ضخامتی برابر یک اتم است که به شکل شبکه‌ای لانه‌زنبوری از حفره‌های ۶ ضلعی دیده می‌شود و مقاومتی بالاتر از فولاد دارد.

گرافن از ساختار پايه‌اي مشابه با گرافيت،‌ ذغال، فولرن و نانولوله‌هاي كربني برخوردار است و در عين حال مي‌توان آن را به عنوان يك مولكول آروماتيكي بزرگ در نظر گرفت. اين ماده از خواص خارق‌العاده متعددي برخوردار است. گرافن ۲۰۷ برابر قوي‌تر از فولاد است،‌ مي‌تواند گرما و برق را با بيشترين بهره‌وري هدايت كند و تقريبا شفاف است. دانشمندان همچنين تاكنون توانسته‌اند ويژگي‌هايي از قبيل اثر دوقطبي ترانزيستوري، انتقال بالستيكي بارهاي الكتريكي و نوسانات بزرگ كوانتومي را در آن مشاهده كنند.

دانشمندان سال‌هاي سال درباره وجود اين ماده نظريه پردازي مي‌كرده‌اند و چه بسا در طول اين مدت بارها و بارها گرافن را به صورت تصادفي و در حين استفاده از مداد يا ديگر محصولات گرافيت محور توليد كرده‌باشند. اما در اصل اين ماده اولين بار در سال ۲۰۰۴ توسط دو دانشمند روسی-بریتانیایی، آندره گایم و کنستانتین نووسلوف در دانشگاه منچستر کشف شد و از آنجايي كه توليد گرافن با درجه خلوص بالا به شدت آسان به نظر مي‌آمد،‌ زمينه انجام مطالعات بيشتر در زمينه اين ماده دوبعدي فراهم آمد.

نام گرافن تركيبي از واژه گرافيت و پسوند ene است كه در سال ۱۹۶۲ توسط هانس پيتر بوهم به فويلي تك‌لايه‌اي از كربن نسبت داده شد.

آندره گايم و کنستانتین نووسلوف گرافن را به صورت اتفاقي كشف كردند،‌آنهم در روزهايي كه گايم به شدت در تلاش بود با استفاده از هر تكنيكي به باريك‌ترين لايه از كربن دست بيابد. نووسلوف كه يكي از دانشجویان ارشد گایم به شمار مي‌رفت، در يكي از اين روزها توجه او را به لایه خاکستری‌رنگ رقیقی جلب کرد که روی چسب نواری درون سطل زباله ديده مي‌شد.

لایه‌های سازنده گرافیت از پیوند ضعیفی برخوردارند از این رو سطح چسبنده نوار چسب به راحتی می‌تواند تکه‌های کوچک را از سطح گرافیت بلند کند. گایم با بررسی تکه‌ای از این چسب زیر میکروسکوپ دریافت لایه تشکیل شده باریک‌ترین لایه کربنی است که تاکنون مشاهده کرده‌است.

اين دو توانستند به این شیوه اولین ماده دوبعدی که تاکنون در جهان کشف شده را از گرافیت استخراج کنند، لایه‌ای به ضخامت یک اتم از جنس کربن که در زیر میکروسکوپ به شکل شبکه‌ای از اتصالات ۶ ضلعی در الگوی لانه‌زنبوری دیده می‌شود.

فیزیکدانان نظری بارها و بارها درباره این ماده گمانه‌زنی‌هایی کرده‌بودند، اما باور داشتند ماده‌ای به ضخامت یک اتم در دمای اتاق دوام نخواهد‌آورد و به شکل گلوله‌های میکروسکوپیک تجزیه خواهد‌شد. اما گایم برخلاف این تصورات، مشاهده کرد گرافن در دمای اتاق کاملاپایدار و مقاوم است.

اين دو فيزيكدان به تدريج توانستند ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد گرافن از جمله رسانایی بالای آن را كه هزاران برابر بيشتر از مس است را کشف کنند. اثر میدان در گرافن ويژگي ديگري بود كه اين دو دانشمند به آن پی بردند، واکنشی که برخی از مواد با قرارگیری در نزدیکی میدان الکتریکی از خود نشان داده و به دانشمندان امکان می‌دهند میزان رسانایی ماده را تغییر دهند. اثر میدان یکی از مشهورترین ویژگی‌های سیلیکون است که در تولید تراشه‌های رایانه‌ای کاربردی فراوان دارد، از این رو می‌توان گرافن را جایگزینی مناسب برای سیلیکون درنظر گرفت.

انتشار مقاله سه صفحه‌ای گایم و نووسلوف درباره گرافن كه نيچر دوبار از چاپ آن سرباز زد،‌ در اکتبر ۲۰۰۴ در ساينس منتشر شد و بازخورد خوبي را از سوي دانشمندان جهان به خود جلب كرد و علاوه بر اين، گايم و نووسلوف ۶ سال پس از كشف باريك‌ترين ماده جهان،‌نوبل فيزيك سال ۲۰۱۰ را نيز از آن خود ساختند.

به تدريج دانشمندان دريافتند گرافن تنها شكلي از كربن است كه در آن اتم‌ها تنها از دو سمت آماده ايجاد واكنش‌هاي شيميايي هستند، زيرا گرافن ساختاري دوبعدي دارد. علاوه براين اتم‌هايي كه در انتهاي حاشيه صفحه گرافن واقع شده‌اند از غيرفعالي شيميايي ويژه‌اي برخوردارند. اين ماده علاوه بر استقامت بالا،‌ از انعطاف‌پذیرتري بالايي نيز برخوردار است و توانايي كشساني آن ۱۲۰ برابر طول اولیه محاسبه شده‌است كه با در نظر گرفتن رسانایی شديد الكتريكي كه ۲۵۰ برابر سریعتر از سیلیکون است، گرافن به ماده‌ای با قابلیت‌های نامحدود تبدیل شده‌است.

بيشتر كاربري‌هايي كه تاكنون براي اين ماده ارزشمند در نظر گرفته شده، هنوز تكميل نشده و در دست ساخت هستند و محصولات تجاري بسيار محدودي با استفاده از اين ماده توليد شده‌اند. تاكنون كارايي‌هاي اين ماده در زمينه توليد باتری‌هایی با طول عمر بالا، نمایشگرهای قابل انعطاف،نمک‌زدایی از آب، بهبود عملكرد سلول‌های خورشیدی و ساخت ریزرایانه‌های فوق سریع تعريف شده‌است.

اشتراک گذاری در:

تبادل نظر

دیدگاه بگذارید

اولین نفری باشید که دیدگاه میگذارد

به من اطلاع بده
avatar
wpDiscuz

پربازدیدهای علمی

Sorry. No data so far.

آخرین خبرهای این سرویس