مروری بر گرافن

امروزه تحقیقات رقابتی مرزگستری به گسترش رشته‌ها و بسترهای علمی  کمک شایانی می‌کند. استفاده از یک چسب ساده توانست منجر به دستیابی بزرگی در زمینه فیزیک  شود. گرافن یک آلوتروپ کربن با ساختار دوبعدی است که خواص مکانیکی و الکتریکی خارق‌العاده‌ای نشان می‌دهد. با داشتن خواص فیزیکی استثنائی خود توانست توجه زیادی را به خود جلب کند. گرافن با داشتن ساختار شبکه لانه زنبوری با ضخامت یک اتم  که بصورت بسته‌بندی فشرده است طی سال‌های اخیر به‌خوبی به رسمیت شناخته شده است. در این مقاله تکنولوژی‌ها توسعه یافته توسط گرافن مورد توجه قرار گرفته شده است.

مقدمه

مواد جدید معمولاً منجر به ایجاد فناوری‌های جدید و توسعه‌ در فناوری‌های موجود است. یک مثال ساده تبدیل عصر سنگی به عصر برنزی و بدنبال آن عصر آهن بود. هر عصر با نام ماده ای شناخته شد که منجر به تحولی در فناوری جدید  شده است. هر روز مواد جدید بهتر از قبلی بود که زندگی را برای مردم عصر خود راحت‌تر می‌کرد. هموز که هنوز است ما بخاطر مواد جدید دارای فناوری‌های جدیدی هستیم. این توسعه که در دهه‌ی اخیر رخ داده بخاطر توانایی استفاده از علوم پایه مانند شیمی، فیزیک و ترکیبش با علوم مواد است و ما در حال حاضر توسط طراحی خصوصیات ماده قادر به طراحی مواد جدید بصورت اتم به اتم هستیم. این ماده فوق‌العاده توسط محققان در دانشگاه منچستر، پروفسور آندره گیم و پروفسور کنستانتین نووسلوف در سال 2004 یافت شد.

توسعه اولیه

گرافن با استفاده از چسباندن‌های مکرر یک نوار چسب روی گرافیت برای جداسازی اجزای آن تهیه شد. با انجام این کار، یک لایه گرافیت به ضخامت یک اتم بدست آمد که گرافن نامیده شد. گرافن یک ماده‌ی پایه برای بیش از 100 کاربرد مختلف است. این ماده‌ که به ضخامت یک اتم است می‌تواند به بزرگی یک تکه کاغذ و یا یک روزنامه باشد. گرافن از اتم‌های کربن به ساختار هگزاگونال تشکیل شده که به هم چسبیده و یک صفحه را تشکیل داده‌اند که کاملا از اتم کربن ساخته شده و بسیار شبیه حصار فلزی[1] است بخاطر خواص منحصر بفرد آن می‌تواند جایگزین مواد موجود شود و کاربرد ها را بهبود ببخشد. گرافن ماده‌ی جدیدی است که تمام جهان بر آن متمرکز شده  و تنها یکی از تکه‌های پازل در عرصه نانوفناوری است که در آینده می‌تواند  افق‌های جدیدی را بگشاید.

در اینجا سه اتفاق افتاده که منجر به تشکیل هیبریداسیون SP2 شده و همسایه‌های اتم کربن تمایل دارند الکترون خود را به اشتراک بگذارند که در نتیجه‌ی آن پیوند کووالانسی تشکیل می‌شود. این پیوند به اندازه‌ای قوی است که گرافن را عین انعطاف‌پذیری ماده‌ای محکم است. گرافن همچنین از پایدارترین اشکال کربن است که آن را از الماس پایدارتر می‌کند. اگر الماس در بالای حد بحرانی تهییج شود به گرافن تبدیل می‌شود زیرا در این حالت ناپایداتر است. گرافن دارای طول و عرض است ولی ضخامتی ندارد از این رو بعنوان یک صفحه بزرگ شناخته می‌شود. علاوه بر این دارای خاصیت کیفی غیرقابل نفوذ در عناصر و مواد دیگر است. همانطور که می‌دانیم کربن قادر به ساخت ترکیبات مختلف است و چهار الکترون موجود در پوسته بیرونی مسئول تشکیل ساختار فلزی است.

گرافن معمولاً دارای ساختار لانه زنبوری است که از شبکه‌های شش ضلعی به ضخامت یک اتم ساخته شده است. گرافن 3/2% از نور را جذب می‌کند و با چشم غیرمسلح دیده می‌شود. گرافن همچنین می‌توتند بصورت صفحات موجدار یا بصورت تکه‌های به وزن یک میلی گرم بدست آید. درئاقع گرافن ماده‌ای فوق نازک و در عین حال بسیار سخت است. سختی آن 200 بار از استیل بیشتر بوده اما به طور بارورنکردین انعطاف‌پذیر است.

