آشنایی با گرافن و خواص شگفت انگیز آن

گرافن چیست؟
گرافن (graphene) یک لایه اتم کربن با ضخامت یک اتم می باشد که در یک شبکه شش ضلعی به صورت مرتب قرار گرفته است. این ترکیب ماده اصلی سازنده گرافیت است. گرافن به تنهایی یک ماده منحصر به فرد است و خصوصیات شگفت انگیز فراوانی دارد و به همین خاطر کاربردهای متنوعی دارد.
ساخت سایر مواد گرافیکی از این ماده می باشد. از آنجا که قطر اتم کربن معمولی حدود ۰.۳۳ نانومتر است ، حدود ۳ میلیون لایه گرافن در ۱ میلی متر گرافیت وجود دارد.
واحدهای گرافن را نیز به عنوان نانو گرافن می شناسند. اینها برای عملکردهای خاص طراحی و تولید می شوند و به همین صورت فرایند ساخت آنها به مراتب پیچیده تر از گرافن معمولی می باشد. نانوگرافن با حذف انتخابی اتم های هیدروژن از مولکول های آلی کربن و هیدروژن ساخته می شود ، به این فرآیند دهیدروژناسیون گفته می شود.



تاریخچه کشف گرافن
در سال 1560 اولین مداد با مغز گرافیتی ساخته شد, در سال 1924 محققان دریافتند که گرافیت یک ساختار کریستالی از اتم های کربن است که به صورت لایه لایه روی هم قرار گرفته اند و در سال ۱۹۴۷ مطالعات نظری و تئوری این ترکیب توسط فیزیکدان فیلیپ آر والاس به عنوان اولین قدم برای درک ساختار الکترونی گرافیت آغاز و به کار گرفته شد که اگر لایه های کربن رو بتوان از هم کرد و یک تک لایه اتمی کربن در اختیار داشت یک ویژگی منحصری به دست می آید. در آن زمان رسیدن به این ویژگی و لایه تک اتمی غیر ممکن به نظر می رسید. اصطلاح گرافن به وسیله شیمی دانان هانز-پیتر بوهم ، رالف ستتون و ابرهارد استامپ در سال ۱۹۸۶ به عنوان ترکیبی از کلمه گرافیت ، با اشاره به کربن در شکل کریستالی مرتب شده آن مانند هیدروکربن های معطر چند حلقه ای که در آنها اتمهای کربن ساختارهای حلقوی شش ضلعی یا شش ضلعی تشکیل می دهند، بکار گرفته شد.
و در سال ۲۰۰۴ فیزیكدانان دانشگاه منچستر، كنستانتین نووسلوف و آندره گیم و همكارانش با استفاده از یك روش بسیار خلاقانه و ساده لایه برداری از گرافیت (یه قطعه گرافیت و تکه نوار چسب) ، گرافن یك لایه را جدا كردند و توانستند به این لایه تک اتمی از اتم های کربن برسند. آنها با استفاده از نوار چسب لایه های بالایی یک نمونه گرافیتی را برداشتند. وقتی نوار برداشته شد ، مقداری از این ماده به شکل تک لایه روی آن باقی ماند. در حقیقت، جدا نمودن این ترکیب به خودی خود کار دشواری نمی باشد.
هر بار که شخصی با مداد روی کاغذ می کشد، رد مداد کسری کوچک از گرافن یک لایه و چند لایه را در خود دارد. دستاورد گروه منچستر نه تنها جداسازی لایه های گرافنی بوده است بلکه مطالعه خصوصیات و ویژگی های منحصر به فرد فیزیکی آنها نیز بود. به صورت عجیبی ، آنها نشان دادند که الکترون های موجود در این ماده دارای تحرک بسیار بالایی هستند، معنای آن این است که می توان در کاربردهای الکترونیکی نیز از آن استفاده کرد. این اکتشاف بزرگ در سال ۲۰۱۰ منجر شد که جایزه نوبل فیزیک را به گیم و نووسلوف اهدا کنند.



