מה זה גרפן? הנה מה שאתה צריך לדעת

לקריאה נוספת

• תשעה שימושים מדהימים לגרפן, מסינון מים ועד צבע חכם
• מה זה Hyperloop? הנה כל מה שאתה צריך לדעת

כיום, לחומר חדש יש פוטנציאל לשנות את העתיד. גרפן, שזכה לכינוי "חומר-על", מפעיל חוקרים ברחבי העולם כדי להבין אותו טוב יותר. הרשימה הארוכה של תכונות מופלאות של גרפן גורמת לזה להיראות כמעט קסום, אבל יכולות להיות לה השלכות ממשיות ודרסטיות מאוד על עתיד הפיזיקה וההנדסה.

מה זה בעצם גרפן?

הדרך הפשוטה ביותר לתאר גרפן היא שמדובר בשכבה אחת ודקה של גרפיט - החומר הרך והמתקלף המשמש בעופרת עיפרון. גרפיט הוא אלוטרופ של היסוד פחמן, כלומר יש לו את אותם אטומים אבל הם מסודרים בצורה שונה, מה שמעניק לחומר תכונות שונות. לדוגמה, גם יהלום וגם גרפיט הם צורות של פחמן, אך יש להם אופי שונה בתכלית. יהלומים הם חזקים להפליא, בעוד שגרפיט שביר. האטומים של גרפן מסודרים בסידור משושה.

מעניין שכאשר גרפן מבודד מגרפיט הוא מקבל כמה תכונות מופלאות. זהו רק אטום אחד בעובי, החומר הדו-ממדי הראשון שהתגלה אי פעם. למרות זאת, הגרפן הוא גם אחד החומרים החזקים ביקום הידוע. עם חוזק מתיחה של 130 GPa (gigapascal), הוא חזק יותר מפי 100 מפלדה.

החוזק המדהים של גרפן למרות היותו כל כך דק כבר מספיק כדי להפוך אותו למדהים, עם זאת, התכונות הייחודיות שלו לא נגמרות שם. הוא גם גמיש, שקוף, מוליך מאוד, ולכאורה בלתי חדיר לרוב הגזים והנוזלים. זה כמעט נראה כאילו אין תחום שבו הגרפן אינו מצטיין.

ההיסטוריה של הגרפן: גליל סרט וחלום

גרפיט הייתה כמות ידועה מזה זמן רב (בני אדם משתמשים בה מאז התקופה הנאוליתית). המבנה האטומי שלו מתועד היטב, ובמשך זמן רב, מדענים חשבו האם ניתן לבודד שכבות בודדות של גרפיט. עם זאת, עד לאחרונה, הגרפן היה רק ​​תיאוריה, מכיוון שמדענים לא היו בטוחים אם אי פעם יהיה אפשרי לפרוס גרפיט ליריעה אחת דקיקה באטום. הדגימה המבודדת הראשונה של גרפן התגלתה ב-2004 על ידי אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב באוניברסיטת מנצ'סטר. אפשר לצפות שהם בודדו את החומר האגדתי באמצעות איזו מכונות מסיבית ויקרה, אבל הכלי שבו השתמשו היה פשוט בצורה משעשעת: גליל סקוטש.

כאשר השתמשו בסרט להבריק גוש גרפיט גדול, החוקרים הבחינו בפתיתים דקים במיוחד על הסרט. כשהם ממשיכים לקלף שכבה ושכבה מפתיתי הגרפיט, הם יצרו בסופו של דבר דגימה דקה ככל האפשר. הם מצאו גרפן. התגלית הייתה כל כך מוזרה, שהעולם המדעי היה סקפטי בהתחלה. כתב העת הפופולרי טֶבַע אפילו דחו את המאמר שלהם על הניסוי פעמיים. בסופו של דבר פורסם המחקר שלהם, ובשנת 2010 זכו גיים ונובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה על גילוים.

יישומים פוטנציאליים

אם לגרפן הייתה רק אחת מתכונות הסופרלטיות הרבות שלו, זה היה נושא למחקר אינטנסיבי על שימושים פוטנציאליים. בהיותו כל כך מדהים בכל כך הרבה מובנים, הגרפן נתן השראה למדענים לחשוב על מגוון רחב של שימושים בחומר, בתחומים מגוונים כמו טכנולוגיה צרכנית ומדעי הסביבה.

