گرافن يك لايه (تك لايه) از اتم هاي كربن است كه در يك شبكه لانه زنبوري شش ضلعي محكم به هم متصل شده است. اين يك آلوتروپ كربن به شكل صفحه اي از اتم هاي متصل به sp2 با طول پيوند مولكولي 0.142 نانومتر است. لايههايي از گرافن كه روي هم چيده شدهاند، گرافيت را تشكيل ميدهند، با فاصله بين سطحي 0.335 نانومتر. لايههاي جداگانه گرافن در گرافيت توسط نيروهاي واندروالس در كنار هم نگه داشته ميشوند كه ميتوان در هنگام لايهبرداري گرافن از گرافيت بر آن غلبه كرد.
گرافن نازك ترين تركيب شناخته شده براي انسان با ضخامت يك اتم، سبك ترين ماده شناخته شده (با 1 متر مربع وزن حدود 0.77 ميلي گرم)، قوي ترين تركيب كشف شده (بين 100 تا 300 برابر قوي تر از فولاد با مقاومت كششي 130 گيگا پاسكال و مدول يانگ 1 TPa - 150,000,000 psi)، بهترين هادي گرما در دماي اتاق (در (4.84±0.44) × 10^3 تا (5.30±0.48) × 10^3 W·m-1·K-1) و همچنين بهترين رساناي الكتريسيته شناخته شده است (مطالعات تحرك الكترون را در مقادير بيش از 200000 cm2·V-1·s-1 نشان داده است). ديگر ويژگيهاي قابل توجه گرافن جذب يكنواخت نور در بخشهاي مرئي و نزديك به مادون قرمز طيف (πα ≈ 2.3٪) و مناسب بودن بالقوه آن براي استفاده در انتقال اسپين است.
با در نظر گرفتن اين موضوع، ممكن است تعجب كنيد كه بدانيد كربن دومين جرم فراوان در بدن انسان و چهارمين عنصر فراوان در جهان (از نظر جرم)، پس از هيدروژن، هليوم و اكسيژن است. اين امر، كربن را به پايه شيميايي تمام حيات شناخته شده روي زمين تبديل مي كند و گرافن را به طور بالقوه به يك راه حل سازگار با محيط زيست و پايدار براي تعداد تقريبا نامحدودي از كاربردها تبديل مي كند. از زمان كشف (يا دقيق تر، دستيابي مكانيكي) گرافن، كاربردها در رشته هاي مختلف علمي افزايش يافته است و دستاوردهاي بزرگي به ويژه در الكترونيك فركانس بالا، حسگرهاي زيستي، شيميايي و مغناطيسي، آشكارسازهاي نوري با پهناي باند فوق العاده وسيع و انرژي حاصل شده است. ذخيره سازي و توليد
چالش هاي توليد گرافن
در ابتدا، تنها روش ساخت گرافن با مساحت بزرگ، يك فرآيند بسيار گران قيمت و پيچيده (رسوب بخار شيميايي، CVD) بود كه شامل استفاده از مواد شيميايي سمي براي رشد گرافن به صورت تك لايه با قرار دادن پلاتين، نيكل يا كاربيد تيتانيوم در معرض اتيلن يا بنزن در دماي بالا هيچ جايگزيني براي استفاده از اپيتاكسي كريستالي بر روي چيزي غير از يك بستر فلزي وجود نداشت. اين مشكلات توليد باعث شد گرافن در ابتدا براي تحقيقات توسعه اي و استفاده هاي تجاري در دسترس نباشد. همچنين، استفاده از گرافن CVD در الكترونيك به دليل دشواري حذف لايههاي گرافن از بستر فلزي بدون آسيب رساندن به گرافن، مانع شد.
با اين حال، مطالعات در سال 2012 نشان داد كه با تجزيه و تحليل انرژي چسب سطحي گرافن، مي توان به طور موثر گرافن را از تخته فلزي كه روي آن رشد مي كند جدا كرد، در حالي كه از نظر تئوري مي توان از تخته براي كاربردهاي آينده مجدداً تعداد بي نهايت بار استفاده كرد. كاهش ضايعات سمي كه قبلاً در اين فرآيند ايجاد شده بود. علاوه بر اين، كيفيت گرافني كه با استفاده از اين روش جدا شده بود به اندازه كافي بالا بود تا دستگاه هاي الكترونيكي مولكولي ايجاد شود.
تحقيقات در زمينه رشد گرافن CVD از آن زمان با جهش پيشرفت كرده است، و كيفيت گرافن را به يك مورد براي پذيرش فناوري تبديل كرده است، كه اكنون توسط هزينه زيرلايه فلزي زيرين كنترل مي شود. با اين وجود، تحقيقات براي توليد مداوم گرافن بر روي بسترهاي سفارشي با كنترل ناخالصيهايي مانند موجها، سطوح دوپينگ و اندازه دامنه، و همچنين كنترل تعداد و جهتگيري كريستالوگرافي نسبي لايههاي گرافن در حال انجام است.
برنامه هاي كاربردي
هدايت تحقيقات گرافن به سمت كاربردهاي صنعتي نيازمند تلاش هاي هماهنگ است، مانند پروژه ميليارد يورويي اتحاديه اروپا Graphene Flagship. پس از اولين مرحله كه چندين سال به طول انجاميد، محققان پرچمدار نقشه راه كاربردهاي گرافن تصفيهشده را توليد كردند كه اميدواركنندهترين حوزههاي كاربردي را مشخص ميكند: كامپوزيتها، انرژي، مخابرات، الكترونيك، حسگرها و تصويربرداري، و فناوريهاي زيست پزشكي.
توانايي ايجاد ابرخازن از گرافن احتمالاً بزرگترين گام در مهندسي الكترونيك در مدت زمان طولاني خواهد بود. در حالي كه توسعه قطعات الكترونيكي در 20 سال گذشته با سرعت بسيار بالايي در حال پيشرفت بوده است، راه حل هاي ذخيره انرژي مانند باتري ها و خازن ها به دليل اندازه، ظرفيت توان و كارايي عامل محدود كننده اوليه بوده اند (اكثر انواع باتري ها بسيار ناكارآمد هستند. ، و خازن ها حتي كمتر هستند). به عنوان مثال باتري هاي ليتيوم يوني با يك مبادله بين چگالي انرژي و چگالي توان روبرو هستند.
در آزمايشهاي اوليه انجامشده، ابرخازنهاي گرافن ليزري (LSG) چگالي توان قابل مقايسه با باتريهاي ليتيوم يون پرقدرتي را كه امروزه استفاده ميشوند، نشان دادند. نه تنها اين، بلكه ابرخازنهاي LSG بسيار انعطافپذير، سبك، سريع شارژ، نازك، و همانطور كه قبلا ذكر شد نسبتاً بسيار ارزان هستند.
برچسبها:
بازدید: