گرافن مادهی دوبعدی شفافی است که با خواص منحصربهفرد مانند استحکام فوقالعاده و رسانایی بالا، پتانسیل بینهایتی در صنایع پزشکی، انرژی و کامپیوتر دارد.
گرافن، مادهای شگفتانگیز و انقلابی در دنیای علم و فناوری است. این مادهی دوبعدی و شفاف که از یک لایهی تکاتمی کربن تشکیل شده است، خواصی منحصربهفرد مانند استحکام فوقالعاده و رسانایی الکتریکی بالا دارد. کنستانتین نووسلف (Konstantin Novoselov) و آندره گایم (Andre Geim) با کشف این ماده در سال ۲۰۰۴، تحولِ عظیمی را در دنیای مواد ایجاد کردند.
گرافن پس از کشف، بهسرعت به یکی از داغترین موضوعات پژوهشی تبدیل شد. پتانسیل بینهایت گرافن در صنایع مختلف، از الکترونیک و کامپیوتر تا پزشکی و انرژی، باعث شده است تا دانشمندان و مهندسان در سراسر جهان، بهدنبال راههایی برای بهرهبرداری از این مادهی شگفتانگیز باشند. در این مطلب، پس از آشنایی با گرافن و خواص شگفتانگیز آن، در مورد مهمترین کاربردهای این ماده در صنایع مختلف صحبت میکنیم.
گرافن چیست؟
گرافن، لایهی نازکی از گرافیت است. بهاحتمال زیاد اکثر ما با گرافیت در مغزِ مداد آشنا شدیم. گرافن، بهلطف ویژگیهای منحصربهفردش، از فولاد مستحکمتر، از پلاستیک سبکتر و از هر مادهی دیگری رساناتر است.
کربن، عنصری شگفتانگیز است که در قالبهای بسیار متفاوتی ظاهر میشود. بهعنوان مثال، اگرچه الماس و گرافیت، هر دو از کربن ساخته شدهاند، اما کاملا متفاوت از یکدیگر هستند. الماس بهشدت مقاوم و سخت است و بهعنوان یکی از سختترین مواد در طبیعت شناخته میشود، درحالیکه گرافیت، بسیار شکننده و نرم است.
درون گرافیت، ساختاری به نام گرافن وجود دارد. اتمهای گرافن بهشکل ششضلعی منظم کنار هم چیده شدهاند. وقتی گرافن را از گرافیت جدا کنیم، ویژگیهایی کاملا خاص و شگفتانگیز از خود نشان میدهد.
این ماده، نخستین مادهی دوبعدیای بود که در سال ۲۰۰۴ میلادی کشف شد. در آن زمان، گایم از یکی از دانشجویانش خواست تا نمونهای از گرافیت را به نازکترین حالت ممکن آماده کند. برای انجام این کار، آنها کریستالی کوچک از گرافیت (۲٫۵۴ سانتیمتر) را صیقل دادند و لایهی بسیاری نازکی از آن بهدست آوردند.
در ادامهی پژوهشها روی گرافن، گایم و دانشجوی دکترایش، نووسلف، پدیدهی بسیار جالبی را کشف کردند؛ گرافن در مواجه با میدان الکتریکی، واکنش منحصربهفردی به نام اثر میدان (Field Effect) از خود نشان داد. اثر میدان در فیزیک به پدیدهای گفته میشود که در آن رسانایی الکتریکی ماده با اعمال میدان الکتریکی خارجی تغییر میکند. این اثر، در مواد مختلف مانند فلزات و نیمهرساناها رفتار متفاوتی دارد.
در ابتدای کشف گرافن، از آن برای ساخت تجهیزات ورزشی استفاده میشد، اما کمکم در صنایع دیگری مانند خودروسازی و الکترونیک نیز وارد شد. گرافن، یکی از نازکترین مواد شناخته شده در جهان و ۱۵۰ برابر قویتر از فولاد با وزنِ برابر است.
این ماده بهاندازهی لاستیک انعطافپذیر است و تا ۱۲۰ درصد طول خودش، کشیده میشود. در کنار تمام مزیتهای گرافن، از عیبهای آن نمیتوانیم چشمپوشی کنیم. بهعنوان مثال، گرافن نمیتواند خاموش شود. اگر وسیلهای، تمام مدت روشن باشد و هیچگاه خاموش نشود، انرژی بسیاری زیادی مصرف میکند.
الکترونها، داخل گرافن با سرعت بسیار زیادی حرکت میکنند. در نگاه نخست، این ویژگی، عالی بهنظر میرسد. اما کنترل جریان الکتریکی (حرکت الکترونها) برای ساخت تراشهها امری حیاتی است.
البته فقط موضوع فنی نیست؛ مانع بزرگتری هم وجود دارد: صنعت. سیلیکون از سالها قبل، مادهی اصلی در صنعت نیمههادی بوده است. برای آنکه گرافن بتواند جایگزین مناسبی برای سیلیکون باشد یا حتی کنار آن استفاده شود، لازم است با تجهیزات و خطوط تولید موجود که بهطور ویژه برای سیلیکون طراحی شدهاند، سازگار شود. تا زمانیکه این سازگاری محقق نشود، سیلیکون همچنان جایگاه خود را در این حوزه حفظ خواهد کرد.