אלקטרוניקה גמישה

בנוסף לתכונות החשמליות החזקות שלו, הגרפן הוא גם גמיש ושקוף ביותר. זה הופך אותו לאטרקטיבי לשימוש באלקטרוניקה ניידת. סמארטפונים וטאבלטים יכולים להפוך להרבה יותר עמידים באמצעות גרפן, ואולי אפילו יכולים להיות מקופלים כמו נייר. מכשירים אלקטרוניים לבישים צברו פופולריות לאחרונה. בעזרת גרפן, ניתן להפוך את המכשירים הללו לשימושיים עוד יותר, שנועדו להתאים היטב סביב הגפיים ולהתכופף כדי להתאים לצורות שונות של פעילות גופנית.

עם זאת, הגמישות והרוחב המיקרוסקופי של Graphene מספקים הזדמנויות מעבר למכשירים צרכניים בלבד. זה יכול להיות שימושי גם במחקר ביו-רפואי. ניתן לייצר מכונות וחיישנים קטנים עם גרפן, המסוגלים לנוע בקלות וללא מזיקות בגוף האדם, לנתח רקמות או אפילו להעביר תרופות לאזורים ספציפיים. פחמן הוא כבר מרכיב מכריע בגוף האדם; מעט גרפן שהוספת אולי לא יזיק.

תאים סולאריים/פוטו-וולטאים

גרפן הוא גם מוליך מאוד וגם שקוף. ככזה, יש לו פוטנציאל גדול כחומר בתאים סולאריים. בדרך כלל, תאים סולאריים משתמשים בסיליקון, אשר מייצר מטען כאשר פוטון פוגע בחומרים, ומפיל אלקטרון חופשי. הסיליקון משחרר רק אלקטרון אחד לכל פוטון שפוגע בו. מחקרים הראו שגרפן יכול לשחרר מספר אלקטרונים עבור כל פוטון שפוגע בו. ככזה, גרפן יכול להיות הרבה יותר טוב בהמרת אנרגיה סולארית. תוך זמן קצר, תאי גרפן זולים וחזקים יותר יוכלו לייצר עלייה מסיבית באנרגיה מתחדשת.

התכונות הפוטו-וולטאיות של גרפן גם אומרות שניתן להשתמש בו לפיתוח חיישני תמונה טובים יותר עבור מכשירים כמו מצלמות.

מוליכים למחצה

בשל המוליכות הגבוהה שלו, גרפן יכול לשמש מוליכים למחצה כדי להגביר מאוד את המהירות שבה המידע נע. לאחרונה ערך משרד האנרגיה בדיקות שהוכיחו שפולימרים מוליכים למחצה מוליכים חשמל הרבה יותר מהר כשהם מונחים על גבי שכבת גרפן מאשר שכבת סיליקון. זה נכון גם אם הפולימר עבה יותר. פולימר בעובי 50 ננומטר, כאשר הונח על גבי שכבת גרפן, הוביל מטען טוב יותר משכבה של 10 ננומטר של הפולימר. זה עף מול החוכמה הקודמת שקבעה שככל שפולימר דק יותר, כך הוא יכול להוליך מטען טוב יותר.

המכשול הגדול ביותר לשימוש של גרפן באלקטרוניקה הוא היעדר פער פס, הפער בין פסי ערכיות להולכה בחומר שכאשר חוצים אותו, מאפשר זרימת זרם חשמלי. פער הפס הוא זה שמאפשר לחומרים מוליכים למחצה כמו סיליקון לתפקד כטרנזיסטורים; הם יכולים לעבור בין בידוד או הולכת זרם חשמלי, תלוי אם האלקטרונים שלהם נדחפים על פני פער הרצועה או לא.

חוקרים בחנו מגוון שיטות לתת לגרפן פער פס; אם יצליח, זה יכול להוביל לאלקטרוניקה הרבה יותר מהירה שנבנתה עם גרפן.

סינון מים

הקשרים האטומיים ההדוקים של גרפן הופכים אותו לבלתי חדיר עבור כמעט כל הגזים והנוזלים. באופן מוזר, מולקולות מים הן חריגות. מכיוון שמים יכולים להתאדות דרך גרפן בעוד שרוב הגזים והנוזלים האחרים אינם יכולים, גרפן יכול להיות כלי יוצא דופן לסינון. חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר בדקו את חדירות הגרפן עם אלכוהול והצליחו לעשות זאת לזקק דגימות חזקות מאוד של אלכוהול, מכיוון שרק המים בדגימות הצליחו לעבור דרך גרפן.

