گرافن چیست؟ — به زبان ساده

اگر مهندسان شیمی و علم مواد، قرن بیستم میلادی را قرن پلاستیک بنامند، بدون شک پادشاهی مواد نو‌ظهور در قرن بیست و یکم به «گرافن» (Graphene) می‌رسد. گرافن یک ماده تازه کشف شده به شکل لانه‌ زنبوری بوده که ضخامتی به اندازه یک اتم دارد. احتمالاً در خیلی از ژورنال‌های علمی-خبری با عنوان‌هایی نظیر سبک‌ترین، قوی‌ترین، نازک‌ترین، بهترین هادی حرارتی و الکتریکی (بهتر است برای اغراق‌آمیز خطاب کردن این کلمات چند سالی صبر کنیم!) برای این ماده تازه کشف شده روبه‌رو شده‌اید.

در این مقاله قصد داریم تا به زبانی ساده نگاهی بر این ماده که توسط «آندره گایم» (Andre Geim) و «کنستانتین نووسلف» (Konstantin Novoselov) در سال 2004 در دانشگاه منچستر ساخته شد، بیاندازیم. لازم به ذکر است که جایزه نوبل فیزیک 2010 نیز به دلیل ساخت این ماده دو بعدی به این دو دانشمند اهدا شد.

گرافن چیست؟

در کتاب‌های دوران دبیرستان به دو ساختار مختلف «الوتروپ» (Allotrope) از کربن یعنی گرافیت (نرم و سیاه رنگ در مداد) و الماس (سخت و درخشان در جواهرات) آشنا شدید. به نظرتان شگفت‌انگیز نیست که دو چیز کاملاً متفاوت از اتم‌های یکسان کربن ساخته شده‌‌اند؟ پس دلیل این همه اختلاف در چیست؟ بدون شک پاسخ در چینش اتم‌های کربن در کنار یکدیگر است.

فیلم آموزش مبانی و مقدمات ذرات نانو و روش های رایج سنتز در فرادرس

کلیک کنید

جدا از گرافیت و الماس، دانشمندان انوع مختلفی از ساختارهای کربنی را با ویژگی‌های جالب توجه توسعه داده‌اند. به طور مثال فولرین‌های (Fullerenes) کشف شده در سال 1985 شامل قفسه‌های توخالی اتم‌های کربن نظیر باکی‌بال (شبیه به یک توپ فوتبال با 60 اتم کربن)، نانولوله‌های کربنی (Nanotubes) کشف شده در سال 1991 که شامل ورقه‌های تخت اتم‌های کربن هستند که با قطری حدود چند نانومتر به صورت لوله درآمده‌ و نهایتاً گرافن کشف شده در سال 2004، نمونه‌هایی از ساختارهای مختلف کربنی هستند.

احتمالا در مورد مواد جامد نام آشنا، نظیر خیلی از فلزات کلماتی مثل ساختار داخلی (کریستالی) یا شبکه کریستالی به گوشتان آشنا است. بسیاری از اتم‌ها در یک ساختار منظم در ۳ بعد تکرار شده‌اند. الماس و گرافیت هر دو ساختارهایی ۳ بعدی‌ اما متفاوت از یکدیگر هستند. در ساختار یک الماس، اتم‌ها به شکل مخروط‌هایی سه بعدی قرار گرفته‌اند که ساختاری محکم و سخت را پدید می‌آورند. در حالی که در گرافیت، اتم‌ها در لایه‌هایی دو بعدی پیوند‌هایی محکم دارند و پیوند بین لایه‌ها قوی نیست. دلیل اینکه با یک مداد به راحتی می‌توانید بنویسید در همین امر نهفته است. در واقع با کشیدن مداد روی کاغذ پیوند بین لایه‌ها شکسته شده و لایه‌های گرافیت روی آن می‌نشینند.

گرافن چیزی جز یک لایه گرافیت نیست. بله، فقط یک لایه نازک به ضخامت یک اتم! گرافن ساختاری دو بعدی دارد. به عبارت دیگر اتم‌ها در صفحه‌ای تخت (مثل توپ‌های بازی بیلیارد روی میز) جای گرفته‌اند. هر لایه گرافن از حلقه‌های کربنی شش وجهی (Hexagonal) ساخته‌ شده‌اند که ساختاری لانه زنبوری را پدید می‌آورند. گفتیم که هر لایه گرافن ضخامتی به اندازه قطر یک اتم دارد، یعنی اگر شما بخواهید ساختاری گرافنی با قطر حدود یک میلی‌متر بسازید نیاز به 3 میلیون لایه گرافن دارید.

