ما هو استخدام الجرافين؟ تتيح لك حالتان للتطبيق فهم احتمال تطبيق الجرافين

في عام 2010 ، فاز Geim و Novoselov بجائزة نوبل في الفيزياء لعملهما على الجرافين. تركت هذه الجائزة انطباعًا عميقًا على الكثير من الناس. بعد كل شيء ، ليس كل أداة تجريبية لجائزة نوبل شائعة مثل شريط لاصق ، وليس كل كائن بحث سحري وسهل الفهم مثل الجرافين "ثنائي الأبعاد". يمكن منح العمل في عام 2004 في عام 2010 ، وهو أمر نادر الحدوث في سجل جائزة نوبل في السنوات الأخيرة.

الجرافين هو نوع من المادة التي تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة عن كثب في شعرية سداسية قرص العسل ثنائية الأبعاد. مثل الماس ، الجرافيت ، الفوليرين ، الأنابيب النانوية الكربونية والكربون غير المتبلور ، فهي مادة (مادة بسيطة) تتكون من عناصر الكربون. كما هو موضح في الشكل أدناه ، يمكن اعتبار أنابيب الفوليرين وأنابيب الكربون على أنها مدفوعة بطريقة ما من طبقة واحدة من الجرافين ، والتي يتم تكديسها بواسطة العديد من طبقات الجرافين. استمرت الأبحاث النظرية حول استخدام الجرافين لوصف خصائص المواد البسيطة الكربونية المختلفة (الجرافيت ، الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين) منذ ما يقرب من 60 عامًا ، ولكن يُعتقد عمومًا أن مثل هذه المواد ثنائية الأبعاد يصعب أن تكون موجودة بمفردها ، متصل فقط بسطح الركيزة ثلاثي الأبعاد أو المواد الداخلية مثل الجرافيت. لم يكن حتى عام 2004 أن أندريه جيم وطالبه كونستانتين نوفوسيلوف قاموا بتجريد طبقة واحدة من الجرافين من الجرافيت من خلال التجارب التي حققها البحث على الجرافين تطوراً جديداً.

يمكن اعتبار كل من Fullerene (يسار) والأنابيب النانوية الكربونية (الأوسط) يتم توزيعها بواسطة طبقة واحدة من الجرافين بطريقة ما ، بينما يتم تكديس الجرافيت (يمين) بواسطة طبقات متعددة من الجرافين من خلال اتصال Van der Waals.

في الوقت الحاضر ، يمكن الحصول على الجرافين بعدة طرق ، والأساليب المختلفة لها مزايا وعيوبها. حصل Geim و Novoselov على الجرافين بطريقة بسيطة. باستخدام شريط شفاف متوفر في محلات السوبر ماركت ، قاموا بتجريد الجرافين ، وهي ورقة جرافيت مع طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون سميكة ، من قطعة من الجرافيت الحراري عالي الترتيب. هذا مريح ، لكن قابلية التحكم ليست جيدة ، ويمكن الحصول على الجرافين بحجم أقل من 100 ميكرون (واحد عُشر ملليمتر) فقط ، والذي يمكن استخدامه للتجارب ، ولكن من الصعب استخدامه للعمليات التطبيقات. يمكن لترسيب البخار الكيميائي أن ينمو عينات من الجرافين مع حجم عشرات سنتيمترات على سطح المعدن. على الرغم من أن المنطقة ذات الاتجاه الثابت هي 100 ميكرون فقط [3،4] ، إلا أنها كانت مناسبة لاحتياجات إنتاج بعض التطبيقات. هناك طريقة شائعة أخرى تتمثل في تسخين بلورة كربيد السيليكون (SIC) إلى أكثر من 1100 ℃ في الفراغ ، بحيث تتبخر ذرات السيليكون بالقرب من السطح ، ويتم إعادة ترتيب ذرات الكربون المتبقية ، والتي يمكن أيضًا الحصول على عينات من الجرافين ذات خصائص جيدة.

الجرافين عبارة عن مادة جديدة ذات خصائص فريدة من نوعها: الموصلية الكهربائية ممتازة مثل النحاس ، وموصليةه الحرارية أفضل من أي مادة معروفة. إنه شفاف للغاية. سيتم امتصاص جزء صغير فقط (2.3 ٪) من الضوء الرأسي المرئي بواسطة الجرافين ، وسيمر معظم الضوء. من الكثافة بحيث لا يمكن أن تمر ذرات الهيليوم (أصغر جزيئات الغاز). هذه الخصائص السحرية ليست موروثة مباشرة من الجرافيت ، ولكن من ميكانيكا الكم. تحدد خصائصه الكهربائية والبصرية الفريدة أن لديها آفاق تطبيق واسعة.

على الرغم من أن الجرافين ظهر فقط لأقل من عشر سنوات ، فقد أظهر العديد من التطبيقات الفنية ، وهو أمر نادر جدًا في مجالات الفيزياء وعلوم المواد. يستغرق الأمر أكثر من عشر سنوات أو حتى عقودًا حتى تنتقل المواد العامة من المختبر إلى الحياة الحقيقية. ما هو استخدام الجرافين؟ دعونا نلقي نظرة على مثالين.

قطب كهربائي شفاف ناعم
في العديد من الأجهزة الكهربائية ، يجب استخدام مواد موصلة شفافة كأقطاب أقطاب. لا يمكن للساعات الإلكترونية ، والحساب ، وأجهزة التلفزيون ، وشاشات الكريستال السائل ، وشاشات اللمس ، والألواح الشمسية والعديد من الأجهزة الأخرى ، وجود أقطاب شفافة. يستخدم القطب الشفاف التقليدي أكسيد القصدير الإنديوم (ITO). نظرًا لارتفاع السعر ومحدود الإمداد من الإنديوم ، فإن المادة هشة وعدم وجود مرونة ، ويجب إيداع القطب في الطبقة الوسطى من الفراغ ، والتكلفة مرتفعة نسبيًا. لفترة طويلة ، كان العلماء يحاولون العثور على بديل. بالإضافة إلى متطلبات الشفافية والتوصيل الجيد والإعداد السهل ، إذا كانت مرونة المادة نفسها جيدة ، فستكون مناسبة لصنع "ورق إلكتروني" أو أجهزة عرض قابلة للطي أخرى. لذلك ، المرونة هي أيضا جانب مهم جدا. الجرافين مثل هذه المادة ، وهي مناسبة للغاية للأقطاب الشفافة.

حصل باحثون من جامعة سامسونج وشنغجونغوان في كوريا الجنوبية على الجرافين بطول قطري يبلغ 30 بوصة عن طريق ترسب البخار الكيميائي ونقله إلى فيلم بولي إيثيلين ثنائي ميكرون (PET) الذي يبلغ طوله 188 ميكرون لإنتاج شاشة لمس الجرافين [4]. كما هو موضح في الشكل أدناه ، يتم ربط الجرافين المزروع على رقائق النحاس أولاً بشريط التجريد الحراري (جزء شفاف أزرق) ، ثم يتم إذابة رقائق النحاس بالطريقة الكيميائية ، وأخيراً يتم نقل الجرافين إلى فيلم PET عن طريق التسخين .

معدات تحريض كهروضوئية جديدة
يحتوي الجرافين على خصائص بصرية فريدة للغاية. على الرغم من وجود طبقة واحدة فقط من الذرات ، إلا أنها يمكن أن تمتص 2.3 ٪ من الضوء المنبعث في نطاق الطول الموجي بأكمله من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء. هذا الرقم لا علاقة له بمعلمات المواد الأخرى من الجرافين ويتم تحديدها بواسطة الديناميكا الكهربائية الكمومية [6]. سيؤدي الضوء الممتص إلى توليد شركات النقل (الإلكترونات والثقوب). يختلف توليد ونقل الناقلات في الجرافين تمامًا عن تلك الموجودة في أشباه الموصلات التقليدية. هذا يجعل الجرافين مناسبًا جدًا لمعدات التعريفية الكهروضوئية فائقة السرعة. تشير التقديرات إلى أن هذه المعدات التعريفية الكهروضوئية قد تعمل بتردد 500 جيجا هرتز. إذا تم استخدامه لإرسال الإشارة ، فيمكنه نقل 500 مليار من الأصفار أو تلك في الثانية ، وإكمال نقل محتويات أقراص Blu Ray في ثانية واحدة.

استخدم خبراء من مركز أبحاث IBM Thomas J. Watson في الولايات المتحدة الجرافين لتصنيع أجهزة تحريض كهروضوئية يمكن أن تعمل بتردد 10 جيجا هرتز [8]. أولاً ، تم تحضير رقائق الجرافين على ركيزة من السيليكون مغطاة بسيليكا سميكة 300 نانومتر بواسطة "طريقة تمزيق الشريط" ، ثم تم صنع أقطاب بالاديوم الذهب أو التيتانيوم مع فاصل واحد من ميكرون وعرض 250 نانومتر. وبهذه الطريقة ، يتم الحصول على جهاز تحريض كهروضوئي يعتمد على الجرافين.

رسم تخطيطي لأجهزة التعريفي الكهروضوئية للجرافين ومسح صور مجهر الإلكترون (SEM) للعينات الفعلية. يتوافق الخط القصير الأسود في الشكل مع 5 ميكرون ، والمسافة بين الخطوط المعدنية هي ميكرون واحد.

من خلال التجارب ، وجد الباحثون أن هذا الجهاز الحث المعدني للطبقة المعدنية بالجرافين يمكن أن يصل إلى تردد العمل البالغ 16 جيجا هرتز على الأكثر ، ويمكن أن يعمل بسرعة عالية في نطاق الطول الموجي من 300 نانومتر (بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية) إلى 6 ميكرون (الأشعة تحت الحمراء) ، بينما لا يمكن أن يكون أنبوب الحث الكهروضوئي التقليدي الاستجابة للضوء بالأشعة تحت الحمراء بطول موجة أطول. لا تزال تردد العمل في المعدات الحثية الكهروضوئية الجرافين لديها مجال كبير للتحسين. إن أدائها المتفوق يجعلها تحتوي على مجموعة واسعة من آفاق التطبيق ، بما في ذلك الاتصال والتحكم عن بُعد والمراقبة البيئية.

كمواد جديدة ذات خصائص فريدة ، يظهر البحث في تطبيق الجرافين واحدة تلو الأخرى. من الصعب علينا أن نعددهم هنا. في المستقبل ، قد تكون هناك أنابيب تأثير ميدانية مصنوعة من الجرافين ، والمفاتيح الجزيئية المصنوعة من الجرافين والكشف الجزيئي المصنوعة من الجرافين في الحياة اليومية ... الجرافين الذي يخرج تدريجياً من المختبر سوف يتألق في الحياة اليومية.

يمكننا أن نتوقع أن يظهر عدد كبير من المنتجات الإلكترونية التي تستخدم الجرافين في المستقبل القريب. فكر في مدى إثارة الأمر الذي سيكون عليه الأمر إذا كان من الممكن طرح هواتفنا الذكية وكتب نتبووك ، أو مثبتة على أذنينا ، أو محشوة في جيوبنا ، أو ملفوفة حول معصمينا عندما لا تكون قيد الاستخدام!