روش‌های ساخت گرافن

  • پرک‌سازی مکانیکی

ر.راف[1] و همکارانش برای اولین بار این روش را ارائه کردند. این روش همچنین روش ترسیم[2] یا روش چسب اسکاچ نیز نامیده می‌شود. برای جداسازی لایه‌های گرافن از  اجزای گرافیتی از چسب نواری استفاده شده است. برای بدست آوردن لایه‌ها مراحل مختلف پرک‌سازی مورد نیاز است. روش رسوبگذاری خشک به منظور رسوبگذاری لایه‌های پرک‌شده روی ویفر سیلیکونی استفاده شده است. در سال 2014 این روش برای تهیه گرفن با بالاترین سطح از تحرک الکترونی و کمترین مقدار نقص استفاده میشد.

  • گرافن مشتق‌شده شیمیایی

در سال 2006، راف و گروهش اولین افرادی بودند که این فرایند را برای تولید گرافن با کمک این روش را استفاده کردند. یکی از موارد حائز اهمیت در این روش مقدار تولید گرافن و قیمت ارزان آن بود. در این روش ابتدا اکسید گرافن از گرافیت بدست آمد و سپس اکسید گرافن احیا شده و به گرافن تبدیل شد. در این فرایند از روش هامر برای تبدیل اکسید گرافیت به گرافن پراکنده شده در آب استفاده شد. اکسید گرافیت سپس تحت فشار مکانیکی  در معرض پرک سازی قرار گرفت.

  • رسوبگذاری بخار شیمیایی

محبوب ترین روش تولید گرافن رسوبدهی بخار شیمیایی با کیفیت مناسب و مقیاس تولیدی بالاست. با استفاده از روش CVD مواد گازی بر سطح مینشینند. طی این روش یک محفظه ی واکنش با شرایط دمایی محیط استفاده می‌شود که در آن ترکیب مولکول های مختلف گازی اتفاق می‌افتد. به محض تماس گاز با سطح  در محفظه واکنش،  یک لایه فیلم نازک از ماده روی آن تشکیل می‌شود و گازهای اضافی بعد از فرایند به بیرون پمپ می‌شوند. این فرایند در با سرعت خیلی پایین اغلب یک میکرون ضخامت در ساعت اتفاق می‌افتد. کیفیت و خلوص ماده بسیار بالا است و سختی آن نیز افزایش پیدا کرده است.

خصوصیات:

خواص مکانیکی:

دلایل اصلی اینکه چرا گرافن دیگر مواد  بصورت ویژه‌تر مورد توجه قرار گرفت هم بصورت منحصربفرد هم بعنوان عاملی برای تقویت کامپوزیت‌ها بخاطر خواص بی‌نقص مکانیکی آن است. بیشترین سهم در پایداری گرافن ناشی از پیوند هیبریداسیون SP2 است که ساختار شبکه‌ای هگزاگونال تشکیل داده است. وقتی که ضخامت موثر در صفحات گرافن nm 335/0 است مدول یانگ آن حدود TPa 1/0+0/1 می‌باشد. گرافن تک لایه که عاری از نواقص ساختاری است  بعنوان محکم‌ترین ماده‌‌ی آزمایش شده در نظر گرفته می‌شود سختی ذاتی آن GPa 130 است. گرافن چروک خورده نیز با نسبت ابعادی برابر 17/0، سختی و مدول برشی آن به ترتیب 610 و MPa 1100 است(شکل 3 و 4). خواص مکانیکی اعضای ایزوتروپیک با تمرکز بر 4 پارامتر توصیف می‌شوند. این چهار پارامتر به شرح زیر است: مدول یانگ[3]، نسبت پواسون[4]، تفکیک خمش-کشش[5] و مقاومت در برابر خمش[6]. نسبت استحکام گرافن نسبت به وزن سبک آن قابل تحسین بوده که آن را از سایر مواد متمایز می‌کند. بعنوان مثال یک قطعه با s m 1، وزنی حدود mg 77/0 دارد که 1000 بار سبک‌تر از کاغذ با اندازه یکسان است.