امروزه دانشمندان روی مواد مختلفی بر پایه ساختار گرافن تحقیق می‌کنند. انتظار می‌رود که روزی کلمه ساختار گرافنی همانند کلمه پلاستیکی که اشاره به انواع مختلف ساختارهای پلاستیکی دارد، برای طیف وسیعی از مواد گرافنی به کار رود.

ویژگی‌‌های گرافن

در هر سال کشفیات و اختراعات زیادی ثبت و ارائه می‌شوند. اما تنها تعداد معدودی شگفت‌انگیز و جالب توجه هستند.

فیلم آموزش مبانی نانوفیزیک + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

گرافن کشف شده در سال 2004 از حیث ویژگی‌های جالب توجه‌اش بسیار مورد توجه جامعه جهانی قرار گرفت. به طور خلاصه این ساختار بسیار محکم و نازک، بسیار سبک، تقریباً شفاف، هادی حرارتی و الکتریکی بسیار خوب و همچنین ویژگی‌هایی خاص در علم الکترونیک دارد.

ویژگی‌‌های عمومی

گرافن یک ماده خالص بر پایه کربن است. گرافن ساختاری ساده، منظم و شش ضلعی از کربن اما بسیار محکم است. از لحاظ الکتریسیته دانشمندان کربن را در دسته نیمه رسانا (نیمه هادی) همانند ژرمانیوم و سیلیکون تقسیم‌بندی می‌کنند. در ادامه با ویژگی‌های فوق‌العاده این ماده بیشتر آشنا می‌شویم.

استحکام و سختی

اگر تا به حال با یک مداد نرم (نظیر $$4B$$) متنی را با سرعت زیاد نوشته باشید، متوجه نرمی این مداد شده‌اید. در واقع لایه‌های کربنی به راحتی از مغز مداد (گرافیت) جدا شده و روی کاغذ می‌نشینند. همانطور که بالاتر اشاره کردیم، پیوند بین لایه‌ها در گرافیت قوی نبوده و به راحتی شکسته می‌شود. اما پیوند درون این لایه‌ها، در واقع پیوند بین کربن‌هایی که این لایه را می‌سازند بسیار محکم (مثل نانولوله‌های کربنی) است. تا به امروز گرافن مستحکم‌ترین ماده کشف شده (بیشتر از الماس و تا 200 برابر قوی‌تر از فولاد) توسط بشر محسوب می‌شود.

به طور قابل توجهی، گرافن سفت و محکم اما انعطاف‌پذیر است؛ به طوری که اگر آن را تا 20 الی 25 درصد طولش بکشید (خم کنید)، بدون شکستن پیوند بین اتم‌هایش در مقابل عمل شما منعطف است. دلیل این خواص فوق‌العاده هنوز به طور دقیق مشخص نیست. اما فرض کنید که بتوان گرافن را با سایر مواد (مثل پلاستیک) ترکیب کنیم. در این صورت مخلوطی سفت و سخت اما نازک و سبک ساخته‌ایم که می‌تواند کاربردهای فراوانی در صنعت داشته باشد. تصور کنید که در بدنه یک ماشین سواری از این ماده ترکیبی استفاده کنیم؛ سبکی و نازکی در کنار استحکام و سختی بالا در صرفه‌جویی انرژی موثر بوده و بدون شک آینده به سمت استفاده از این دست مواد ترکیبی به پیش می‌رود.

نازک و سبک

ماده با ضخامت یک اتم، قاعدتاً بسیار سبک و نازک است. شما می‌توانید مساحت یک زمین فوتبال را با لایه‌ای از گرافن با وزن کمتر از یک گرم پوشش و یا با لایه‌ای از گرافن به وزن 1500 تا 2000 تن (حدود 1000 عدد ماشین سواری) کل ایالات متحده را پوشش دهید!

رسانای حرارتی

اگر استحکام، سختی زیاد، نازکی و حتی سبکی برایتان کافی نیست، گرافن توانایی خیلی بالایی در هدایت گرمایی حتی بیشتر از نقره و مس یا گرافیت و الماس دارد. اضافه و استفاده کردن گرافن در ساختارهای مختلف باعث افزوده شدن خواص مد نظر گرافن به آن ماده شده که می‌تواند به کاربردهای متنوعی منجر شود.

