گرافن ؛ فلزی با رفتار آب که می تواند دنیا را دگرگون سازد

حدود 12 سال از کشف گرافن می گذرد اما هنوز هم دانشمندان و پژوهشگران از آن به عنوان یک جایگزین خوب برای سیلیکون نام می برند. گرافن یکی از آلوتروپ های کربن است که از فولاد قوی تر و از الماس سخت تر است که بسیار شبیه به لانه ی زنبور می باشد و ساختاری 2 بعدی دارد .

از دیگر خواصی که این ماده دارد می توان به موارد زیر اشاره کرد :

1- گرافن درمیان بهترین مواد رسانایی که تا کنون کشف شده اند ، قرار دارد

2- ماندگاری و رسانایی صفحات لمسی را افزایش می دهد

3- می تواند جایگزین خوبی برای سیلیکون باشد و …

در مقاله ای که جدیدا در مجله ی Science منتشر شده است ، محققان دانشگاه  هاروارد و Raytheon BBN Technology به درک پیشرفته ای از خواص گرافن دست یافته اند و همچنین توانسته اند رفتاری که الکترون های آن همانند سیال از خود بروز می دهند ، مشاهده کنند.

لازم به ذکر است که این تحقیق توسط پروفسور فیلیپ کیم که استاد فیزیک است ، در مدرسه ی مهندسی و علوم کاربردی فیزیک (SEAS) ، به نام جان پالسون انجام شده است.

یک شاهراه فوق العاده بزرگ الکترونی

بطور معمول ، ساختار فلزات 3 بعدی است و الکترون ها به سختی با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند .اما ساختار 2 بعدی و لانه زنبوری گرافن باعث می شود که همانند شاهراه ، تمام ذرات در یک لاین جابه جا شوند.الکترون ها در گرافن همانند اشیاء نسبیتی بدون جرم عمل می کنند ، برخی دارای بار مثبت و برخی دیگر نیز دارای بار منفی می باشند. سرعت حرکت این الکترون ها حدود 300 برابر بیشتر از نور است و پیش بینی می شود که حدود 10 تریلیون بار در ثانیه به یکدیگر برخورد داشته باشند. این فعل و انفعالات شدید ، تا پیش از این هرگز در هیچ فلز دیگری مشاهده نشده بود.

جسی کراسنو دانش آموخته ی پروفسور کیم و نویسنده ی اول این مقاله می گوید : موادی که دارای یک اتم ضخیم باشند ، تحت تاثیر محیط پیرامونی خود قرار می گیرند که گرافن نیز از این قضیه مستثنی نیست. اما اگر بتوانیم گرافن را برروی یک سطح ناهموار قرار دهیم ، محیط اطراف هیچ تاثیری برروی آن نخواهد گذاشت.

تیم محققان یاد شده ، توانسته اند یک نمونه ی فوق العاده تمیز از ورق گرافنی به ضخامت یک اتم ، بین ده ها لایه از یک کریستال شفاف کامل الکتریکی ، با ساختار اتمی مشابه گرافن ایجاد کنند.

سپس یک جریان حرارتی ذرات را با بار مثبت و بار منفی برروی سطح گرافن به وجود آوردند و چگونگی جاری شدن جریان های حرارتی و الکتریکی را مشاهده کردند. که بر اساس آن ، همه ی خواص همانند فلزات بودند.

این تکنیک پیش از این توسط پروفسور کیم و همکارانش در دانشگاه کلمبیا توسعه داده شده بود (قبل از حضورشان در دانشگاه هاروارد در سال 2014 ) ، اما در حال حاضر این تحقیق در آزمایشگاه او یعنی SEAS به نتیجه نشسته است.

استفاده از گرافن در صنعت چه پیامدهایی خواهد داشت ؟

دکتر کین چونگ فونگ یکی از دانشمندان موسسه Raytheon BBN Technology اظهار دارد : حال ما می دانیم که گرافن رفتاری همانند مایعات دارد . وی همچنین اشاره کرد ، برای مشاهده سیستم های هیدرودینامیک می بایست راه دقیقی برای اندازه گیری چگونگی حمل گرما توسط الکترون ها توسعه داده شود ، که البته کار بسیار سختی است .

روش های هدایت گرما به دو صورت است :

1- از طریق ارتعاشات ساختار اتمی یا شبکه

2- از طریق الکترون ها

آقای فونگ در رابطه با هدایت گرما گفته است : ما برروی هدایت گرما از طریق الکترون ها متمرکز شده ایم . چرا محققان می توانند با اندازه گیری دمای الکترون ها تا سه رقم اعشار ، میزان هدایت الکتریکی را نیز اندازه گیری کنند.

بر اساس گفته های سایت ژاپنی Nikkei Technology در سال 2012 کمپانی سونی توانسته است که بزرگترین گرافن دوبعدی جهان را به طول 100 متر و عرض 23 سانتی متر بسازد .

نقاط ضعف گرافن

همانطور که گفته شد ، گرافن یک لایه اتم کربن است و اتصالات اتمی ضعیفی دارد که به همین دلیل بسیار نازک است . همین نازکی می تواند یکی از نقاط ضعف گرافن به شمار برود ، چرا که باعث می شود این ورق ها بسیار شکننده باشند.

یکی از عوامل دیگر که ممکن است باعث جایگزین نشدن گرافن با سیلیکون شود ، این است که چگونه از این عنصر در دستگاه های امروزی استفاده شوند ، چرا که در حال حاضر جایگزین کردن آن با ترانزیستورهای سیلیکونی کاری غیر ممکن است.

منابع :