گرافن و کاربردهای آن؛ از گذشته تا امروز

گرافن یکی از آلوتروپ‌های کربن در مقیاس نانو است. گرافن به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک‌پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربه‌فرد تبدیل شده‌است.

18 تیر, 1400

زمان تقریبی مطالعه 4 دقیقه

گرافیت، آلوتروپ سه بعدی کربن بوده که دارای ساختار لایه لایه است و در آن اتم‌های کربن چهار ظرفیتی از طریق سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک ساختار شبکه‌ای شش گوشه‌ای را تشکیل می‌دهند. به هرکدام از این لایه‌ها، ورقه یا لایه گرافنی گفته می‌شود. گرافن نام یکی از آلوتروپ‌های کربن است که دارای ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی است. با توجه به ساختار منحصر به ‌فرد و هندسی این ماده، می‌توان انتظار داشت، گرافن دارای خواص فیزیکی و شیمیایی قابل توجه از جمله؛ مدول یانگ بالا، استحکام شکست بالا، هدایت بسیار عالی الکتریکی گرمایی، تحرک سریع از بارها، سطح بزرگ و زیست سازگاری بالا است. این خواص، گرافن را به‌ عنوان یک ماده ایده‌ال در زمینه‌های مختلف، مانند فیزیک کوانتوم، نانوالکترونیک، تحقیقات انرژی، تجزیه و مهندسی نانوکامپوزیت‌ها و موارد زیستی معرفی می‌کند.

تاریخچه گرافن

ایده‌ی گرافن به ‌صورت نظری، برای اولین بار به‌وسیله‌ی فیلیپ والاس در سال ۱۹۴۷ بیان شد. هر چند نخستین بار فیلیپ والاس درباره گرافین نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هایِ زیادی برای ساخت آن صورت گرفت؛ اما قضیه‌ای به نام قضیه مرمین-واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دو بعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. بر اساس این نظریه نیروی اعوجاجات اتم‌های درون یک ساختار دو بعدی در دمای اتاق از نیروی پیوندی میان اتم‌ها بزرگ‌تر شده و ساختار دو بعدی از هم گسسته می‌شود. عبارت گرافن برای اولین باردر سال 1987 به‌ وسیله‌ی موراس و همکارانش به ورقه‌های تک لایه‌ای درون گرافیت اطلاق گردید. در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد.

جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطرِ ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت. محرک او برای بیان این ایده، تحقیق و فعالیتش روی گرافیت بود. البته نام گرافن به‌ طور رسمی تا چهل سال بعد، زمانی که به ‌عنوان تک لایه‌ی تشکیل دهنده گرافیت به کار رفت، استفاده نشد. از آن پس تحقیقات بسیار چشمگیری در این زمینه صورت گرفت و دانشمندان دریافته‌اند که گرافن ویژگی‌های منحصربه‌فرد و عجیبی دارد. بعضی‌ها می‌گویند که این ماده می‌تواند زندگی ما را در قرن ۲۱ متحول کند. علاوه‌ بر اینکه گرافن نازک‌ترین ماده‌ای است که قابلیت شکل پذیری مفید و بهره‌برداری از این قابلیت را دارد، بلکه ۲۰۰ برابر مستحکم‌تر از فولاد است و از لحاظ رسانش الکتریکی، برتر از هر نوع ماده‌ای است که در دمای اتاق وجود دارد. این ماده چنان تحولی در علم فیزیک و صنعت الکترونیک ایجاد کرده است که جایزه نوبل فیزیک سال 2010 به‌ خاطر کارهای جدید انجام شده روی گرافن به ‌دو دانشمند روس به‌ نام‌‌های کنستانتین نوسلو و آندره گیم اعطا شد.

کاربردهای گرافن

گرافن، ماده‌ای از جنس کربن خالص، با ضخامتی به اندازه‌ی یک اتم و تقریبا شفاف به شمار می‌رود که در صورت قرار گرفتن ورقه‌های آن بر روی یکدیگر می‌تواند تا ۲۰۰ برابر سخت‌تر از فولاد باشد در حالی که ۶۰ هزار برابر نازک‌تر است.

گرافن و مشتقاتش، مواد پرکاربردی به‌عنوان پلتفرم زیستی نوین در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله مهندسی بافت، دارو، و درمان تومورها قابل استفاده هستند. یکی از حاملین دارو که در دهه گذشته مورد توجه ویژه قرار گرفته، گرافن و مشتقات گرافن است که زمینه متنوعی برای رسیدن به اهداف درمان کنترل محور ایجاد کرده است. ویژگی‌ها و خواص این نانوحامل، شامل: سمیت کم، شکل و هندسه منحصر به‌ فرد، توانایی بارگیری بالای مواد زیستی، سنتز آسان و هزینه کم، باعث توجه بیشتر در راستای افزایش کاربرد گرافن در انتقال دارو، پروتئین‌ها و ژن‌ها شده است.

افزایش کارایی نانو ورقه‌های گرافنی و مشتقاتش، مانند اکسید گرافن، در سیستم دارو رسانی با اصلاح سطح به‌وسیله‌ی پلیمرها و سایر نانوذرات انجام می‌پذیرد. برای اولین بار، در سال 2008 گروه دای انتقال دارو به همراه مشتقات گرافن را مطرح ساختند و نشان دادند که هیبرید پلی اتیلن گلیکول و اکسید گرافن به‌ عنوان یک نانوحامل دارویی جدید برای بار‌گذاری داروهای ضد سرطان از طریق اتصال غیر کوالانسی کاربرد دارد.

دستگاه‌های تلفن همراه مدت‌های زیادی است که با استفاده از باتری لیتیم یون ساخته می‌شوند و پیشرفت این باتری‌ها نسبت به سایر اجزا سخت‌تر بوده است. در چند ماه گذشته خبرهایی درباره باتری جدید طراحی شده که می‌تواند جایگزین سلول‌های لیتیم یون در تلفن‌های ما شود شنیده شد؛ اما هیچ کدام آن‌ها هنوز عملی نشده‌اند. شاید پژوهش جدید منتشر شده توسط سامسونگ به ما در آینده کمک کند. مطابق با گزارش سامسونگ، توپ‌های گرافنی می‌توانند ظرفیت باتری را تا ۴۵% افزایش داده و سرعت شارژ را تا ۵۰۰% بهبود دهند.

در ماه می سال 2014، محققان دانشگاه رایس متوجه شدند که گرافن ترکیب شده با وانادیوم اکسید که یک راه حل تقریبا ارزان قیمت محسوب می‌شود قادر به ایجاد کاتدهای باتری هستند که می‌توان آن‌ها را در ۲۰ ثانیه شارژ مجدد کرد و بیش از ۹۰ درصد از ظرفیت ممکن خود را حتی پس از ۱۰۰۰ سیکل استفاده، نگاه می‌دارند. همچنین، سال 2013 محققان دانشگاه MIT و هاروارد موفق شدند با استفاده از الگوی DNA، گرافین را به شکل ساختارهایی در مقیاس نانو درآورده و از آن برای ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده کنند.

رشد روزافزون مصرف سوخت‌های فسیلی و محدود بودن آن‌ها و نگرانی‌های زیست‌محیطی ناشی از آن، باعث شده پژوهش‌های گسترده‌ای برای جایگزینی منابع جدید و پاک انرژی انجام شود. گرافن به عنوان یک نانوساختار کربنی دو بعدی که در آن اتم‌های کربن به صورت شبکه شش‌ ضلعی با پیوندهای کووالانسی کنار یکدیگر قرار می‌گیرند‌، به دلیل ویژگی‌های منحصربه فرد الکتریکی، حرارتی، شیمیایی، مکانیکی و مساحت سطح بالا و چگالی کم، اثر شگرفی در بهبود کارکرد پیل‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی، باتری‌های لیتیومی و زیست‌توده دارد.

به علت اهمیت این موضوع، گرافن می‌تواند در تولید انرژی‌های پاک به کار رود. سال 2013، محققان دانشگاه تکنولوژی میشیگان به یافته‌ای دست پیدا کردند که بر اساس آن، گرافین قادر است با جایگزینی پلاتینیوم، نیروبخش سلول‌های خورشیدی باشد. پلاتینیوم که در حال حاضر به عنوان ماده‌ی کلیدی سلول های خورشیدی به کار می‌رود، بسیار گران قیمت بوده و حدود ۱۵۰۰ دلار در ازای هر اونس هزینه در بر دارد؛ اما گرافین به لطف ساختار ماژولار خود، خصوصیت رسانایی و فعالیت کاتالیزوری مورد نیاز برای مهار و تبدیل انرژی خورشید را بدون از دست دادن هیچ درجه‌ای از بهینگی در ساختار خود دارد.

برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی

منابع: