گرافن یک لایه (تک لایه) از اتم های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری شش ضلعی محکم به هم متصل شده است. این یک آلوتروپ کربن به شکل صفحه ای از اتم های متصل به sp2 با طول پیوند مولکولی 0.142 نانومتر است. لایه‌هایی از گرافن که روی هم چیده شده‌اند، گرافیت را تشکیل می‌دهند، با فاصله بین سطحی 0.335 نانومتر. لایه‌های جداگانه گرافن در گرافیت توسط نیروهای واندروالس در کنار هم نگه داشته می‌شوند که می‌توان در هنگام لایه‌برداری گرافن از گرافیت بر آن غلبه کرد.
گرافن نازک ترین ترکیب شناخته شده برای انسان با ضخامت یک اتم، سبک ترین ماده شناخته شده (با 1 متر مربع وزن حدود 0.77 میلی گرم)، قوی ترین ترکیب کشف شده (بین 100 تا 300 برابر قوی تر از فولاد با مقاومت کششی 130 گیگا پاسکال و مدول یانگ 1 TPa - 150,000,000 psi)، بهترین هادی گرما در دمای اتاق (در (4.84±0.44) × 10^3 تا (5.30±0.48) × 10^3 W·m-1·K-1) و همچنین بهترین رسانای الکتریسیته شناخته شده است (مطالعات تحرک الکترون را در مقادیر بیش از 200000 cm2·V-1·s-1 نشان داده است). دیگر ویژگی‌های قابل توجه گرافن جذب یکنواخت نور در بخش‌های مرئی و نزدیک به مادون قرمز طیف (πα ≈ 2.3٪) و مناسب بودن بالقوه آن برای استفاده در انتقال اسپین است.
با در نظر گرفتن این موضوع، ممکن است تعجب کنید که بدانید کربن دومین جرم فراوان در بدن انسان و چهارمین عنصر فراوان در جهان (از نظر جرم)، پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. این امر، کربن را به پایه شیمیایی تمام حیات شناخته شده روی زمین تبدیل می کند و گرافن را به طور بالقوه به یک راه حل سازگار با محیط زیست و پایدار برای تعداد تقریبا نامحدودی از کاربردها تبدیل می کند. از زمان کشف (یا دقیق تر، دستیابی مکانیکی) گرافن، کاربردها در رشته های مختلف علمی افزایش یافته است و دستاوردهای بزرگی به ویژه در الکترونیک فرکانس بالا، حسگرهای زیستی، شیمیایی و مغناطیسی، آشکارسازهای نوری با پهنای باند فوق العاده وسیع و انرژی حاصل شده است. ذخیره سازی و تولید
چالش های تولید گرافن
در ابتدا، تنها روش ساخت گرافن با مساحت بزرگ، یک فرآیند بسیار گران قیمت و پیچیده (رسوب بخار شیمیایی، CVD) بود که شامل استفاده از مواد شیمیایی سمی برای رشد گرافن به صورت تک لایه با قرار دادن پلاتین، نیکل یا کاربید تیتانیوم در معرض اتیلن یا بنزن در دمای بالا هیچ جایگزینی برای استفاده از اپیتاکسی کریستالی بر روی چیزی غیر از یک بستر فلزی وجود نداشت. این مشکلات تولید باعث شد گرافن در ابتدا برای تحقیقات توسعه ای و استفاده های تجاری در دسترس نباشد. همچنین، استفاده از گرافن CVD در الکترونیک به دلیل دشواری حذف لایه‌های گرافن از بستر فلزی بدون آسیب رساندن به گرافن، مانع شد.
با این حال، مطالعات در سال 2012 نشان داد که با تجزیه و تحلیل انرژی چسب سطحی گرافن، می توان به طور موثر گرافن را از تخته فلزی که روی آن رشد می کند جدا کرد، در حالی که از نظر تئوری می توان از تخته برای کاربردهای آینده مجدداً تعداد بی نهایت بار استفاده کرد. کاهش ضایعات سمی که قبلاً در این فرآیند ایجاد شده بود. علاوه بر این، کیفیت گرافنی که با استفاده از این روش جدا شده بود به اندازه کافی بالا بود تا دستگاه های الکترونیکی مولکولی ایجاد شود.
تحقیقات در زمینه رشد گرافن CVD از آن زمان با جهش پیشرفت کرده است، و کیفیت گرافن را به یک مورد برای پذیرش فناوری تبدیل کرده است، که اکنون توسط هزینه زیرلایه فلزی زیرین کنترل می شود. با این وجود، تحقیقات برای تولید مداوم گرافن بر روی بسترهای سفارشی با کنترل ناخالصی‌هایی مانند موج‌ها، سطوح دوپینگ و اندازه دامنه، و همچنین کنترل تعداد و جهت‌گیری کریستالوگرافی نسبی لایه‌های گرافن در حال انجام است.
برنامه های کاربردی
هدایت تحقیقات گرافن به سمت کاربردهای صنعتی نیازمند تلاش های هماهنگ است، مانند پروژه میلیارد یورویی اتحادیه اروپا Graphene Flagship. پس از اولین مرحله که چندین سال به طول انجامید، محققان پرچم‌دار نقشه راه کاربردهای گرافن تصفیه‌شده را تولید کردند که امیدوارکننده‌ترین حوزه‌های کاربردی را مشخص می‌کند: کامپوزیت‌ها، انرژی، مخابرات، الکترونیک، حسگرها و تصویربرداری، و فناوری‌های زیست پزشکی.
توانایی ایجاد ابرخازن از گرافن احتمالاً بزرگترین گام در مهندسی الکترونیک در مدت زمان طولانی خواهد بود. در حالی که توسعه قطعات الکترونیکی در 20 سال گذشته با سرعت بسیار بالایی در حال پیشرفت بوده است، راه حل های ذخیره انرژی مانند باتری ها و خازن ها به دلیل اندازه، ظرفیت توان و کارایی عامل محدود کننده اولیه بوده اند (اکثر انواع باتری ها بسیار ناکارآمد هستند. ، و خازن ها حتی کمتر هستند). به عنوان مثال باتری های لیتیوم یونی با یک مبادله بین چگالی انرژی و چگالی توان روبرو هستند.
در آزمایش‌های اولیه انجام‌شده، ابرخازن‌های گرافن لیزری (LSG) چگالی توان قابل مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون پرقدرتی را که امروزه استفاده می‌شوند، نشان دادند. نه تنها این، بلکه ابرخازن‌های LSG بسیار انعطاف‌پذیر، سبک، سریع شارژ، نازک، و همانطور که قبلا ذکر شد نسبتاً بسیار ارزان هستند.
برچسب‌ها:
بازدید: