گرافن، معجزه قرن 21

چند سالی است که گرافن به یکی از جالب توجه‌ترین سوژه‌های دنیای فناوری تبدیل شده است. ماده‌ای سخت‌تر از الماس، رساناتر از مس و با شفافیتی بالا که می‌تواند در بسیاری از عرصه‌های علم و فناوری نفوذ کند. نمودی از اهمیت گرافن را می‌توان در اختصاص جایزه نوبل فیزیک به دو دانشمندی که مطالعات خود را بر آن متمرکز کرده‌ بودند دانست. ماده‌ای که به گفته نووسلوف یکی از دو دانشمند مذکور، به مشابه یک معدن طلا است. حتی قبل از این‌که پیشگامان تحقیق بر روی گرافن، جایزه نوبل فیزیک را به خود اختصاص دهند، از این ماده به عنوان "حادثه بزرگ بعد" یاد می‌شد. خیلی‌ها اعتقاد دارند که این ماده پایانی بر سیلیکون خواهد بود.

گرافن که یک تک لایه از اتم‌های کربن با هیبریداسیون sp2 است، در یک شبکه دوبعدی در کنار هم چیده شده اند و به علت دارا بودن خواص استثنایی حرارتی، مکانیکی و الکتریکی توجه محققین را در چند سال اخیر به خود جلب کرده است. در واقع گرافن واحد سازنده آلوتروپ‌های کربن با ابعاد و اشکال مختلف است. به طور مثال گرافیت، آلوتروپ 3 بعدی کربن، ساخته شده از لایه‌های گرافن می‌باشد که به صورت لایه لایه بر روی هم انباشته شده اند و فاصله بین صفحات 3.37 oA می‌باشد. آلوتروپ صفر بعدی کربن، فلورن، را می‌توان تصور کرد که با جمع شدن بخشی از لایه گرافن ساخته می‌شود. آلوتروپ‌های 1 بعدی کربن، نانولوله‌ها (CNT) و نانوریبون‌ها را می‌توان به ترتیب با پیچیدن و برش دادن صفحه گرافن ایجاد کرد. البته باید ذکر کرد درحال حاضر این آلوتروپ‌های کربن به جز نانوریبون‌ها با استفاه از گرافن سنتز نمی‌شوند.

گرافن تک لایه با مدول یانگ TPa 1 و مقاومت نهایی GPa 130 قدرتمندترین ماده ایست که تا به حال اندازه گیری شده است. این ماده دارای رسانایی حرارتی 5000 W/(m.K) و همچنین رسانایی الکتریکی بالایی چون 6000 S/cm می‌باشد. این ویژگی‌ها در کنار سطح ویژه فوق العاده بالا (تئوری: 2630 m2/g) و عدم عبورپذیری گاز، نشان از پتانسیل بالای این ماده برای بهبود خواص مکانیکی، الکتریی، حرارتی و عبور ناپذیری گاز در پلیمرها دارد.

به خاطر خواص استثنایی لایه‌های گرافن و کشف روش‌های متعدد برای تهیه آنها محققان علاقه زیادی به مطالعه گرافن پیدا کرده اند که میزان انتشار تحقیقات مختلف گواهی بر این علاقه میباشد. با یک جست و جوی ساده با کلیدواژه گرافن در بین پایگاه داده‌های رایج در موسسه بین المللی علمی (ISI) Web of science، Science direct و SciFinder افزایش سریع انتشارات مختلف بعد از سال 2005 تا 2009 دیده می‌شود.

گرافن می‌تواند نقطه‌ی عطفی در حل برخی از مشکلات بنیادی موجود در صنایع مختلف کشور از جمله: هوا فضا، نظامی، پزشکی، نانوالکترونیک، شیمی و... باشد که با تهیه صفحات گرافن با تک لایه مستقل زیاد می‌توان بر یکسری از موانع فنی فایق آمد.

برخی از کاربرد‌های گرافن در زیر توضیح داده شده است.

• انرژی:
  • گرافن ظرفیت انرژی در باتری‌های قابل شارژ را بهبود می‌بخشد.
  • به کمک گرافن فعال می توان به ابر خازن‌ها برای ذخیره انرژی دست یافت.
  • الکترود گرافن به یک روش امیدبخش برای ساخت سلول‌های خورشیدی شفاف که ارزان، سبک و انعطاف پذیر هستند منجر شده است.
  • بستر گرافن‌های چند عاملی بسترهایی برای سیستم‌های کاتالیستی می‌باشد.