خواص و ویژگی های گرافن به عنوان قوی ترین و رساناترین ماده جهان

نازک ترین ماده ساخته شده در حال حاظر
گرافن هم اکنون نازک ترین ماده ای است که تا به حال ساخته شده. ماده ای به ضخامت یه اتم و در اکثر مواقع به عنوان ماده دو بعدی نیز شناخته می شود, یعنی صفحه ای که فقط دارای طول و عرض می باشد و ارتفاع آن را در نظر نمی گیرند. جالب است بدانید یه لایه کاغذ نازک 1/10 میلیمتر ضخامت دارد در حالی که یک لایه گرافن تقریبا 3 نانومتر ضخامت آن می باشد, چیزی در حدود 300 هزار بار نازک تر از یک ورق کاغذ.

وزن و چگالی بسیار کم
گرافن فوق العاده سبک است. یک لایه گرافن که سطح یک زمین فوتبال را پوشش می دهد کمتر از 1 گرم وزن آن می باشد.

استحکام بسیار زیاد
گرافن دارای استحکام بسیار بالایی است و مقاومت کششی آن 130 گیگاپاسکال می باشد یعنی چیزی در حدود 200 برابر فولاد, اجازه دهید مثالی برای روشن تر شدن بیشتر این ویژگی بزنیم: فرض کنید اگر بخواهید یک فیل را روی یه مداد قرار دهید و همه وزن آن را از طریق نوک آن به ماده گرافنی به ضخامت پلاستیک های امروزی منتقل کنید آن ماده سوراخ نخواهد شد. بنابراین این استحکام زیاد و وزن کم آن می تواند آن را تبدیل به گزینه ای عالی برای ساخت اتوموبیل, موشک, هواپیماه, فضاپیما و... کند. جالب است در پژوهشی محققان توانستد به این نکته پی ببرند که با دو لایه گرافن می توان جلوی حرکت یک گلوله را گرفت که همین امر می تواند باعث ساخت جلیقه های ضدگلوله با ضخامت بسیار نازک و سبک برای نجات جان بسیاری از افراد و سربازان در جنگها شود.

انعطاف پذبری بسیار بالا
گرافن با این ویژگی خاصی که دارد می توان طول اولیه آن را تا 20 درصد بدون آن که کمترین آسیبی ببیند افزایش داد و به حالت اولیه آن را باز گرداند. 

رسانای الکتریکی بسیار بالا
گرافن دارای رسانای الکتریکی بالایی است. دقت کنید که گرافیت یا همان مغز مداد هم رساناست ولی به دلیل ساختار سه بعدی آن الکترون ها می توانند در جهت های مختلفی حرکت کنند و همین امر باعث از دست رفتن انرژی آن ها می شود, در حالی که ساختار دو بعدی گرافن باعث می شود که این الکترون های آزاد بتوانند در سطح آن با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنند.
رسانایی گرافن 35 درصد از مس بیشتر است و به خاطر همین ویژگی های حرارتی منحصر به فرد یک سیم مسی قادر است تا 1000 برابر بیشتر از یک سیم مسی جریان الکتریکی از خود عبور دهد. این نشان دهنده آن است که مدارات ساخته شده از سیم گرافنی دارای راندمان و کارایی بالاتر و در عین حال حرارت بسیار کمتری تولید می کنند.
اگر بتوان با گرافن یک ترانزیستور ساخت سرعت آن تا هزاران برابر بالاتر از ترازیستورهای سیلیکونی خواهد بود. به علت شفافیت و انعطاف پذیری گرافن, ساخت مدارات الکترونیکی شفاف و انعطاف پذیر و همچنین گجت های پوشیدنی پیشرفت های قابل توجهی خواهد کرد, مانند لنزهای تماسی هوشمند که به شما دیدی شبیه دید ربات های فیلم های علمی و تخیلی را می دهد.
با استفاده از گرافن می توان باتری هایی ساخت که ظرفیت آن ها تا 10 برابر بالاتر از باتری های فعلی است و همچنین توانایی شارژ بسیار بالاتری خواهد داشت, به طور مثال با ساخت ابرخازن های گرافنی می توان باتری های ساخت که در یک آن شارژ می شوند و تا روزها این شارژ را نگه می دارند و همینطور تا ده ها سال عمر می کنند.

