اخبار عاجلة
الرئيسية » مقالات » الجرافين عالية الشفافية أقوى 200 مرة من الفولاذ وأخف 1000 مرة من الورق

الجرافين عالية الشفافية أقوى 200 مرة من الفولاذ وأخف 1000 مرة من الورق

شبكة عراق الخير:

 أجرى العالمان والباحثان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر تجربة بسيطة مخادعة

ذات عواقب محتملة لتغيير العالم. كان ذلك عام 2004، حيث تلاعبا بالجرافيت “الأشياء الموجودة في طرف

قلم الرصاص” .

يتكون الجرافيت من صفائح فائقة الرقة من الكربون النقي مكدسة فوق بعضها البعض. أراد جيم ونوفوسيلوف

معرفة ما إذا كان بإمكانهما عزل ورقة واحدة من الجرافيت ، وهي طبقة رقيقة من الكربون لا تُقاس بسمك ذرة

واحدة فقط.

لذا أمسكا بلفافة من الشريط اللاصق. نعم ، نفس الشريط الشفاف الموجود في قضيب البلاستيك الذي

تحتفظ به في درج القمامة. إليكم كيف وصف جيم أسلوبه ، كما أوردته بي بي سي.

“تضع شريطًا لاصقًا على الجرافيت أو الميكا وتقشر الطبقة العلوية. هناك رقائق من الجرافيت تنفصل عن

الشريط. ثم تقوم بطي الشريط إلى النصف ولصقه بالرقائق الموجودة في الأعلى وتقسيمها مرة أخرى.

تكرر هذا الإجراء 10 أو 20 مرة. في كل مرة ، تنقسم الرقائق إلى رقائق أرق وأرق. في النهاية تترك مع

رقائق رفيعة جدًا متصلة بالشريط. تقوم بإذابة الشريط ويصبح كل شيء في المحلول. “

طريقة الشريط اللاصق عملت, من خلال عزل لوح من طبقة واحدة من الكربون ، ينسب الفضل إلى جيم

ونوفوسيلوف في اكتشاف مادة جديدة تمامًا تسمى الجرافين والتي يُعتقد الآن أنها أقوى وأخف مادة وأكثرها

موصلة للكهرباء على الأرض.

وتقاسم جايم ونوفوسيلوف جائزة نوبل في الفيزياء في 2010 ، لاكتشاف الجرافين ، وبدأ الباحثون في جميع أنحاء العالم يطالبون بطرق لاستخدام هذه “المواد الفائقة” الرائعة لبناء بطاريات أكثر قوة وأطول عمراً ، وشرائح ميكروية أسرع ، ودوائر مرنة ، وأجهزة استشعار حيوية قابلة للزرع. و اكثر. بعد عقد من الزمان ، لم يفِ الجرافين بوعوده الكبيرة ، لكن المطلعين واثقون من أننا سنرى أخيرًا الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية وأجهزة الاستشعار التي تستخدم تقنية تعتمد على الجرافين في السنوات القليلة المقبلة.

لماذا يعتبر الجرافين مادة فائقة؟

بسمك ذرة واحدة فقط ،  تنطبق على ورقة من الجرافين كل صفات المادة فائقة الجودة:

  • الجرافين أقوى 200 مرة من الفولاذ من حيث الوزن.

  • إنها أخف 1000 مرة من الورق.

  • شفافية بنسبة 98 بالمائة.

  • توصيل الكهرباء أفضل من أي مادة أخرى معروفة في درجة حرارة الغرفة.

  • يمكنها تحويل الضوء بأي طول موجي إلى تيار.

  • وأخيرًا وليس آخرًا ، يتكون الجرافين من الكربون ، وهو رابع أكثر العناصر وفرة في الكون ، لذلك من غير المحتمل أن ينفد.

يحصل الجرافين على قوته الخارقة من هيكله. إذا كان بإمكانك التكبير بشكل قريب بما فيه الكفاية ، فسترى أن ورقة الجرافين تبدو وكأنها قرص عسل ذري. يتم ترتيب ذرات الكربون الفردية في نمط سداسي يشبه سلك الدجاج. كل ذرة كربون في ورقة من الجرافين مرتبطة تساهميًا بثلاثة عناصر كربون أخرى ، مما يعطي المادة قوتها المذهلة.