• سنسورها:
  • گرافن عامل دار نوید استثنایی برای سنسورهای بیولوژیکی و شیمیایی می‌باشد. در حال حاضر، محققان نشان داده اند که ساختار متمایز دوبعدی از اکسید گرافن، همراه با نفوذپذیری فوق العاده به درون مولکول‌های آب، منجر به ایجاد دستگاه‌های حسگر با سرعت بی سابقه می‌شود.
  • تغییر سیگنال در ترانزیستور گرافن در اثر بخارات شیمیایی، اجازه‌ی انجام سنجش گاز‌های انتخابی برای بسیاری از بخارات با یک دستگاه واحد، ساخته شده از گرافن بدون عامل سطحی را مهیا می‌کند.
  • فوم گرافن که ساختار سه بعدی از صفحات گرافن به هم پیوسته با هدایت بسیار بالا است، به عنوان سنسورهای گاز و حسگرهای زیستی برای تشخیص بیماری به کار می‌رود.

• لوازم الکترونیکی قابل انعطاف، کشش و تاشو:
  • خواص منحصر به فرد گرافن از جمله انعطاف پذیری مکانیکی، هدایت الکتریکی بالا و ثبات شیمیایی، ترکیبی ایده آل برای لوازم الکترونیک نسل‌های بعد را نوید می‌دهد . ترکیب این ماده با چاپ جوهر افشان راه ارزان و مقیاس پذیر برای بهره برداری از این خواص را در فن آوری‌های دنیای واقعی میسر می‌سازد. در حال حاضر جوهرهای رسانای مبتنی بر گرافن توسط شرکت Vorbek عرضه می گردد. این جوهرها در کاربردهای متنوعی از قبیل ساخت برچسب های RFID به کار می رود.
  • گرافن به دلیل هدایت الکتریکی، قدرت و خاصیت ارتجاعی قابل توجه، قابلیت انتخاب آن را برای الکترونیک قابل پوشش فراهم می‌کند، فن آوری که هدف آن تولید مدارها بر روی منسوجات و بسترهای پلاستیکی انعطاف پذیر با قابلیت خمیدگی و یا پوست مصنوعی روبات مانند می باشد .

• نانو الکترونیک:
  • برخی از کارکردهای امید بخش گرافن در نانوالکترونیک شامل ترانزیستور و ریزاتصالات الکترونیک، آشکارسازها (به عنوان عناصر سنسور) و مدیریت حرارتی (به عنوان پخش کننده‌های حرارت جانبی) می‌باشد.

• آشکارسازهای نوری:
  • محققان نشان داده اند که گرافن را می‌توان برای کاربردهای مخابراتی استفاده کرد. آنها همچنین دریافتند که گرافن می‌تواند به طور بالقوه به عنوان یک جاذب اشباع با پاسخ نوری در محدوده گسترده ای از اشعه ماوراء بنفش، مرئی، مادون قرمز تا تراهرتز مورد استفاده قرار گیرد. پاسخ نوری ضعیف و عمومی آن ممکن است به مزیت برای کاربردهای فوتونیک فوق سریع تبدیل شود.

• پوشش ها:
  • پوشش اشیاء با گرافن می‌تواند برای اهداف مختلفی استفاده شود. به عنوان مثال، محققان نشان داده اند که با استفاده از صفحات گرافن برای ایجاد یک پوشش فوق آب گریز که سبب خاصیت فوق آب گریزی پایدار در هر دو شرایط ساکن و پویا و در نتیجه شکل گیری ساختارهای دافع آب می‌شود، می‌توان استفاده کرد.
  • گرافن نازکترین پوشش شناخته شده در جهان برای حفاظت از فلزات در برابر خوردگی است. گرافن، چه به طور مستقیم با مس یا نیکل آلیاژ شود و یا بر روی سطح فلز پوشش داده شود، حفاظت در برابر خوردگی را فراهم می‌کند.

در این راستا،  توانستیم با تهیه گرافن با صفحات بزرگ میکرونی با تک لایه‌ی مستقل زیاد راه را برای برطرف نمودن مشکلات فوق با عزم ملی، به منظور پیشبرد اهداف راهبردی کشور در زمینه‌های مختلف هموار سازیم که این موضوع مستلزم حمایت‌های معنوی و مالی صنایع بزرگ کشور به منظور تجاری سازی صنعت بزرگ تولید گرافن با صفحات بزرگ میکرونی با تک لایه‌ی مستقل زیاد می‌باشد. از اینرو امیدوار هستیم تا کشورعزیزمان بدین وسیله در صنایع استراتژیک  بومی شده و موفقیت‌های ارزنده ای را کسب نماید.