رسانای حرارتی بسیار بالا
گرافن به علت رسانای حرارتی بالایی که دارد می تواند تا 5 برابر سریع از مس حرارت را انتقال دهد, و برای خنک کردن قطعات الکترونیکی بسیار کاربرد دارد. به عنوان نمونه می توان به ساخت سیمان هایی اشاره کرد که با گرافن آمیخته شده اند و با استفاده آن ها می توان ساختمان هایی بنا کرد که هم خیلی مستحکم ترند و هم اینکه به سیم کشی دیگر نیازی ندارند و دیوارهای آن ها این امکان را به ما می دهند که بدون نیاز به سیم کشی برق و اطلاعات به خوبی انتقال داده شوند و همچنین به خاطر داشتن همین ویژگی حرارتی باعث صرفه جویی در هزینه های انرژی ساختمان نیز خواهد شد.

تیزترین چاقو یا سوزن
پژوهشگران علم پزشکی توانسته اند با تعبیه ی سوزن های گرافنی که روی اعضای مصنوعی کار شده در داخل بدن یا همان ایمپلنت ها قرار می گیرند باکتری های مزاحم را از بین ببرند در عین اینکه که سلول های بدن که بزرگ تر هستند هیچ گونه آسیبی نبینند و در واقع عفونت های رایج بعد از جراحی ایمپلنت را کاهش بدهند.

قابلیت فیلتر کردن آب شور
ساختار گرافن به گونه است که می تواند مولکول های آب را از خودش عبور دهد ولی در عوض نمک و دیگر آلودگی هایی که در داخل آب هستند از آن عبور نمی کنند بنابراین این ویژگی توانسته آن را به بهترین فیلتر برای دستگاه های آب شیرین کن و تصفیه آب که در حال حاضر وجود دارند تبدیل کند و همچنین قادر است هزینه آب شیرین کن های فعلی را به شدت کاهش دهد چیزی که مهم ترین عامل عدم توسعه این تکنولوژی در دنیای بحران زده آبی امروز می باشد.

هم اکنون با بررسی و ویژگی های منحصر به فرد گرافن سوال مهمی پیش روی ماست که چرا با وجود کشف گرافن در سال 2004 و همه ی این خواص و کاربردهایی که برای آن وجود دارد پس چرا بعد از این همه سال هم اکنون اثری از آن نیست چرا که در حال حاضر می بایست همه چی چیز از گرافن ساخته شده باشد و ما هم اکنون در حال زندگی در دنیایی شبیه به فیلم های علمی و تخیلی باشیم. به قول و گفته ی مقاله ای که در سال 2017 منتشر شد, "گرافن همه کار انجام می کند جز اینکه از آزمایشگاه بیرون بیاید" در حقیقت مهم ترین و اساسی ترین مشکل این است که تولید انبوه کم هزینه و بی عیب نقص گرافن مسئله ای بوده که در همه این سال ها از انقلاب گرافنی جلوگیری کرده است ولی اخیرا دانشمندان توانسته اند راه هایی برای دستیابی به این تولید انبوه کم هزینه بی عیب و نقص پیدا کنند و در این یکی دو سال اخیر نشانه هایی از ورود گرافن در زندگی روزمره انسان دیده شده است که با یه جستجوی ساده در اینترنت می توان وسایلی را که در آن ها گرافن استفاده شده و در بازار موجود هستند را پیدا کرد ولی شاید هنوز تا انقلاب گرافنی و به عبارتی شروع عصر گرافن که مانند عصر حجر و یا عصر آهن که می تواند اصطلاحی رایج برای مشخص کردن زمان ما باشد راه درازی را در پیش داریم.