خواص الکترونیکی

ویژگی اصلی گرافن در داخل آن است. حفره‌ها و الکترون‌ها هر دو بعنوان حامل‌های بار عمل می‌کنند. گرافن یک آلوتروپ کربن است بنابراین شش الکترون دارد. از این شش الکترون، دو الکترون در لایه داخلی و چهار الکترون در لایه خارجی هستند. اگر ما یک اتم کربن را در نظر بگیریم، پس 4 الکترون در لایه خارجی برای برقراری پیوند شیمیایی در بیرون در دسترس هستند. اما در گرافن یک الکترون برای هدایت الکترونی آزادانه حرکت می‌کند در حالی که هر اتم کربن به اتم‌های کربن دیگر متصل است. پیوند های کربن-کربن توسط الکترون‌های π واقع شده در بالا و پایین صفحه گرافن بهبود یافته‌اند. الکترون‌های اوربیتال π پیوندی و غیرپیوندی مسئول اصلی خواص الکترونیکی گرافن هستند. این تحرک الکترونی در گرافن بسیار بالاست که معمولاً توسط پراکنش فوتون محدود می‌شود. عامل محدود کننده در این مورد کیفیت گرافن وسطحی است که استفاده شده است. تحرک الکترونی معمولاً فقط به دما وابسته نیست.

خواص نوری

انتقالات الکترونی در نوار میانی دیراک مسئول تمام خواص نوری در گرافن است. ویژگی‌های نوری مانند انتقال انعکاس میتواند به راحتی توسط انواع شدت‌های نور پیموده شده از میان گرافن مدیریت شود. بازتاب نور از گرافن چند  لایه زمانی که پایین و دانسیته‌ی حامل‌ها پایین است دچار افت شدیدی می‌شود.  این ماده  3/2 % از نور را حتی زمانی که یک اتم ضخامت دارد جذب می‌کند. حضور گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار ممکن است روی پارامترهای نوری آن تاثیر بگذارد. زمانی که دانسیته‌ی حامل‌ها با افزایش دما افزایش پیدا می‌کند، انعکاط اتفاق می‌افتد. شفافیت گرافن تابع فرکانس دانسیته‌ی حامل بار و دماست. در دمای پایین هدایت الکترونی گرافن به سوی کمترین مقدار سوق پیدا می‌کند. این برهمکنش‌های قوی فرمیون‌های ناحیه دیراک با تشعشعات الکترومغناطیسی، ساختار خطی گرافن فاکتورهای جداکننده‌ی گرافن از سایر مواد بوده و ویژگی‌های نوری مورد نیاز را تامین می‌کند.

کاربرد

انرژی نامحدود

این پروژه توسط مانوج بارگاوا[7] پیشنهاد شده  که هدف اصلی آن انتقال دمای موجود در پوسته زمین توسط ابزارهایی به سطح است. این دما می‌تواند برای تولید انرژی بکار گرفته شود. بنابراین برای این هدف ریسمان‌هایی تهیه شده از گرافن مورد استفاده قرار گرفت. پس این طناب به پوسته زمین، جایی که گرما تولید می‌شود، منتقل می‌شود. این حرارت تولید شده سپس برای تولید الکتریسیته بکار گرفته می‌شود که این تولید عاری از انتشار گازهای مضر خواهد بود.

سیستم تشخیص

زمانی که گرافن با مولکول‌های پروتئین که در بینی انسان و یا سگ‌ها وجود دارد ترکیب شود ‍‌می‌تواند توسط یک سیستم الکترونیکی  در جهت ساخت یک سیستم مصنوعی برای شناسایی مواد شیمیایی در هوا، شناسایی یک بمب و یا دارو بکار گرفته شود.

ابزارهای تشخیصی

گرافن می‌تواند در ساخت ابزارهای تشخیصی که قادر به تست بیماری‌‌های مختلف با یک قطره خون است بکار رود پزشک نتیجه را ظرف چند دقیقه دریافت می‌کند.

ترانزیستورهای گرافنی

اگر فرض کنید چسم فرد از بین برود ولی کد تصویری آن دست نخورده باقی بماند، می‌توانیم آنها را با تعدادی مواد زیست سازگار متصل کنیم و به آنها پالس دهیم درنتیجه ممکن است این جایگاه‌ها بازیابی شوند زیرا گرافن ماده‌ای زیست‌سازگار است و اگر گرافن مجاز به تعامل با عصب باشد، سلول آماده است تا محرک الکتریکی را از آن تغذیه می‌کنیم را دریافت کند. این فرایند با قرار دادن دهنده پالس به غشای گرافنی انجام می‌شود. لازم به ذکر است که وجود این پالس‌ها برای این هدف ضروری است.

