گرافن، ویژگی ها و کاربردها

گرافن  یک آلوتروپ کربن است که از یک لایه اتم تشکیل شده است که در یک شبکه لانه زنبوری دو بعدی نانوساختار چیده شده اند. این نام از “گرافیت” و پسوند – ene گرفته شده است که نشان دهنده این واقعیت است که آلوتروپ گرافیت کربن حاوی پیوندهای دوگانه متعددی است.

هر اتم در یک ورقه گرافن توسط یک پیوند σ به سه همسایه نزدیک خود متصل می شود و یک الکترون به نوار رسانایی که در کل صفحه گسترش می یابد کمک می کند. این همان نوع پیوندی است که در نانولوله‌های کربنی و هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای و (تا حدی) در فولرن‌ها و کربن شیشه‌ای دیده می‌شود. این نوارهای رسانایی گرافن را، به نیمه فلزی با خواص الکترونیکی غیرعادی تبدیل می‌کنند که به بهترین وجه توسط تئوری‌های ذرات نسبیتی بی‌جرم توصیف می‌شود.

گرافن به دلیل استحکام کششی فوق‌العاده بالا، رسانایی الکتریکی، شفافیت و نازک‌ترین ماده دو بعدی در جهان، به یک نانومواد ارزشمند و مفید تبدیل شده است. بازار جهانی گرافن در سال 2012، 9 میلیون دلار بود، که بیشتر تقاضای تحقیق و توسعه در نیمه هادی ها، الکترونیک، باتری های الکتریکی، و کامپوزیت ها بوده است.

این ماده نه تنها نازک‌ترین، بلکه یکی از قوی‌ترین مواد است. گرما را بهتر از سایر مواد هدایت می کند. رسانای عالی الکتریسیته است. از نظر نوری شفاف است، اما آنقدر چگال است که در برابر گازها نفوذ ناپذیر است – حتی هلیوم، کوچکترین اتم گاز، نمی تواند از آن عبور کند.

گرافن ویژگی های شگفت انگیز دیگری نیز دارد: تحرک بالای الکترون آن 100 برابر سریعتر از سیلیکون است. گرما را 2 برابر بهتر از الماس هدایت می کند. هدایت الکتریکی آن 13 برابر بهتر از مس است. تنها 2.3 درصد از نور بازتابنده را جذب می کند. و مساحت بالای آن 2630 متر مربع در هر گرم است، به این معنی  که با کمتر از 3 گرم می توانید کل یک زمین فوتبال را بپوشانید.

گرافن از نظر مفهومی طبقه جدیدی از مواد را نشان می‌دهد که تنها یک اتم ضخامت دارند، به اصطلاح مواد دو بعدی (2D) نامیده می‌شوند (به این دلیل که تنها در دو بعد گسترش می‌یابند: طول و عرض، زیرا این ماده تنها یک اتم ضخامت دارد. بعد سوم یعنی ارتفاع صفر در نظر گرفته می شود). و تنها در این حالت تک یا چند لایه است که خواص شگفت انگیز گرافن ظاهر می شود.

تولیدکنندگان تجاری گرافن از مسیرهای مختلفی برای تولید گرافن استفاده می کنند. روش‌های پایین به بالا عمدتاً به رسوب شیمیایی در فاز بخار (CVD) به ترکیبات غنی از کربن برای تشکیل صفحات ۲ بعدی کربن متکی هستند. کیفیت به دست آمده از گرافن از پایین به بالا معمولاً بالا است اما متأسفانه این روش ها به راحتی مقیاس پذیر نبوده و گران هستند.

در مقابل، روش‌های بالا به پایین، تکنیک‌های بسیار ارزان‌تر و مقیاس‌پذیرتر هستند. بسیاری از مسیرهای سنتز در مقیاس بزرگتر شامل مراحل میانی لایه برداری اکسید گرافن (GO) و کاهش متعاقب آن به اکسید گرافن احیا شده (rGO) است. با این حال، نتایج خوب به دست آمده از نظر عملکرد، همراه با کیفیت و ثبات است.

نانو مواد مبتنی بر گرافن کاربردهای امیدوارکننده زیادی در زمینه های مرتبط با انرژی دارند. فقط چند نمونه اخیر: گرافن ظرفیت انرژی و سرعت شارژ باتری های قابل شارژ را بهبود می بخشد. گرافن فعال ابرخازن های برتری برای ذخیره انرژی می سازد. الکترودهای گرافن ممکن است به یک رویکرد امیدوارکننده برای ساخت سلول‌های خورشیدی ارزان، سبک و انعطاف‌پذیر منجر شوند. و تشک‌های گرافنی چند منظوره، بسترامیدوارکننده‌ای برای سیستم‌های کاتالیزوری هستند.

کاربردهای نوظهور در درمان با سلول های بنیادی است که در آن از گرافن به عنوان داربست زیست سازگار استفاده می شود که مانع تکثیر سلول های بنیادی مزانشیمی انسانی (hMSCs) می شود و تمایز خاص آنها را به سلول های استخوانی تسریع می کند. استفاده از مواد مبتنی بر گرافن در نانوتکنولوژی دارویی اخیراً به دلیل ساختار شیمیایی منحصر به فرد و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی آنها – از جمله سطح بسیار بالا، رسانایی نوری، حرارتی و الکتریکی و سازگاری خوب با محیط زیست، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است.

گرافن دارای ترکیبی منحصر به فرد از خواص است که برای الکترونیک نسل بعدی ایده آل است. از جمله انعطاف پذیری مکانیکی، هدایت الکتریکی بالا و پایداری شیمیایی. تلاش‌های تحقیقاتی متعددی امکان‌سنجی ساخت الکترونیک مبتنی بر گرافن را از طریق استراتژی‌های چاپ جوهر با کارایی بالا نشان داده‌اند. فرمول‌بندی جوهر گرافن قابل چاپ با جوهر افشان منجر به مسیری ارزان و مقیاس‌پذیر برای بهره‌برداری از ویژگی‌های گرافن در فناوری‌های دنیای واقعی می‌شود.

رسانایی، استحکام و خاصیت ارتجاعی قابل توجه گرافن نیز آن را به گزینه امیدوارکننده برای الکترونیک قابل کشش تبدیل کرده است – فناوری که هدف آن تولید مدارهایی بر روی بسترهای پلاستیکی انعطاف پذیر برای کاربردهایی مانند سلول های خورشیدی خم شونده یا پوست مصنوعی رباتیک مانند است.

کولار یک پلیمر با استحکام بالا شناخته شده است که به لطف عملکرد مکانیکی عالی آن، کاربردهای امنیتی مهمی به ویژه در منسوجات (مانند جلیقه های ضد گلوله یا لباس های محافظ آتش نشانان) پیدا کرده است. اما به کمک گرافن آماده شوید تا نسل بعدی لباس های محافظ، چند کاره یا «هوشمند» را ببینید. این مواد نه تنها قادر خواهند بود از بدن انسان در برابر آسیب محافظت کنند، بلکه دارای عملکردهای هوشمندی مانند نظارت بر سیگنال های فیزیولوژیکی و تشخیص خطرات احتمالی مانند گازها، عوامل بیماری زا یا تشعشعات نیز هستند.

و در پایان اینکه، ماسک‌های صورت به ابزاری مهم در مبارزه با همه‌گیری COVID-19 تبدیل شده‌اند. با این حال، استفاده نادرست یا دور انداختن ماسک ها ممکن است منجر به “انتقال ثانویه” شود. یک تیم تحقیقاتی با موفقیت ماسک های صورت گرافنی را با راندمان ضد باکتریایی 80 درصدی تولید کرده اند که با قرار گرفتن در معرض نور خورشید به مدت 10 دقیقه تا تقریباً 100 درصد افزایش می یابد.