“مادة القرن الحادي و العشرين”، “مادة ثورية” هكذا تميز الغرافين او الجرافين (graphène) منذ اكتشافه في عام 2004 بواسطة كونستانتين نوفوسيلوف و أندريه جيم. اذ حصل عمل العلماء على الغرافين على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010، و لكن ما هو حقًا، بعد 17 عامًا من هذا الاكتشاف؟
يشتهر الغرافين عالميًا بخصائصه الرائعة سواء كانت ميكانيكية أو حرارية أو كهربائية. إن هيكله المثالي على شكل قرص العسل المكون من ذرات الكربون هو السبب وراء كون الغرافين مادة قوية في العديد من المجالات. يسمح مورفولوجيتها، على شكل صفيحة سميكة بترتيب الذرة، بأن تنسجم مع عائلة المواد ثنائية الأبعاد. منذ اكتشافه، كثف المصنعون أبحاثهم في المواد. ظهرت تطبيقات مختلفة، لا سيما من خلال استغلال الأداء الكهربائي للغرافين. يتم استهداف العديد من القطاعات، مثل الطيران والسيارات والاتصالات.
هل يوجد غرافين في الطائرات؟
يُستغل الغرافين بسبب وضعه كبطل في الموصلية الكهربائية، و لكن أيضًا بسبب كثافته المنخفضة و مرونته. سمحت له هذه الخصائص بالانضمام إلى نادي مغلق للغاية للمواد المستخدمة في مجال الطيران.
تعتبر الصواعق و تراكم الجليد على الهيكل من المشاكل الشائعة التي تواجهها الطائرات على ارتفاعات عالية. الصاعقة على سطح غير موصل تسبب أضرارًا جسيمة، بما في ذلك اشتعال الجهاز. تؤدي إضافة الغرافين، بسبب الموصلية الكهربائية العالية، إلى تبديد تيار الطاقة العالي هذا. تم تصميم تصميم الطائرة لتوجيه التيار قدر الإمكان من المناطق الخطرة و خزانات الوقود و كابلات التحكم و بالتالي منع فقدان السيطرة على الطائرة أو حتى حدوث انفجار.
يتم استخدام طلاء مكون من رازين (résine) مقوى بالغرافين، و المعروف باسم “المركب النانوي” ، كبديل للطلاء المعدني. في الواقع، تسمح كثافته المنخفضة بالحصول على مواد أخف من المواد الأصلية، مما يحد من كتلة الجهاز و بالتالي استهلاك الوقود. من ناحية أخرى، فإن المواد الموصلة للكهرباء، اللازمة لتبديد طاقة البرق، لها عيب في انعكاس الموجات الكهرومغناطيسية مما يمنع استخدام هذا النوع من المواد لتطبيقات التخفي في القطاع العسكري.
لعلاج هذا العيب، تم تطوير أشكال مختلفة من الغرافين للحفاظ على الموصلية الكهربائية مع تحسين التخفي. واحدة من هذه الهياكل الجديدة هي “رغوة الغرافين”. تخترق الموجة المادة، و هي ظاهرة انعكاسات الأخيرة في جميع اتجاهات الفضاء تحبسها و تضعف آثارها تدريجياً. لا توجد عودة محتملة للموجة إلى الرادار، فيصبح الجهاز متخفياً و يسمى “التدريع الكهرومغناطيسي”.
الغرافين لتخزين الطاقة
وجد الغرافين أيضًا مكانه على نطاق واسع في مجال تخزين الطاقة الكهربائية.
يعتبر الغرافين مرشحًا مثاليًا كقطب كهربائي لبطاريات Li-ion و المكثفات الفائقة. من ناحية، نظرًا لأن الموصلية الكهربائية عالية، من ناحية أخرى لأن سطحه عالي الجودة (المقابل للسطح المتاح على الغرافين لاستيعاب الأيونات و تعزيز تبادل الإلكترونات بين قطب الغرافين و الليثيوم) يسمح الحصول على “سعة التخزين”.
في الواقع ، يمكن بسهولة إدخال عدد كبير من الأيونات بين صفائح الغرافين، مما يجعل من الممكن تبادل المزيد من الإلكترونات مع المجمع الحالي، مما يزيد من سعة تخزين الكهرباء و بالتالي استقلالية البطارية.
