ما هو استخدام الجرافين؟تتيح لك حالتا التطبيق فهم احتمالية تطبيق الجرافين

وفي عام 2010، فاز جيم ونوفوسيلوف بجائزة نوبل في الفيزياء لعملهما في مجال الجرافين.لقد تركت هذه الجائزة انطباعًا عميقًا لدى الكثير من الناس.ففي نهاية المطاف، ليست كل الأدوات التجريبية الحائزة على جائزة نوبل شائعة مثل الشريط اللاصق، وليس كل كائن بحثي سحريًا وسهل الفهم مثل الجرافين "البلوري ثنائي الأبعاد".يمكن منح العمل في عام 2004 في عام 2010، وهو أمر نادر في سجل جائزة نوبل في السنوات الأخيرة.

الجرافين هو نوع من المواد التي تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة بشكل وثيق في شبكة سداسية على شكل قرص العسل ثنائية الأبعاد.مثل الماس والجرافيت والفوليرين وأنابيب الكربون النانوية والكربون غير المتبلور، فهي مادة (مادة بسيطة) مكونة من عناصر الكربون.كما هو موضح في الشكل أدناه، يمكن رؤية الفوليرين وأنابيب الكربون النانوية على أنها ملفوفة بطريقة ما من طبقة واحدة من الجرافين، والتي يتم تكديسها بواسطة طبقات عديدة من الجرافين.استمرت الأبحاث النظرية حول استخدام الجرافين لوصف خصائص مختلف المواد الكربونية البسيطة (الجرافيت وأنابيب الكربون النانوية والجرافين) لما يقرب من 60 عامًا، ولكن يُعتقد عمومًا أن مثل هذه المواد ثنائية الأبعاد يصعب وجودها بمفردها بشكل ثابت. تعلق فقط على سطح الركيزة ثلاثي الأبعاد أو داخل المواد مثل الجرافيت.لم يكن الأمر كذلك حتى عام 2004 عندما قام أندريه جيم وطالبه كونستانتين نوفوسيلوف بتجريد طبقة واحدة من الجرافين من الجرافيت من خلال التجارب التي حقق فيها البحث على الجرافين تطورًا جديدًا.

يمكن اعتبار كل من الفوليرين (يسار) وأنابيب الكربون النانوية (وسط) ملتفين بواسطة طبقة واحدة من الجرافين بطريقة ما، بينما يتم تكديس الجرافيت (يمين) بواسطة طبقات متعددة من الجرافين من خلال اتصال قوة فان دير فال.

في الوقت الحاضر، يمكن الحصول على الجرافين بعدة طرق، والطرق المختلفة لها مزاياها وعيوبها.حصل جيم ونوفوسيلوف على الجرافين بطريقة بسيطة.وباستخدام شريط شفاف متوفر في محلات السوبر ماركت، قاموا بتجريد الجرافين، وهو عبارة عن ورقة من الجرافيت تحتوي على طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون، من قطعة من الجرافيت الحراري عالي الجودة.هذا مناسب، لكن إمكانية التحكم ليست جيدة جدًا، ولا يمكن الحصول إلا على الجرافين بحجم أقل من 100 ميكرون (عُشر المليمتر)، والذي يمكن استخدامه للتجارب، ولكن من الصعب استخدامه لأغراض عملية. التطبيقات.يمكن لترسيب البخار الكيميائي أن ينمو عينات من الجرافين بحجم عشرات السنتيمترات على سطح المعدن.على الرغم من أن المساحة ذات الاتجاه الثابت تبلغ 100 ميكرون فقط [3،4]، إلا أنها كانت مناسبة لاحتياجات الإنتاج لبعض التطبيقات.هناك طريقة شائعة أخرى وهي تسخين بلورة كربيد السيليكون (SIC) إلى أكثر من 1100 درجة مئوية في الفراغ، بحيث تتبخر ذرات السيليكون القريبة من السطح، ويتم إعادة ترتيب ذرات الكربون المتبقية، والتي يمكنها أيضًا الحصول على عينات من الجرافين ذات خصائص جيدة.

الجرافين مادة جديدة ذات خصائص فريدة: موصليتها الكهربائية ممتازة مثل النحاس، وموصليتها الحرارية أفضل من أي مادة معروفة.انها شفافة جدا.سيتم امتصاص جزء صغير فقط (2.3%) من الضوء المرئي الساقط عموديًا بواسطة الجرافين، وسوف يمر معظم الضوء من خلاله.إنه كثيف جدًا لدرجة أنه حتى ذرات الهيليوم (أصغر جزيئات الغاز) لا يمكنها المرور عبره.هذه الخصائص السحرية ليست موروثة مباشرة من الجرافيت، ولكن من ميكانيكا الكم.خصائصها الكهربائية والبصرية الفريدة تحدد أن لديها آفاق تطبيق واسعة.

وعلى الرغم من أن الجرافين لم يظهر إلا منذ أقل من عشر سنوات، إلا أنه أظهر العديد من التطبيقات التقنية، وهو أمر نادر جدًا في مجالات الفيزياء وعلوم المواد.يستغرق الأمر أكثر من عشر سنوات أو حتى عقود حتى تنتقل المواد العامة من المختبر إلى الحياة الحقيقية.ما هو استخدام الجرافين؟دعونا ننظر إلى مثالين.

