گرافن به عنوان یک ماده نوین با خصوصیات خارق العاده، در حال حاضر در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد. گرافن در صنایع نانوالکترونیکی، صنایع طبی، صنایع باتری و خلاصه در بسیاری از صنایع دیگر نیز کاربرد فراوانی دارد. از جمله خصوصیات مهم آن انعطاف پذیری بالا، سبک وزن بودن و قابلیت رسانندگی بالا است. گرافن به دلیل خصوصیات فوق العاده ای که دارد، ماده بسیار مهمی است. با ما تا آخر این مقاله همراه باشید تا ویژگی های شگفت انگیز گرافن را به شما معرفی کنیم.
بیشتر ویژگی های گرافن را بشناسید
کشف گرافن در سال 2004 به دلیل ویژگی های جالب و منحصر به فردی که دارد بسیار مورد توجه قرار گرفت. گرافن یک نوع ماده یا المان شیمیایی است که با ترکیب هسته یک اتم کربن و به وجود آمدن یک ساختار دو بعدی، به صورت یک لایه باریک و محکم شکل گرفته است. در زیر به ویژگی های شگفت انگیز عمومی و خاص گرافن می پردازیم. ویژگی های عمومی گرافن عبارتند از:
- از ویژگی‌های عمومی گرافن می توان به مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی و حرارت، سبک بودن و همچنین هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار خوب آن اشاره کرد.
- گرافن یک ماده خالص بسیار محکم و با ساختار ساده و منظم است که از آرایش شش ضلعی اتم های کربن تشکیل شده است. از لحاظ الکتریسیته، کربن به دلیل توانایی پذیرش و انتقال الکترون، به عنوان یک نیمه رسانا (نیمه هادی) دسته بندی می شود. البته باید توجه داشت که گرافن در مقایسه با سیلیکون و ژرمانیوم، خواص الکتریکی و الکترونی بهتری دارد و به عنوان یک نیمه رسانای فوق هسته ای شناخته شده است.
اما ویژگی های شگفت انگیز و خاص گرافن شامل موارد زیر می شود:
- استحکام و سختی گرافن
پیوندهای بین اتم های کربن در گرافن، پیوندهای کووالانسی قوی هستند. به همین دلیل مقاومت بسیار بالایی را در برابر شکستن پیوند دارند. به همین علت، گرافن به صورت محکم و سفت به نظر می رسد.
- نازکی و سبک وزن بودن گرافن
گرافن بسیار نازک و سبک است. به عنوان مثال، ضخامت یک لایه از گرافن تنها حدود 0.335 نانومتر است که بسیار کمتر از ضخامت مواد دیگر است. همچنین وزن خشک یک متر مربع از گرافن تنها 0.77 میلی گرم است که در مقایسه با وزن خشک فولاد (7850 کیلوگرم بر متر مکعب) بسیار کمتر است. بنابراین، با توجه به نازک بودن و وزن سبک این محصول، می توان از آن برای ساخت سازه های بسیار سبک و محکمی استفاده کرد که در صنایع هوا و فضا، الکترونیک، پوشش های حفاظتی و غیره کاربرد دارند.
- انعطاف پذیری بالای گرافن
گرافن با داشتن پیوندهای کربنی قوی و ساختار بلوری هگزاگونال، دارای انعطاف پذیری بسیار بالایی است. به عبارت دیگر، می توان طول اولیه یک نمونه از گرافن را تا 20 درصد بدون آسیب دیدن افزایش داد و سپس به حالت اولیه آن برگرداند.
- رسانای الکتریکی بالای گرافن
گرافن با داشتن ساختار دو بعدی خود، دارای رسانای الکتریکی بسیار بالایی است. در واقع، این محصول یکی از بهترین رساناهای الکتریکی موجود است و رویه های گرافنی به خوبی جریان الکتریکی را انتقال می دهند. در واقع رسانایی گرافن حدود 35 درصد بیشتر از رسانایی مس است که نشان می دهد این ماده قابلیت جابجایی الکترون های بهتری نسبت به مس دارد.
- خواص نوری گرافن
گرافن به دلیل ساختار دو بعدی خود، به طور قابل توجهی شفافیت نسبتاً بالایی دارد. این خاصیت باعث شده که گرافن به عنوان یکی از بهترین مواد جهت استفاده در تولید الکترونیک اپتیکال پذیرفته شود. به همین دلیل گرافن به عنوان عاملی در تولید صفحات نمایش شفاف مورد استفاده قرار می گیرد. به علاوه می توان از آن به عنوان پنجره های خورشیدی در ساختمان ها استفاده کرد و همینطور به منظور تولید انواع لامپ های LEDکه امکان عبور نور برای آن ها بسیار حائز اهمیت است، مورد استفاده قرار می گیرد.
- رسانای حرارتی بالای گرافن
گرافن به دلیل رسانای حرارت بالا و همچنین خواص مکانیکی قوی که دارد، برای خنک کردن قطعات الکترونیکی و ساخت مواد سازه ای مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از گرافن در تولید سیمان، علاوه بر افزایش مقاومت مصالح، صرفه جویی در هزینه های انرژی به دلیل خاصیت رسانای حرارتی آن نیز میسر می شود.
- فیلتر کردن آب شور
به دلیل داشتن ساختار ویژه ای که از تعداد بسیار زیادی لایه های گرافنی تشکیل شده است، گرافن قادر است مولکول های آب را به راحتی عبور دهد، اما نمک و سایر آلودگی ها را از خود باز دارد. به همین دلیل، گرافن به عنوان یک فیلتر بسیار قوی به شمار می آید که می تواند در تصفیه آب شور مورد استفاده قرار گیرد و به عنوان جایگزینی پایدار و کارآمد برای دستگاه های شیرین کن آب مورد استفاده قرار گیرد.
- خاصیت نفوذ ناپذیری گرافن
ساختار شش ضلعی گرافن به عنوان یک فیلتر بسیار کوچک و نفوذ ناپذیر به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. این خاصیت فیلتراسیون بسیار کوچک را می توان در تمامی حوزه هایی که نیاز به جداسازی مولکول های کوچک دارند، از جمله تصفیه آب، تصفیه هوا و تولید انرژی به کار برد. در مورد ذخیره سوخت هیدروژن نیز این خاصیت پوشش گرافن می تواند به عنوان یکی از راه حل های موثر برای نگهداری سوخت هیدروژن در مخازن ذخیره سازی به کار رود.
- خاصیت الکترونی گرافن
گرافن به عنوان یک ماده هادی با خواص الکترونیکی فوق العاده، پتانسیل بالایی برای تحولات صنعت الکترونیک دارد. این ماده دارای خواص الکترونیکی و فیزیکی منحصر به فردی است که آن را برای کاربردهایی در دستگاه های الکترونیکی آینده قابل استفاده می کند. خواص الکترونیکی گرافن شامل سرعت حرکت الکترون ها، کارآیی بالا و توانایی انتقال حرارت بالا است. این خواص باعث می شوند تا گرافن به عنوان یک جایگزین مناسب برای فلزات در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد. به طور کلی خواص الکترونیکی گرافن به عنوان یک ماده هادی منحصر به فرد، برای تحولات آینده در حوزه الکترونیک بسیار مهم و قابل توجه هست.
گرافن و کاربردهای آن
گرافن (graphene) یک لایه اتم کربن در یک شبکه شش ضلعی است ضخامت آن به اندازه یک اتم است. گرافن به دلیل خصوصیات منحصر به فرد خود، توجه بسیاری از محققان و علاقه مندان را به خود جلب کرده است. گرافن نام دیگری برای یکی از آلوتروپ های کربن است. در گرافن، تنها یک لایه از ساختار گرافیت وجود دارد و بقیه لایه ها حذف شده اند. همچنین، چهارمین الکترون پیوندی کربن به عنوان الکترون آزاد باقی می ماند. برخی از کاربردهای آن عبارتند از:
- این ماده به علت سخت بودن، انعطاف پذیری بالا، وزن کم و مقاومت زیاد قابلیت استفاده در صنایع مختلف از جمله الکترونیک، نانوتکنولوژی، شیمی، پزشکی و حتی خودروسازی را به دنبال دارد.
- همچنین به دلیل ویژگی پراکندگی نور و هدایت برق بالای خود، گرافن به عنوان یک جزء کلیدی در تکنولوژی های نوری و الکترونیکی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
- از گرافن می توان در تراشه هایی که از ترانزیستور استفاده می کنند استفاده کرد. در این صورت، ترانزیستور‌های گرافنی با سرعت بالا و اتلاف انرژی کم، قابلیت پردازش اطلاعات را بسیار افزایش می دهند.
- در صنعت حافظه های الکترونیکی نیز می توان از خواص گرافن استفاده کرد.
معرفی انواع گرافن ها
گرافن دارای انواع مختلفی است و هر کدام از آن ها در کاربردهای متنوعی استفاده می شوند. انواع گرافن ها به همراه کاربردشان در صنعت عبارتند از:
- گرافن تک لایه
یک ورقه بسیار ضخیم تک اتمی که در یک شبکه شش ضلعی قرار می گیرد. از گرافن تک لایه در صفحه نمایش های لمسی مانند LCD و نانو الکتریک استفاده می شود.
- گرافن چند لایه (FLG)
از چند لایه گرافن روی هم تشکیل شده است که با ابعاد جانبی مشابه مرتب شده اند و دارای 2 تا 5 لایه هستند. در مواردی مانند نانوالکترونیک ها، باتری ها، پوشش ها و حسگرها از گرافن چند لایه FLG استفاده می شود.
- گرافن چند لایه (MLG)
مانند گرافن چند لایه FLG از چند لایه گرافن روی هم تشکیل شده است، اما لایه ها با انحراف بیشتری مرتب شده اند. از این نوع گرافن در روان کننده ها، جوهرهای رسانا، کامپوزیت ها و مواد افزودنی به پلاستیک ها استقاده می شود و حدود 2 تا 10 لایه دارند.
- نانو پلاکت گرافن (GNP)
نانو پلاکت گرافن، مواد گرافیت دو بعدی ضخیم با ابعاد جانبی کمتر از 100 نانومتر و دارای بیش از 10 لایه هستند. این نوع گرافن در جوهرهای رسانا، کامپوزیت ها و روان کننده ها کاربرد فراوان دارند.
کلام پایانی
گرافن به عنوان یک فناوری نوظهور، هنوز جای زیادی برای پیشرفت و تحقیقات دارد. این فناوری با امکانات خود شامل ساختار و خواص فوق العاده ای است که می تواند در حوزه های مختلفی مانند الکترونیک، تصفیه آب، تشخیص بیماری ها و غیره مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، شاید برای رسیدن به این همه کاربرد، نیاز به پیشرفت و تحقیقات بیشتر در این زمینه باشد. همچنین، چالش هایی چون ساخت و تولید گرافن به صورت صنعتی، قابلیت چاپ دقیق آن و قابلیت تولید گرافن با ویژگی‌های مختلف، هنوز به دلیل پیچیدگی های فنی، به چالش کشیده شده است. به هرحال، پیش بینی می شود که با توسعه فناوری های جدید و پیشرفت در زمینه تحقیقات گرافن، این ماده می تواند بسیاری از نیازهای صنعتی و علمی را به خوبی تامین کند.
