ما هو الجرافين؟ إليك ما يجب أن تعرفه

قراءة متعمقة

• تسعة استخدامات مذهلة للجرافين، بدءًا من تصفية المياه وحتى الطلاء الذكي
• ما هو الهايبرلوب؟ إليك كل ما تحتاج إلى معرفته

اليوم، هناك مادة جديدة لديها القدرة على تغيير المستقبل. يُطلق على الجرافين اسم "المادة الخارقة"، وهو ما جعل الباحثين في جميع أنحاء العالم يتدافعون لفهمه بشكل أفضل. إن قائمة الجرافين الطويلة من السمات المعجزة تجعله يبدو سحريًا تقريبًا، ولكن يمكن أن يكون له آثار حقيقية وجذرية جدًا على مستقبل الفيزياء والهندسة.

ما هو الجرافين بالضبط؟

إن أبسط طريقة لوصف الجرافين هي أنه عبارة عن طبقة رقيقة واحدة من الجرافيت، وهي المادة الناعمة والقشارية المستخدمة في أقلام الرصاص. الجرافيت هو متآصل لعنصر الكربون، مما يعني أنه يمتلك نفس الذرات ولكنها مرتبة بطريقة مختلفة، مما يعطي المادة خصائص مختلفة. على سبيل المثال، يعتبر كل من الماس والجرافيت من أشكال الكربون، إلا أن لهما طبيعة مختلفة تمامًا. الماس قوي بشكل لا يصدق، في حين أن الجرافيت هش. يتم ترتيب ذرات الجرافين في ترتيب سداسي.

ومن المثير للاهتمام أنه عندما يتم عزل الجرافين عن الجرافيت فإنه يكتسب بعض الخصائص المعجزة. يبلغ سمكها ذرة واحدة فقط، وهي أول مادة ثنائية الأبعاد يتم اكتشافها على الإطلاق. وعلى الرغم من ذلك، يعد الجرافين أيضًا أحد أقوى المواد في الكون المعروف. مع قوة شد تبلغ 130 جيجا باسكال، فهي أقوى من الفولاذ بأكثر من 100 مرة.

إن قوة الجرافين المذهلة على الرغم من كونها رقيقة جدًا كافية بالفعل لجعلها مذهلة، ومع ذلك، فإن خصائصها الفريدة لا تنتهي عند هذا الحد. كما أنه مرن وشفاف وموصل للغاية ويبدو أنه غير منفذ لمعظم الغازات والسوائل. يبدو الأمر كما لو أنه لا توجد منطقة لا يتفوق فيها الجرافين.

تاريخ الجرافين: لفة شريط وحلم

كان الجرافيت كمية معروفة منذ زمن طويل (استخدمه البشر منذ العصر الحجري الحديث). إن تركيبه الذري موثق جيدًا، ولفترة طويلة، فكر العلماء في إمكانية عزل طبقات واحدة من الجرافيت. ومع ذلك، حتى وقت قريب، كان الجرافين مجرد نظرية، حيث لم يكن العلماء متأكدين مما إذا كان من الممكن تقطيع الجرافيت إلى شريحة واحدة رقيقة من الذرة. تم اكتشاف أول عينة معزولة من الجرافين في عام 2004 من قبل أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر. قد يتوقع المرء أنهم عزلوا المادة الأسطورية باستخدام قطعة ضخمة ومكلفة من الآلات، ولكن الأداة التي استخدموها كانت بسيطة بشكل مثير للدهشة: لفة من الشريط اللاصق.

عند استخدام الشريط لتلميع كتلة كبيرة من الجرافيت، لاحظ الباحثون وجود رقائق رقيقة بشكل استثنائي على الشريط. ومع الاستمرار في تقشير طبقة وطبقة من رقائق الجرافيت، أنتجوا في النهاية عينة رقيقة قدر الإمكان. لقد عثروا على الجرافين. كان هذا الاكتشاف غريبًا جدًا، وكان العالم العلمي متشككًا في البداية. المجلة الشعبية طبيعة حتى أنهم رفضوا ورقتهم البحثية عن التجربة مرتين. وفي نهاية المطاف، تم نشر بحثهم، وفي عام 2010 حصل جيم ونوفوسيلوف على جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشافهما.

التطبيقات المحتملة

إذا كان الجرافين يحتوي فقط على واحدة من سماته الفائقة العديدة، فإنه سيكون موضوع بحث مكثف حول الاستخدامات المحتملة. نظرًا لكونه مميزًا جدًا في العديد من النواحي، فقد ألهم الجرافين العلماء للتفكير في مجموعة واسعة من الاستخدامات للمادة، في مجالات متنوعة مثل تكنولوجيا المستهلك وعلوم البيئة.

الالكترونيات المرنة

بالإضافة إلى خصائصه الكهربائية القوية، يتميز الجرافين أيضًا بدرجة عالية من المرونة والشفافية. وهذا يجعلها جذابة للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية المحمولة. يمكن أن تصبح الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية أكثر متانة باستخدام الجرافين، وربما يمكن طيها مثل الورق. ازدادت شعبية الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء في الآونة الأخيرة. باستخدام الجرافين، يمكن جعل هذه الأجهزة أكثر فائدة، ومصممة لتناسب الأطراف بشكل مريح وتثنيها لاستيعاب أشكال مختلفة من التمارين.

ومع ذلك، توفر مرونة الجرافين وعرضه المجهري فرصًا تتجاوز مجرد الأجهزة الاستهلاكية. ويمكن أن يكون مفيدًا أيضًا في الأبحاث الطبية الحيوية. ويمكن تصنيع آلات وأجهزة استشعار صغيرة باستخدام الجرافين، لتكون قادرة على التحرك بسهولة ودون ضرر عبر جسم الإنسان، أو تحليل الأنسجة أو حتى توصيل الأدوية إلى مناطق معينة. يعد الكربون بالفعل عنصرًا حاسمًا في جسم الإنسان؛ القليل من الجرافين المضاف قد لا يضر.

الخلايا الشمسية/الخلايا الكهروضوئية

الجرافين موصل للغاية وشفاف. على هذا النحو، لديها إمكانات كبيرة كمادة في الخلايا الشمسية. عادة، تستخدم الخلايا الشمسية السيليكون، الذي ينتج شحنة عندما يضرب الفوتون المواد، مما يؤدي إلى فقدان إلكترون حر. يطلق السيليكون إلكترونًا واحدًا فقط لكل فوتون يضربه. أشارت الأبحاث إلى أن الجرافين يمكنه إطلاق إلكترونات متعددة لكل فوتون يضربه. وعلى هذا النحو، يمكن أن يكون الجرافين أفضل بكثير في تحويل الطاقة الشمسية. وقبل مرور وقت طويل، يمكن لخلايا الجرافين الأرخص والأكثر قوة أن تنتج طفرة هائلة في الطاقة المتجددة.

وتعني الخصائص الكهروضوئية للجرافين أيضًا أنه يمكن استخدامه لتطوير مستشعرات صور أفضل لأجهزة مثل الكاميرات.

أشباه الموصلات

نظرًا لموصليته العالية، يمكن استخدام الجرافين في أشباه الموصلات لزيادة سرعة انتقال المعلومات بشكل كبير. أجرت وزارة الطاقة مؤخرًا اختبارات أظهرت أن البوليمرات شبه الموصلة توصل الكهرباء بشكل أسرع بكثير عند وضعها فوق طبقة من الجرافين مقارنة بطبقة من السيليكون. وهذا ينطبق حتى لو كان البوليمر أكثر سمكًا. عند وضع البوليمر بسمك 50 نانومتر فوق طبقة الجرافين، فإنه يوصل شحنة أفضل من طبقة البوليمر بسمك 10 نانومتر. وهذا يتعارض مع الحكمة السابقة التي تقول بأنه كلما كان البوليمر أرق، كلما كان بإمكانه توصيل الشحنة بشكل أفضل.

أكبر عائق أمام استخدام الجرافين في الإلكترونيات هو افتقاره إلى فجوة نطاقية، وهي الفجوة بين نطاقات التكافؤ والتوصيل في المادة التي، عند عبورها، تسمح بتدفق التيار الكهربائي. فجوة النطاق هي ما يسمح للمواد شبه الموصلة مثل السيليكون بالعمل كترانزستورات. ويمكنها التبديل بين عزل التيار الكهربائي أو توصيله، اعتمادًا على ما إذا كانت إلكتروناتها مدفوعة عبر فجوة النطاق أم لا.

قام الباحثون باختبار مجموعة متنوعة من الأساليب لإعطاء الجرافين فجوة نطاقية؛ وإذا نجح ذلك، فقد يؤدي ذلك إلى تصنيع إلكترونيات أسرع بكثير باستخدام الجرافين.

تنقية المياه

الروابط الذرية الضيقة للجرافين تجعله غير منفذ لجميع الغازات والسوائل تقريبًا. ومن الغريب أن جزيئات الماء هي استثناء. ونظرًا لأن الماء يمكن أن يتبخر من خلال الجرافين، بينما لا تستطيع معظم الغازات والسوائل الأخرى ذلك، فقد يكون الجرافين أداة استثنائية للترشيح. اختبر الباحثون في جامعة مانشستر نفاذية الجرافين بالكحول وتمكنوا من ذلك قم بتقطير عينات قوية جدًا من المشروبات الروحية، حيث أن الماء الموجود في العينات هو فقط القادر على المرور عبرها الجرافين.

وبطبيعة الحال، فإن استخدام الجرافين كمرشح له إمكانات تتجاوز مجرد تقطير المشروبات الروحية القوية. يمكن أن يكون الجرافين أيضًا مفيدًا جدًا في تنقية المياه من السموم. وفي دراسة نشرتها الجمعية الملكية للكيمياء، أظهر الباحثون أن الجرافين المؤكسد يمكن أن يتعادل سحب المواد المشعة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم الموجودة في الماء، وترك السائل خاليًا منها الملوثات. الآثار المترتبة على هذه الدراسة هائلة. يمكن تنظيف بعض أكبر المخاطر البيئية في التاريخ، بما في ذلك النفايات النووية والجريان السطحي للمواد الكيميائية، من مصادر المياه بفضل الجرافين.

وبما أن الزيادة السكانية لا تزال واحدة من المخاوف البيئية الأكثر إلحاحا في العالم، فإن الحفاظ على إمدادات المياه النظيفة سوف يصبح أكثر أهمية. والواقع أن ندرة المياه تؤثر على أكثر من مليار شخص في مختلف أنحاء العالم، وهو الرقم الذي سوف يستمر في الارتفاع نظراً للاتجاهات الحالية. تتمتع مرشحات الجرافين بإمكانيات هائلة لتحسين تنقية المياه، وزيادة كمية المياه العذبة المتاحة. في الواقع، قامت شركة لوكهيد مارتن مؤخراً بتطوير مرشح للجرافين يسمى "بيرفورين"، والذي تدعي الشركة أنه يمكن أن يحدث ثورة في عملية تحلية المياه.

تستخدم محطات تحلية المياه الحالية طريقة تسمى التناضح العكسي لتصفية الملح من مياه البحر. يستخدم التناضح العكسي الضغط لتحريك الماء عبر الغشاء. ومن أجل إنتاج كميات كبيرة من المياه الصالحة للشرب، يتطلب الضغط المتضمن كميات هائلة من الطاقة. أ يدعي مهندس شركة لوكهيد مارتن يمكن لمرشحات Perforene الخاصة بهم أن تقلل من متطلبات الطاقة أقل بمائة مرة من متطلبات المرشحات الأخرى.

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يبتكر الجرافين باستخدام "الثقوب النانوية"

يعد الترشيح أحد أكثر استخدامات الجرافين وضوحًا، وقد قطع مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خطوات كبيرة في تحسين قدرة الجرافين على فصل الجزيئات. في عام 2018توصل فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى طريقة لإنشاء ثقوب صغيرة في صفائح الجرافين. يستخدم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهج "اللفة إلى اللفة" لإنتاج الجرافين. يتضمن إعدادها مكبتين: تقوم إحداهما بتغذية ورقة من النحاس في الفرن حيث يتم تسخينها إلى درجة حرارة مناسبة، ثم يضيف المهندسون غاز الميثان وغاز الهيدروجين، الذي يتسبب بشكل أساسي في تكوين برك من الجرافين لتشكيل. يخرج فيلم الجرافين من الفرن ويلتف على البكرة الثانية.

من الناحية النظرية، تسمح هذه العملية بتكوين صفائح كبيرة من الجرافين في فترة زمنية قصيرة نسبيًا، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التجارية. كان على الباحثين ضبط العملية حتى يتشكل الجرافين بشكل مثالي، ومن المثير للاهتمام أن المحاولات غير المثالية على طول الطريق أثبتت فائدتها لاحقًا. عندما حاول فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إنشاء مسام في الجرافين، بدأوا باستخدام بلازما الأكسجين لنحتها. وبما أن هذه العملية تستغرق وقتًا طويلاً، فقد أرادوا شيئًا أسرع وتطلعوا إلى تجاربهم السابقة بحثًا عن حلول. ومن خلال خفض درجة الحرارة أثناء نمو الجرافين، تمكنوا من ظهور المسام. ما ظهر على أنه عيوب أثناء عملية التطوير انتهى به الأمر إلى أن يكون وسيلة مفيدة لإنشاء جرافين مسامي.

الموصلية الفائقة

بعد فترة ليست طويلة أظهر العلماء في كامبريدج أن الجرافين يمكن أن يعمل كموصل فائق (مادة ليس لها مقاومة كهربائية) عندما يقترن بأكسيد نحاس البراسيوديميوم السيريوم، حسبما ذكر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا اكتشف خاصية أخرى مذهلة: من الواضح أنه يمكن أن يعمل كموصل فائق بمفرده، في التكوين الصحيح. قام الباحثون بتكديس شريحتين من الجرافين، لكن تم تعويضهما بزاوية قدرها 1.1 درجة. ووفقا لتقرير نشر في مجلة نيتشر، فإن "الفيزيائي بابلو جاريلو هيريرو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لم يكن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في كامبريدج وفريقه يبحثون عن الموصلية الفائقة عندما أنشأوا مشروعهم تجربة. وبدلاً من ذلك، كانوا يستكشفون كيف يمكن أن يؤثر الاتجاه المسمى بالزاوية السحرية على الجرافين.

ما اكتشفوه هو أنه عندما مرروا الكهرباء عبر كومة الجرافين المنفصلة، ​​كانت تعمل كموصل فائق. هذه العملية البسيطة لتطبيق الكهرباء تجعل دراسة الجرافين أسهل من دراسة فئة مماثلة الموصلات الفائقة، النحاسات، على الرغم من أن هذه المواد تعرض موصلية فائقة بمعدلات أعلى بكثير درجات الحرارة. معظم المواد التي تظهر الموصلية الفائقة تفعل ذلك فقط بالقرب من درجة حرارة الصفر المطلق. يمكن لبعض ما يسمى بـ "الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية" إظهار الموصلية الفائقة عند درجات حرارة تبلغ حوالي 133 كلفن (-140 درجة مئوية)، وهي درجة عالية نسبيًا؛ يُظهر كبريتيد الهيدروجين، تحت ضغط كافٍ، الخاصية عند معجزة -70 درجة مئوية!

كان لا بد من تبريد ترتيب الجرافين إلى 1.7 درجة فوق الصفر المطلق، ومع ذلك، يعتبر الباحثون أن سلوكه مشابه لسلوك النحاسات، و لذلك يأملون أن تكون مادة أسهل بكثير لدراسة الموصلية الفائقة غير التقليدية، والتي لا تزال موضع خلاف كبير بين الفيزيائيون. ونظرًا لأن الموصلية الفائقة تحدث عادةً فقط عند درجات حرارة منخفضة، فإن الموصلات الفائقة تُستخدم فقط في الآلات المكلفة مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، ولكن ويأمل العلماء في العثور يومًا ما على موصل فائق يعمل في درجة حرارة الغرفة، مما سيؤدي إلى خفض التكاليف عن طريق إزالة الحاجة إلى التبريد وحدات.

في دراسة نشرت في عام 2019أظهر الباحثون كيف أن طبقات الجرافين الملتوية في زوايا "سحرية" محددة يمكن أن تنتج خصائص فائقة التوصيل عند درجات حرارة أقل من ذي قبل.

الدفاع عن البعوض

قليل من المخلوقات كريهة مثل البعوض، بسبب لدغاتها المثيرة للحكة وميلها إلى نشر أمراض فظيعة مثل الملاريا. ولحسن الحظ، وجد الباحثون في جامعة براون حلاً ممكناً باستخدام الجرافين. البحث، تم نشره في عام 2019يوضح أن طبقة الجرافين الموجودة على الجلد لا تمنع البعوض من العض فحسب، بل تمنعهم أيضًا من الهبوط على الجلد في المقام الأول. أحد التفسيرات المحتملة هو أن الجرافين منع البعوض من شم رائحة الفريسة.

مستقبل أبحاث الجرافين

ونظرًا لقائمة نقاط القوة التي لا نهاية لها للجرافين، يتوقع المرء رؤيته في كل مكان. لماذا إذن لم يتم اعتماد الجرافين على نطاق واسع؟ كما هو الحال مع معظم الأشياء، يتعلق الأمر بالمال. لا يزال إنتاج الجرافين بكميات كبيرة مكلفًا للغاية، مما يحد من استخدامه في أي منتج يتطلب إنتاجًا ضخمًا. علاوة على ذلك، عندما يتم إنتاج صفائح كبيرة من الجرافين، هناك خطر متزايد لحدوث شقوق صغيرة وعيوب أخرى تظهر في المادة. بغض النظر عن مدى روعة الاكتشاف العلمي، فإن الاقتصاد سيقرر النجاح دائمًا.

وبغض النظر عن قضايا الإنتاج، فإن أبحاث الجرافين لا تتباطأ بأي حال من الأحوال. تعمل مختبرات الأبحاث في جميع أنحاء العالم - بما في ذلك جامعة مانشستر، حيث تم اكتشاف الجرافين لأول مرة - على تسجيل براءات الاختراع باستمرار لطرق جديدة لإنشاء واستخدام الجرافين. وافق الاتحاد الأوروبي على تمويل برنامج رئيسي في عام 2013، وهو البرنامج الذي سيمول أبحاث الجرافين لاستخدامه في الإلكترونيات. وفي الوقت نفسه، تجري شركات التكنولوجيا الكبرى في آسيا أبحاثًا حول الجرافين، بما في ذلك شركة سامسونج.

الثورات لا تحدث بين عشية وضحاها. تم اكتشاف السيليكون في منتصف القرن التاسع عشر، لكن الأمر استغرق ما يقرب من قرن من الزمان قبل أن تمهد أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون الطريق لظهور أجهزة الكمبيوتر. هل يمكن أن يكون الجرافين، بصفاته الأسطورية تقريبًا، هو المورد الذي يقود الحقبة القادمة من تاريخ البشرية؟ فقط الوقت كفيل بإثبات.

توصيات المحررين

• أفضل مصابيح العلاج بالضوء
• كم من الوقت يجب أن تستمر أجهزتك؟
• أفضل أجهزة شحن الطاقة الشمسية لهاتفك أو جهازك اللوحي
• 17 مخترعًا أسودًا غيروا عالم التكنولوجيا
• أفضل أدوات الصحة واللياقة البدنية