فیلم آموزش مبانی و مقدمات ذرات نانو و روش های رایج سنتز در فرادرس

کلیک کنید

رسانای الکتریکی

در کنار رسانندگی گرمایی زیاد، رسانایی الکتریکی بالا را نیز به خواص شگفت انگیز گرافن اضافه کنید. هر دو ویژگی انتقال گرمایی و الکتریکی می‌توانند برای انتقال انرژی توسط الکترون‌ها مفید باشند. ساختار تخت شش ضلعی گرافن باعث می‌شود که الکترون‌های آزاد، مقاومت بسیار کمی احساس کنند و در نتیجه گرافن، انتقال الکتریسیته خیلی خوبی (بیشتر از مس) داشته باشد. گرافن در دمای اتاق، حتی در قیاس با ابرسانایی که نیاز به دماهای خیلی پایین دارند، رسانایی خوبی دارد.

الکترو‌ن‌ها در گرافن به دلیل ساختار لایه‌ای، بدون این که در مسیر خود برخورد‌هایی داشته باشند (منظورمان آن چیزی است که مقاومت الکتریکی تعریف می‌شود)، می‌توانند مسیر طولانی‌تری را طی کنند. تا اینجا ماده‌ای با ویژگی‌های فوق‌العاده سبک و نازک، سخت و سفت که توانایی الکتریکی بالایی با کمترین اتلاف انرژی ممکن داریم. شگفت انگیز نیست؟ انتظار می‌رود در آینده ادواتی نظیر تلفن همراه با عمر باتری طولانی داشته باشیم.

خواص الکترونیکی

به دنبال خواص الکتریکی، کاربردهایی الکترونیکی نیز از گرافن انتظار می‌رود. همان طور که پیشتر نیز اشاره شد، به دلیل ساختار خاص گرافن، الکترون‌ها آزادانه و با سرعت بالایی حرکت می‌کنند. از این امر می‌توان در صنعت الکترونیک بهره‌های زیادی برد. استفاده از خواص گرافن در ساخت و طراحی تراشه‌های کامپیوتری با سرعت بالا و اتلاف انرژی کم دور از انتظار نیست.

همچنین الکترون‌ها در گرافن از حیث سرعت مشابه فوتون‌ها عمل می‌کنند. به عبارتی در اینجا دو بحث نسبیت و مکانیک کوانتومی ترکیب شده و از گرافن می‌توان برای مطالعه این امر (مکانیک کوانتومی نسبیتی) به جای شتاب‌دهنده‌های گران‌قیمت یا تلسکوپ‌های فضایی بهره برد.

خواص اپتیکی

گرافن به دلیل نازکی بسیار بالایی که دارد (لایه‌ای به ضخامت یک اتم) نور را بیشتر از خود عبور می‌دهد. در واقع اتم‌های کمتری در مقابل فوتون‌های تابیده شده به گرافن جهت برخورد وجود داشته و فوتون‌ها به راحتی از میان آن‌ها عبور می‌کنند. گرافن حدود 97~98 درصد نور را در مقایسه با شیشه یکنواخت (80~90 درصد عبور) از خود عبور می‌دهد.

فیلم آموزش اپتیک یا نورشناسی Optique در فرادرس

کلیک کنید

نفوذ ناپذیری

ساختار شش ضلعی گرافن بسیار ریز مقیاس است. می‌توانیم تصور کنیم که یک لایه توری با بافت بسیار زیر داریم. از این خاصیت می‌توان برای نگه‌داری یا تشخیص گازها استفاده کرد. در واقع این ساختار شش ضلعی آنقدر کوچک است که مولکول‌های گاز توانایی عبور از میان آن‌ها را ندارند. از این خاصیت می‌توان در مخزن ذخیره سوخت هیدروژن برای ماشین‌های هیدروژنی بهره برد.

گرافن چگونه ساخته می‌شود؟

یک مداد معمولی را در دست گرفته و یک چسب نواری روی مغز گرافیتی گذاشته و بردارید. با این کار لایه‌ای نازک از گرافیت روی چسب نواری جا مانده است. این کار را به دفعات تکرار و اطمینان حاصل کنید که هر بار ضخامت لایه نازک و نازک‌تر می‌شود. امیدوار باشید که نهایت به لایه‌ای به ضخامت یک اتم می‌رسید. گرافن شما آماده است!