القطب الشفاف الناعم
في العديد من الأجهزة الكهربائية، يجب استخدام مواد موصلة شفافة كأقطاب كهربائية.الساعات الإلكترونية والآلات الحاسبة وأجهزة التلفزيون وشاشات الكريستال السائل وشاشات اللمس والألواح الشمسية والعديد من الأجهزة الأخرى لا يمكن أن تترك وجود أقطاب كهربائية شفافة.يستخدم القطب الشفاف التقليدي أكسيد القصدير الإنديوم (ITO).بسبب السعر المرتفع ومحدودية إمدادات الإنديوم، فإن المادة هشة وتفتقر إلى المرونة، ويجب ترسيب القطب في الطبقة الوسطى من الفراغ، والتكلفة مرتفعة نسبيًا.لفترة طويلة، كان العلماء يحاولون العثور على بديل له.وبالإضافة إلى متطلبات الشفافية والتوصيل الجيد وسهولة التحضير، فإذا كانت مرونة المادة نفسها جيدة، فإنها ستكون مناسبة لصنع «الورق الإلكتروني» أو غيره من أجهزة العرض القابلة للطي.لذلك، تعد المرونة أيضًا جانبًا مهمًا جدًا.الجرافين هو مادة مناسبة جدًا للأقطاب الكهربائية الشفافة.

حصل باحثون من سامسونج وجامعة تشنغ جونجوان في كوريا الجنوبية على جرافين بطول قطري 30 بوصة عن طريق ترسيب البخار الكيميائي ونقله إلى فيلم بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) بسمك 188 ميكرون لإنتاج شاشة تعمل باللمس تعتمد على الجرافين [4].كما هو موضح في الشكل أدناه، يتم أولاً ربط الجرافين المزروع على رقائق النحاس بشريط التجريد الحراري (الجزء الأزرق الشفاف)، ثم يتم إذابة رقائق النحاس بالطريقة الكيميائية، وأخيرًا يتم نقل الجرافين إلى فيلم PET عن طريق التسخين .

معدات الحث الكهروضوئية الجديدة
يتمتع الجرافين بخصائص بصرية فريدة جدًا.وعلى الرغم من وجود طبقة واحدة فقط من الذرات، إلا أنها تستطيع امتصاص 2.3% من الضوء المنبعث في كامل نطاق الطول الموجي من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء.هذا الرقم لا علاقة له بالمعلمات المادية الأخرى للجرافين ويتم تحديده بواسطة الديناميكا الكهربائية الكمومية [6].سيؤدي الضوء الممتص إلى توليد ناقلات (الإلكترونات والثقوب).يختلف توليد ونقل الناقلات في الجرافين اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في أشباه الموصلات التقليدية.وهذا يجعل الجرافين مناسبًا جدًا لمعدات الحث الكهروضوئي فائقة السرعة.ومن المقدر أن معدات الحث الكهروضوئية هذه قد تعمل بتردد 500 جيجا هرتز.وإذا تم استخدامه لنقل الإشارات، فيمكنه نقل 500 مليار صفر أو واحد في الثانية، وإكمال نقل محتويات قرصي بلو راي في ثانية واحدة.

استخدم خبراء من مركز أبحاث IBM Thomas J. Watson في الولايات المتحدة الجرافين لتصنيع أجهزة الحث الكهروضوئي التي يمكن أن تعمل بتردد 10 جيجا هرتز [8].أولاً، تم تحضير رقائق الجرافين على ركيزة من السيليكون مغطاة بالسيليكا بسمك 300 نانومتر عن طريق "طريقة تمزيق الشريط"، ثم تم تصنيع أقطاب الذهب البلاديوم أو الذهب التيتانيوم بفاصل 1 ميكرون وعرض 250 نانومتر.وبهذه الطريقة، يتم الحصول على جهاز الحث الكهروضوئي القائم على الجرافين.

رسم تخطيطي لمعدات الحث الكهروضوئي للجرافين وصور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للعينات الفعلية.الخط الأسود القصير في الشكل يتوافق مع 5 ميكرون، والمسافة بين الخطوط المعدنية هي ميكرون واحد.

من خلال التجارب، وجد الباحثون أن جهاز الحث الكهروضوئي ذو الهيكل المعدني من الجرافين المعدني يمكن أن يصل إلى تردد العمل 16 جيجا هرتز على الأكثر، ويمكنه العمل بسرعة عالية في نطاق الطول الموجي من 300 نانومتر (بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية) إلى 6 ميكرون (الأشعة تحت الحمراء)، بينما لا يمكن لأنبوب الحث الكهروضوئي التقليدي الاستجابة لضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجة أطول.تردد العمل لمعدات الحث الكهروضوئي للجرافين لا يزال لديه مجال كبير للتحسين.أدائها المتفوق يجعل لديها مجموعة واسعة من آفاق التطبيق، بما في ذلك الاتصالات والتحكم عن بعد والرصد البيئي.

باعتبارها مادة جديدة ذات خصائص فريدة من نوعها، فإن الأبحاث حول تطبيق الجرافين تظهر الواحدة تلو الأخرى.ومن الصعب علينا تعدادهم هنا.في المستقبل، قد تكون هناك أنابيب تأثير ميداني مصنوعة من الجرافين، ومفاتيح جزيئية مصنوعة من الجرافين، وكاشفات جزيئية مصنوعة من الجرافين في الحياة اليومية... الجرافين الذي يخرج تدريجياً من المختبر سوف يلمع في الحياة اليومية.

يمكننا أن نتوقع ظهور عدد كبير من المنتجات الإلكترونية التي تستخدم الجرافين في المستقبل القريب.فكر في كم سيكون مثيرًا للاهتمام لو كان من الممكن لف هواتفنا الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الخاصة بنا، أو تثبيتها على آذاننا، أو وضعها في جيوبنا، أو لفها حول معصمينا عندما لا تكون قيد الاستعمال!