تتيح سهولة إدخال الأيونات في قطب الغرافين والتوصيل الكهربائي العالي للأخير (لنقل الإلكترون السريع) دورة تفريغ / شحن أقصر بكثير للبطارية. تسمح الموصلية العالية للغرافين بإيصال كمية كبيرة من الطاقة في وقت قصير جدًا، وبالتالي زيادة قوة المكثفات الفائقة. يعتبر الغرافين أيضًا موصلًا حراريًا جيدًا، مما يحد من ارتفاع درجة حرارة البطاريات عن طريق تبديد الحرارة.
على المستوى الصناعي، هناك بالفعل بطارية خارجية طورتها شركة Real Graphene، والتي تُظهر الشحن الكامل للهاتف الخلوي في 17 دقيقة. في منطقة مختلفة تمامًا، تعمل مرسيدس على نموذج أولي لسيارة ببطارية مكونة من أقطاب الغرافين، يتم الإعلان عنها بمدى 700 كيلومتر لإعادة الشحن لمدة 15 دقيقة – في الوقت الحالي، تبدو هذه القيم مفاجئة للوهلة الأولى، خاصة للسيارات الكهربائية التي تتطلب بطاريات ذات سعة تخزين عالية.
إيجاد مكانته في الإلكترونيات
حيث يجد الغرافين صعوبة في التميز عن أشباه الموصلات في مجال الإلكترونيات. خصائصه الإلكترونية – بسبب “هيكل النطاق” – تجعل التحكم في الإلكترونات مستحيلًا و من ثم يتصرف الغرافين مثل شبه معدن. نتيجة لذلك، يظل استخدام الغرافين في الإلكترونيات الثنائية الرقمية معقدًا، و لا سيما بالنسبة للترانزستورات، التي تتكون بالأحرى من أشباه الموصلات.
من أجل استخدام الغرافين في الترانزستور، يجب تغيير هيكل النطاق الخاص به، مما يؤدي عادةً إلى تدهور بنية قرص العسل و خصائص كهربائية أخرى. إذا أردنا الحفاظ على هذا الهيكل ثنائي الأبعاد، فيجب علينا تغيير الطبيعة الكيميائية للذرات التي تتكون منها المادة، على سبيل المثال باستخدام نيتريد البورون أو ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية، و التي تعد أيضًا جزءًا من عائلة كبيرة من المواد ثنائية الأبعاد.
و مع ذلك، إذا رغب المرء في استخدام الغرافين، فيجب على المرء أن يستهدف التطبيقات التي سيتم فيها أيضًا البحث عن الخصائص الميكانيكية (المرونة)، مثل أجهزة الاستشعار و الأقطاب الكهربائية و بعض الترانزستورات المخصصة للإلكترونيات التناظرية، مثل ترانزستورات تأثير الغرافين. يعمل عمالقة الهاتف أيضًا على تطوير شاشات هواتف خلوية مرنة لتوفير بيئة عمل أفضل.
يمكن أن يتطلب تصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية التالية مواد تسمى “العوازل التوبولوجية”. إنها مواد موصلة للكهرباء على السطح، لكنها عازلة في اللب. يركز البحث حاليًا على المرحلة الطوبولوجية من الغرافين بالتوصيل الكهربائي فقط عند الحواف.
يوضح تنوع تطبيقات الغرافين الإمكانات الكاملة لهذه المادة و يسمح بتصور آفاق جديدة في مجالات مختلفة مثل الإلكترونيات الضوئية و الإلكترونيات السفلية.
لقد تمكنت هذه المادة بالفعل من إثبات نفسها في البيئة الصناعية دون إحداث ثورة فيها اليوم. ومع ذلك، يكشف البحث المستمر عن مجالات جديدة محتملة للتطبيق كل عام. في الوقت نفسه، يتم تطوير الأساليب التركيبية باستمرار لتقليل سعر الغرافين لكل كيلوغرام والسماح بإنتاج مواد ذات جودة أفضل.
المصدر:
ترجمة و تحرير: سهى غابري