لماذا يقوم الجرافين بتوصيل الكهرباء بشكل جيد؟ مرة أخرى ، بسبب الطريقة التي ترتبط بها ذرات الكربون. تحتوي كل ذرة كربون على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي ، لكن ثلاثة فقط من هذه الإلكترونات مشتركة مع ثلاث ذرات كربون مجاورة لها. يُطلق على الإلكترون المتبقي اسم إلكترون pi وهو حر في التحرك في فضاء ثلاثي الأبعاد ، مما يسمح له بنقل الشحنات الكهربائية عبر لوح الجرافين دون أي مقاومة تقريبًا. في الواقع ، يعد الجرافين أسرع موصل للكهرباء في درجة حرارة الغرفة لأي مادة معروفة.

في شركة Cabot Corporation ، يقوم كبير الباحثين مات هيسكث بفحص تطور الجرافين في ثلاث قوارير. القارورة الموجودة على اليسار عبارة عن جرافيت ، والوسطى عبارة عن غرافيت موسع ، والقنينة الموجودة على اليمين عبارة عن غرافين.

الزاوية السحرية

قد يضيف الاكتشاف الأخير قوة عظمى أخرى إلى قائمة التباهي بالجرافين. كان فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) يجرِّب الجرافين ثنائي الطبقات – طبقتان من الجرافين أحادي الذرة مكدَّستين معًا – عندما عثروا على خاصية جديدة شبه سحرية من الجرافين. عندما يتم تدوير الطبقات قليلاً خارج الخط مع بعضها البعض – إزاحة بمقدار 1.1 درجة بالضبط – يصبح الجرافين موصلًا فائقًا. الموصلات الفائقة هي أندر فئة من المواد التي توصل الكهرباء بدون مقاومة على الإطلاق وبدون حرارة.

أحدث اكتشاف “الزاوية السحرية” للجرافين صدمة في المجتمع العلمي. على الرغم من أن التجربة أجريت في درجات حرارة منخفضة للغاية (قريبة من 0 درجة كلفن أو سالب 459.67 فهرنهايت) ، فقد فتحت إمكانية أنه من خلال الجمع بين الجرافين والعناصر فائقة التوصيل الأخرى ، أصبحنا أقرب من أي وقت مضى إلى الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. مثل هذا الإنجاز سيحسّن بشكل جذري كفاءة الطاقة لكل شيء من الأدوات إلى السيارات إلى الشبكات الكهربائية بالكامل.

كيف يمكن للجرافين أن  يغير التكنولوجيا ٍ؟

لا تزال الموصلية الفائقة على بعد عقود ، لكن المنتجات الثورية القائمة على الجرافين ستطرح في السوق في وقت أقرب بكثير ، كما يقول أندريا فيراري ، أستاذ تكنولوجيا النانو ومدير مركز كامبريدج للجرافين.

يقول فيراري: “بحلول عام 2024 ، ستكون هناك مجموعة متنوعة من منتجات الجرافين في السوق ، بما في ذلك البطاريات والضوئيات وكاميرات الرؤية الليلية والمزيد.”

ينتظر المستهلكون بفارغ الصبر ومنذ سنوات ,  البطاريات التي تعتمد على الجرافين . فبطاريات الليثيوم أيون الموجودة في جميع أجهزتنا بطيئة نسبيًا في الشحن ، وتفقد سائلها بسرعة وتحترق بعد عدد محدد من الدورات. ذلك لأن العملية الكهروكيميائية التي تشغل بطاريات الليثيوم أيون تولّد الكثير من الحرارة.

ولكن نظرًا لأن الجرافين هو أكثر الموصلات الكهربائية كفاءة في العالم ، فإنه ينتج حرارة أقل بكثير عند شحن أو تفريغ الكهرباء. تعد البطاريات القائمة على الجرافين  ذات سرعات شحن أسرع بخمس مرات من الليثيوم-أيون ، وعمر بطارية أطول بثلاث مرات ، وخمس مرات عدد الدورات قبل الحاجة إلى استبدالها.

تعمل شركات الإلكترونيات مثل Samsung و Huwei بنشاط على تطوير بطاريات تعتمد على الجرافين للهواتف الذكية وغيرها من الأدوات ، ولكن أقرب تلك البطاريات ستطرح في السوق هذا العام 2021. أما بالنسبة لبطاريات الجرافين في السيارات الكهربائية – والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من نصف قطر قيادتها – فلا يزال يلزمنا بعض  سنوات . لقد تم بناء صناعة كاملة على تقنية الليثيوم-أيون ولن تتغير بين عشية وضحاها.

يقول جيسوس دي لا فوينتي ، الرئيس التنفيذي لشركة Graphanea ، وهي شركة تصنع وتبيع الجرافين النقي والرقائق القائمة على الجرافين للباحثين الأكاديميين وأقسام البحث والتطوير: “صناعة البطاريات محافظة للغاية”. “قد يغير تكوين البطاريات قليلاً مرة كل خمس إلى عشر سنوات ، مما يجعل من الصعب للغاية إدخال منتجات جديدة في هذه الصناعة.”

هناك عدد قليل من البطاريات القائمة على الجرافين في السوق ، بما في ذلك بعض أجهزة الشحن السلكية واللاسلكية من شركة تدعى Real Graphene ، ولكن هذه ليست سوى قمة جبل الجليد ، كما يقول فيراري ، وهو أيضًا مسؤول العلوم والتكنولوجيا في شركة Graphene Flagship ، وهو تعاون بقيمة مليار يورو من قبل الاتحاد الأوروبي لتسريع تطوير تقنية الجرافين. يقوم شركاء الأبحاث مع Flagship بالفعل بتصنيع بطاريات الجرافين التي تتفوق على أفضل الخلايا عالية الطاقة اليوم بنسبة 20 بالمائة من السعة و 15 بالمائة من الطاقة. قامت فرق أخرى ببناء خلايا شمسية تعتمد على الجرافين وهي أكثر كفاءة بنسبة 20 بالمائة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

استخدامات أخرى للجرافين

في حين أن بطاريات الجرافين قد تكون الأولى في السوق ، إلا أن الباحثين منشغلون في تطوير تطبيقات أخرى لا حصر لها لهذه المادة المعجزة.

تعتبر المستشعرات الحيوية مشكلة كبيرة. تخيل شريحة رقيقة ومرنة بشكل لا يصدق يمكن حقنها في مجرى الدم لمراقبة البيانات الصحية في الوقت الفعلي مثل مستويات الأنسولين أو ضغط الدم. أو واجهة غرافين ترسل إشارات ذهابًا وإيابًا إلى الدماغ لاكتشاف نوبة صرع قادمة أو حتى منعها. يمكن أيضًا ارتداء أجهزة استشعار رفيعة قابلة للمط على الجلد أو نسجها في نسيج الملابس.

حصل أستاذ الفيزياء الدكتور يان فونج على اختراع جديد للخلايا الشمسية شبه الشفافة منخفضة التكلفة مع أقطاب الجرافين في جامعة بولي في هونغ هوم ، الصين ، 2015.

علم الفوتونات هو مجال آخر يحتوي بالفعل على الجرافين. من خلال دمج الجرافين في شرائح حساسة للضوء ، يمكن للكاميرات وأجهزة الاستشعار الأخرى تحسين الحساسية بشكل كبير حتى لأضعف موجات الضوء عبر الطيف المرئي وغير المرئي. لن يؤدي ذلك إلى تحسين جودة الصور للكاميرات والتلسكوبات فحسب ، بل سيؤدي أيضًا إلى تحسين الصور الطبية.

الترشيح هو تطبيق واعد آخر للجرافين. يمكن لمرشحات تنقية المياه البسيطة المصنوعة من بوليمرات الجرافين أن ترتبط بالملوثات العضوية وغير العضوية في مياه الشرب . ابتكر الباحثون في الجرافين الرائد أيضًا تقنيات تحلية المياه القائمة على ثنائيات الجرافين التي يمكنها إزالة أكثر من 60 في المائة من الملح من مياه البحر للاستخدامات الزراعية وغيرها.

ستستغرق كل هذه التطورات بعض الوقت ، لكن فيراري في مركز كامبريدج جرافين واثق من أن الجرافين سيرقى إلى مستوى القمة في الترويج . في الواقع ، إنه متحمس بنفس القدر بشأن الخصائص غير المكتشفة بعد لما يقدر بـ 2000 مادة أحادية الطبقة أخرى يتم عزلها أيضًا بطريقة الشريط اللاصق أو غير ذلك.

يقول فيراري: “نقول الجرافين ، لكننا نتحدث حقًا عن عدد كبير من الخيارات التي يتم استكشافها”. “الأمور تسير في الاتجاه الصحيح”.

المصدر