آب شیرین کن آب دریا

تقریباً 2/97 % آب سطح رمین در اقیانوس‌ها وجود دارد که آب شور هستند. آین آب می‌تواند با استفاده از جداکننده‌ی گرافنی بدلیل وجود نانوحفره‌ها در آن به آب آشامیدنی تبدیل شود. این حفره‌ها توسط مولکول‌های هیدروکسیلی عاملدار شده بنابراین شیب فشار اعمال می‌شود. این فرایند یک نوع اسمز معکوس است که منجر به استخراج نمک از آب می‌شود و فقط آب از میان جداکننده گرافن عبور می‌کند. لازم به ذکر است که این فرایند بسیار کارآمد است. انرژی مورد نیاز برای اسمز معکوس با استفاده از دیگر غشاها بسیار بالاست، اما اگر از غشاهای اکسید گرافن استفاده شود، این انرژی حدود 15 تا 46% کاهش می‌یابد.

شیرین کردن آب بوسیله‌ی اسمز معکوس، نیازمند غشای اسمزی[8] است. این غشا به آب اجازه‌ی عبور بسیار بیشتری در مقایسه با نمک می‌دهد. غشای اسمزی به طور طبیعی در موجودات زنده در همه جا مشاهده می‌شود. همچنین ممکن است به دلیل توانایی آن، به عنوان غشای نیمه نفوذپذیر شناخته می‌شود که به آن امکان می‌دهد ضمن نگه داشتن سایر قسمت‌ها، برخی اجزا را عبور دهد. در اسمز معکوس گرادیان فشار بر آب دریا اعمال می‌شود و این گرادیان بسیار بیشتر از فشار اسمزی اعمال شده است. این گرادیان منجر به عبور آب از میان غشای نیمه نفوذپذیر شده و نمک موجود در خود را پشت غشا جا می‌گذارد. آب تازه از سوی دیگر غشا جمع آوری می‌شود. هرچه گرادیان فشار بیشتر باشد سرعت آب تازه عبوری از غشا بیشتر خواهد بود. پوسته‌هایی از مولکول‌های آب بدلیل وجود نمک در آن تشکیل می‌شود. لوله‌های کوچک در غشای اکسید گرافن از عبور نمک‌های موجود در آب جلوگیری می‌کند ولی مولکول‌های آب توانایی عبور از غشای گرافنی را دارند در حالی که مولکول‌های نمک نمی‌توانند در طول غشا جریان داشته باشند. شایان ذکر است که کنترل دقیق حفره‌های موجود در غشای گرافنی وجود دارد. اگر در غشا حفره‌های بزرگ ایجاد شود نمک‌ها هم می‌توانند همراه آب از غشا عبور کنند درحالی که اگر حفره ها بسیار کوچک باشند آب اجاره عبور نخواهد داشت. در حالت ایده‌آل حفره باید یک نانومتر یا یک بیلیون متر باشد. برای ساخت چنین حفره‌های کوچکی، فرایند‌های مختلفی مثل بمباران‌ یون هلیوم، اچ شیمیایی، پلاسمای اکسیژن، بمباران یون گالیوم با اکسیداسیون شیمیایی انجام می‌شود.

شکل شیرین سازی آب دریا به کمک غشای گرافنی (مولکول‌های آب: سفید و قرمز، یون سدیم و کلرید: سبز و بنفش)

نتیجه‌گیری

گرافن رشد چشمگیری در تکنولوژی و کاربردها از خود نشان داده است اما، باید به چالش‌های کلیدی و راه حل‌های آن اشاره کرد تا بتوان پتانسیل واقعی گرافن را در تولید نانوکامپوزیت، روش های سنتز، قیمت و کاربردهای آن درک کرد. آینده‌ی ابزارها می‌تواند به طور کلی بر پایه‌ی گرافن نهاده شود زیرا دارای ویژگی‌های خارق العاده‌ای است. بخاطر تنوع بالا، و خواص و مزایای گرافن، بنظر می‌رسد بسیاری از کاربردهای برپایه‌ی نانوکامپوزیت عملی باشد. کامپوزیت‌های چندعامل گرافنی با قیمت مقرون بصرفه به زودی در بازار جهانی وجود خواهد داشت.

  1. Vasudevan, H., V.K.N. Kottur, and A.A. Raina, Proceedings of International Conference on Intelligent Manufacturing and Automation: ICIMA 2018. 2018: Springer.

[1] R.Ruoff

[2] Drawing method

[3] Young’s modulus

[4] Poisson’s ratio

[5] Breaking stress/strain

[6] Breaking stress/strain

[7] Mr. Manoj Bhargava

[8] osmotic membrane

پژوهشگر و گردآورنده : نغمه غلامعلی زاده

محصولات مرتبط

فهرست