روش نسبتاً ساده و خام فوق یکی از روش‌های تولید گرافن، موسوم به لایه‌برداری مکانیکی توسط چسب نواری است. یکی دیگر از روش‌های لایه‌برداری مکانیکی، استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (Scanning Force Microscope - SFM) است. با استفاده از مکانیزم این نوع میکروسکوپ می‌توان شروع به برداشتن لایه‌ها به دقت خوبی از روی یکدیگر کرد. پس بی دلیل نیست که گرافن یکی از گران‌ترین مواد حال حاضر دنیا باشد.

روش‌های زیادی برای تولید گرافن در مقایس و محیط آزمایشگاهی وجود دارند، اما یکی از آن روش‌ها که امید به تولید گرافن در مقیاس صنعتی را دو چندان می‌کند، روش رسوب شیمیایی فاز بخار (Chemical Vapor Deposition - CVD) است. در این روش به درون محفظه‌ای بسته، گازی بر پایه کربن، مثل متان را وارد می‌کنند. در پایین این سیستم زیر لایه، مثل یک قطعه مس قرار دارد. در دما و فشار مناسب می‌توان یک لایه گرافن را بر روی زیر لایه بنشانیم. روش CVD میتواند با دو مکانیزم گرمایی و پلاسمایی کار کند.

چگونه می‌توانیم از گرافن استفاده کنیم؟

در بالا با خصوصیات گرافن آشنا شدید. بسته به نوع صنعت و کاربرد ممکن است که فقط برخی از ویژگی‌های فوق مورد نیاز باشد، در نتیجه با ترکیب لایه‌های گرافن در دیگر مواد می‌توان با مهندسی آن ترکیب، به خواص مورد نظر دست پیدا کرد. برای همین در آینده ممکن است که اسامی مختلفی از مواد گرافنی را بشنویم.

در میان خواص فوق، خواص الکتریکی و در نتیجه الکترونیکی، شاید بیشتر از خواص دیگر مد نظر صنعت‌گران برای توسعه سیستم‌های قدرت کم‌مصرف، بهبود بازده سلول‌های خورشیدی، باتری‌هایی با سرعت شارژ بالا، صفحه‌نمایش‌های الاستیک (تاشو) و ... باشد. بهره‌گیری از خواص سختی، استحکام و سبکی در صنعت هوافضا و خودرو نیز دور از انتظار نیست.

همچنین دانشمندان به دلیل سرعت خیلی بالای حرکت الکترون‌‌ها در گرافن، سعی در ساخت ترانزیستور‌های گرافنی و جایگزینی آن‌ها با تراشه‌های سیلیکونی را دارند. انتظار می‌رود که با توسعه تراشه‌های گرافنی، «قانون مور» (Moore's Law) جان دوباره‌ای بگیرد. شرکت‌هایی نظیر نوکیا (Nokia)، سامسونگ (Samsung) و آی بی اِم (IBM) در مراحل اولیه توسعه و جایزگینی ترانزیستورها، حافظه‌های فلش و صفحه‌نمایش‌های لمسی با نوع گرافنی آن هستند.

شاید هر چیزی که تا به امروز تخیلی و ناممکن بود، روزی با گرافن و یا دیگر موادی که هنوز کشف نشده و شاید بهتر از گرافن نیز باشند، محقق شود. یادتان باشد که دنیای علم، نامحدود است.

آینده گرافن

قضاوت در مورد آینده و کاربردهای گرافن هنوز زود است. اکثر خواصی که در بالا به آن اشاره شد در آزمایشگاه‌ها محقق شده و گرافن هنوز آماده استفاده گسترده در صنعت و تکنولوژی نیست. به علاوه ما هنوز نمی‌دانیم که آیا گرافن تنها ساختار شبکه‌ای دو بعدی در جهان بوده یا مواد دیگری با ویژگی‌های مشابه یا بهتر از آن قرار است کشف شوند؟

برای اظهار نظر در مورد گرافن بهتر است که چند دهه دیگر صبر کنیم. گرافن در ابتدای راه خود قرار دارد و تحقیقات گسترده‌ای روی آن در حوزه‌های مختلف علوم در حال انجام است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش آشنایی با ذرات نانو و روش های رایج سنتز
• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• آموزش نظریه اتم‌ها در مولکول‌ها با نرم افزار محاسباتی AIM2000
• معرفی رشته مهندسی مواد — از تحصیل تا اشتغال
• نفوذپذیری (Permeability) — روابط و کاربردها

^^