כמובן שלשימוש בגרפן כמסנן יש פוטנציאל מעבר לזקק אלכוהול חזק יותר. גרפן יכול גם להיות מועיל מאוד בטיהור מים מרעלים. במחקר שפורסם על ידי האגודה המלכותית לכימיה, חוקרים הראו שגרפן מחומצן יכול אפילו למשוך חומרים רדיואקטיביים כמו אורניום ופלוטוניום הנמצאים במים, ולהשאיר את הנוזל נקי ממנו מזהמים. ההשלכות של מחקר זה הן עצומות. כמה מהמפגעים הסביבתיים הגדולים בהיסטוריה, כולל פסולת גרעינית ונגר כימי, ניתנים לניקוי ממקורות מים הודות לגרפן.

מכיוון שאוכלוסיית יתר ממשיכה להיות אחת הדאגות הסביבתיות הדוחקות ביותר בעולם, שמירה על אספקת מים נקייה רק ​​תהפוך חשובה יותר. ואכן, מחסור במים פוגע ביותר ממיליארד אנשים ברחבי העולם, מספר שרק ימשיך לעלות בהתחשב במגמות הנוכחיות. למסנני גרפן יש פוטנציאל עצום לשפר את טיהור המים, ולהגדיל את כמות המים המתוקים הזמינים. למעשה, לוקהיד מרטין פיתחה לאחרונה מסנן גרפן בשם "Perforene", שלטענת החברה יכול לחולל מהפכה בתהליך ההתפלה.

מתקני ההתפלה הנוכחיים משתמשים בשיטה הנקראת אוסמוזה הפוכה כדי לסנן מלח ממי הים. אוסמוזה הפוכה משתמשת בלחץ כדי להעביר מים דרך הממברנה. על מנת לייצר כמויות גדולות של מים ראויים לשתייה, הלחץ הכרוך בכך דורש כמויות אדירות של אנרגיה. א טוען מהנדס לוקהיד מרטין מסנני Perforene שלהם יכולים להפחית את דרישות האנרגיה פי מאה פחות מזו של מסננים אחרים.

MIT יצרה גרפן עם "ננופורות"

סינון הוא אחד השימושים הברורים ביותר של הגרפן, ומהנדסי MIT עשו צעדים גדולים בשכלול היכולת של גרפן להפריד מולקולות. בשנת 2018, צוות ב-MIT המציא שיטה ליצירת חורים זעירים, "דקירות סיכה" ביריעות של גרפן. החוקרים של MIT משתמשים בגישה של "גלגול לגלגול" לייצור גרפן. ההתקנה שלהם כוללת שני סלילים: סליל אחד מזין יריעת נחושת לתוך תנור שם הוא מחומם ל- טמפרטורה מתאימה, ואז המהנדסים מוסיפים מתאן וגז מימן, שבעצם גורם לבריכות של גרפן כדי ליצור. סרט הגרפן יוצא מהכבשן, מתפתל אל הסליל השני.

בתיאוריה, תהליך זה מאפשר ליצור יריעות גרפן גדולות בפרק זמן קצר יחסית, דבר שהוא חיוני עבור יישומים מסחריים. החוקרים נאלצו לכוונן את התהליך כדי לגרום לגרפן להיווצר בצורה מושלמת, ומעניין, הניסיונות הלא מושלמים לאורך הדרך הוכיחו שימוש בהמשך. כשצוות MIT ניסה ליצור נקבוביות בגרפן, הם התחילו באמצעות פלזמת חמצן כדי לחצוב אותן. מכיוון שהתהליך הזה הוכיח זמן רב, הם רצו משהו מהיר יותר וחפשו פתרונות בניסויים הקודמים שלהם. על ידי הורדת הטמפרטורה במהלך צמיחת הגרפן, הם עוררו נקבוביות. מה שנראה כפגמים במהלך תהליך הפיתוח בסופו של דבר היה דרך שימושית ליצור גרפן נקבובי.

מוליכות על

לא הרבה אחרי מדענים מקיימברידג' הדגימו שגרפן יכול לשמש כמוליך-על (חומר ללא התנגדות חשמלית) כשהוא משולב עם תחמוצת נחושת פרסאודימיום צריום, חוקרים ב-MIT גילה עוד תכונה מדהימה: הוא יכול כנראה לתפקד כמוליך-על לבדו, בתצורה הנכונה. החוקרים ערמו שתי פרוסות גרפן, אך קיזזו אותן בזווית של 1.1 מעלות. לפי דו"ח שפורסם ב-Nature, "הפיזיקאי פבלו ג'רילו-הררו במכון מסצ'וסטס הטכנולוגיה (MIT) בקיימברידג' והצוות שלו לא חיפשו מוליכות-על כשהם הקימו את זה לְנַסוֹת. במקום זאת, הם בחנו כיצד האוריינטציה שכונתה זווית הקסם עשויה להשפיע על גרפן."

מה שהם גילו הוא שכשהם העבירו חשמל דרך מחסנית הגרפן, היא תפקדה כמוליך-על. תהליך פשוט זה של הפעלת חשמל הופך את הגרפן לקל יותר ללימוד מאשר מחלקה דומה של מוליכים, קופרטים, למרות שהחומרים האלה מציגים מוליכות-על בהרבה יותר טמפרטורות. רוב החומרים שמציגים מוליכות-על עושים זאת רק בסמוך לטמפרטורה של אפס מוחלט. כמה מה שנקרא "מוליכים בטמפרטורה גבוהה" יכולים להציג מוליכות-על בטמפרטורות סביב 133 קלווין (-140 צלזיוס), שהיא גבוהה יחסית; מימן גופרתי, בלחץ מספיק, מציג את המאפיין ב -70 מעלות צלזיוס מופלאה!

היה צורך לקרר את סידור הגרפן ל-1.7 מעלות מעל האפס המוחלט, אולם החוקרים רואים בהתנהגותו דומה לזו של קופרטים, וכן אז הם מקווים שזה יהיה חומר הרבה יותר קל לחקר מוליכות-על לא קונבנציונלית, שהיא עדיין תחום של מחלוקת גדולה בין פיזיקאים. מכיוון שמוליכות-על מתרחשת בדרך כלל רק בטמפרטורות נמוכות כל כך, מוליכי-על משמשים רק במכונות יקרות כמו מכונות MRI, אבל מדענים מקווים למצוא יום אחד מוליך-על שעובד בטמפרטורת החדר, מה שיוריד עלויות על ידי הסרת הצורך בקירור יחידות.

ב מחקר שפורסם ב-2019, הראו חוקרים כיצד פיתול שכבות של גרפן בזוויות "קסם" ספציפיות יכול לייצר תכונות על מוליכות בטמפרטורות נמוכות מבעבר.

הגנה מפני יתושים

מעטים היצורים מתעבים כמו היתוש, מה גם לעקיצותיהם המגרדות והנטייה להפיץ מחלות איומות כמו מלריה. למרבה המזל, חוקרים מאוניברסיטת בראון מצאו פתרון אפשרי באמצעות גרפן. המחקר, פורסם בשנת 2019, מדגים שסרט גרפן על העור לא רק חסם יתושים מלנשוך אלא אפילו הרתיע אותם מלכתחילה מלכתחילה לנחות על העור. הסבר אפשרי אחד הוא שהגרפן מנע מהיתושים להריח טרף.

העתיד של מחקר הגרפן

בהתחשב ברשימת החוזקות האינסופית לכאורה של גרפן, אפשר היה לצפות לראות אותו בכל מקום. מדוע, אם כן, הגרפן לא אומץ באופן נרחב? כמו ברוב הדברים, זה מסתכם בכסף. גרפן עדיין יקר מאוד לייצור בכמויות גדולות, מה שמגביל את השימוש בו בכל מוצר שידרוש ייצור המוני. יתרה מכך, כאשר מייצרים יריעות גרפן גדולות, קיים סיכון מוגבר להופעת סדקים זעירים ופגמים אחרים בחומר. לא משנה כמה תגלית מדעית תהיה מדהימה, הכלכלה תמיד תכריע הצלחה.

מלבד בעיות ייצור, מחקר הגרפן אינו מאט בשום פנים ואופן. מעבדות מחקר ברחבי העולם - כולל אוניברסיטת מנצ'סטר, שבה התגלה הגרפן לראשונה - מגישות ללא הרף פטנטים על שיטות חדשות ליצירה ושימוש בגרפן. האיחוד האירופי אישר מימון לתוכנית דגל ב-2013, כזו שתממן מחקר גרפן לשימוש באלקטרוניקה. בינתיים, חברות טכנולוגיה גדולות באסיה עורכות מחקר על גרפן, כולל סמסונג.

מהפכות לא קורות בן לילה. הסיליקון התגלה באמצע המאה ה-19, אך לקח כמעט מאה שנים עד שמוליכי הסיליקון למחצה סללו את הדרך לעליית המחשבים. האם גרפן, עם תכונותיו הכמעט מיתיות, הוא המשאב שמניע את העידן הבא של ההיסטוריה האנושית? רק הזמן יגיד.

המלצות עורכים

• מנורות הטיפול באור הטובות ביותר
• כמה זמן המכשירים שלכם צריכים להחזיק מעמד?
• המטענים הסולאריים הטובים ביותר עבור הטלפון או הטאבלט שלך
• 17 ממציאים שחורים ששינו את עולם הטכנולוגיה
• הגאדג'טים הטובים ביותר לבריאות וכושר