ما هي مادة الغرافين؟
تحدثنا في المقال السابق عن تطور تقنيات النانو وفائدتها في حياتنا اليومية، إضافةً لإمكانياتها الكبيرة في تطوير التقنيات المؤثرة في حياتنا بشكل أساسي. في هذا المقال سنتحدث عن أحد أهم هذه المواد والذي يسمى "غرافين" (Graphene).
فيديو ذات صلة
This browser does not support the video element.
ما هو الغرافين؟
الغرافين؛ هو ارتباط 6 ذرات كربون بشكل منتظم لتشكيل "مسدس" (سداسي أضلاع منتظم)، يمكن تشكيل الغرافين من مادة الغرافيت (أقلام الرصاص)، حيث أن الغرافيت يتشكل من تراكب الذرات بشكل هندسي في الأبعاد الثلاثة (طول وعرض وارتفاع)، وبإزالة الارتفاع من البنية البلورية يتشكل الغرافين.
بشكل أبسط، الغرافين ثنائي الأبعاد ويكون سمكه بسمك ذرة كربون واحدة، تم تشكيله عن طريق تقليل سماكة الغرافيت تدريجياً حتى تصل لسماكة ذرة واحدة، والغرافين شفاف اللون رغم كثافته الكبيرة ويتمتع بمتانة قوية للغاية وناقلية ممتازة جداً للكهرباء، كما أنه أفضل موصل للحرارة موجود في الوقت الحالي.
حقائق وأرقام حول مادة الغرافين
- بدأت دراسته عام 1947: الدراسة النظرية للغرافين بدأت عام 1947 إلا أنه لم يتم إنتاجه بشكل فعلي حتى عام 2004 على يد العالمين "أندري غيم" (Andre Geim) و"كوستيا نوفوسيلوف" (Kostya Novoselov) من جامعة مانشستر؛ ليتلقيا جائزة نوبل فيما بعد على اكتشافهما هذا.
- تم صناعته عن طريق الشريط اللاصق: استطاع البروفيسورين تشكيل الغرافين عن طريق الشريط اللاصق، وذلك من خلال نزع طبقات من سماكة الغرافيت (مادة قلم الرصاص) بشكل متكرر حتى تصل لسماكة ذرة واحدة فقط من الكربون، وبذلك نحصل على الغرافين.
- أرقّ مادة موجودة: بسبب التركيب البلوري للغرافين والذي يتشكل من تركيب ذرات الكربون بجانب بعضها، فهو لا يمتلك سماكة فعليّة، فسماكته بسمك ذرة كربون واحدة فقط، وهي أرق من شعر الإنسان بمليون مرة.
- أفضل ناقل كهربائي في العالم: عند خلط كمية صغيرة من الغرافين مع البلاستيك بنسبة 1% فقط، فإن البلاستيك يصبح ناقلاً كهربائياً ممتازاً يستطيع نقل الكهرباء بسرعة مليون متر في الثانية الواحدة، بوزن خفيف للغاية، وصلابة أكثر من الفولاذ بـ 200 مرة.
- ناقل حراري ممتاز: يتمتع الغرافين بناقلية ممتازة للحرارة، وبشكل غريب يتمدد الغرافين عندما يتم تبريده، ويتمدد عند ارتفاع حرارته بشكل معاكس لما هو معروف من المواد الأخرى التي تتمدد في درجات الحرارة المرتفعة وتتقلص عند انخفاضها.
- متانة فائقة: كما نعلم فإن أكثر المواد المعروفة لنا صلابةً هو الألماس، لكن الغرافين استطاع التربع على عرش الصلابة متغلباً على الألماس في متانته الكبيرة.
استخدامات الغرافين الحالية
- شاشات بتكلفة أقل: يمكن استبدال مكونات شاشات OLED باستخدام الغرافين، وبذلك تصبح تكلفتها أقل بكثير، كما أن استهلاكها للطاقة الكهربائية يتناقص بشكل كبير جداً، إضافة لسهولة إعادة تدوير المواد التي تشكل الشاشة.
- بطاريات خارقة: عند إدخال الغرافين في بطاريات إيونات الليثيوم (Lithium-ion) تصبح البطاريات تستطيع تخزين كميات أكبر من الكهرباء، كما أن زمن الشحن يتناقص بشكل دراماتيكي حتى نصبح نقيسه بالثواني بدلاً من الدقائق أو الساعات.
- تكلفة أقل لفلترة المياه: باستخدام شرائح غرافين التي تحتوي على ثقوب بقطر نانو متر أو أقل – النانومتر هو جزء من مليار من المتر- يمكن فصل الأيونات الحرة في الماء، وبذلك تعبر جزيئات الماء فقط من الثقوب ليخرج الماء النقي فقط من شريحة الغرافين.
- ألواح شمسية بكفاءة أكبر: استطاع الباحثون إدخال شرائح الغرافين في الألواح الشمسية؛ مما يعطي كفاءة أكبر في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء وتخزينها بحوالي 7.8% من الألواح الشمسية التقليدية.
- ترانزستورات تعمل بتواترات أكبر: المعالجات الحالية يتم تصنيعها بشكل أساسي من السيليكون، والذي يسمح بحركة سريعة للإلكترونات، إلا أننا بدأنا نقترب من الحدود العظمى لتحمل السيليكون، فيما الغرافين وبسبب قدرة نقله للإلكترونات بسرعة كبيرة فإنه يسمح بصنع معالجات ذات تواترات أكبر ضمن استهلاك طاقة أقل بكثير من السيليكون.
- حساسات لتشخيص الأمراض: بسبب البنية المميزة للغرافين، فيمكن له أن يرتبط مع أنواع معينة من الأمراض وذلك بسبب ذرات الكربون الموجودة فيه؛ مما يساعد الأطباء على تشخيص الأمراض بشكل أكثر دقة مما هو موجود حالياً.
ختاماً.. بدأ الوجود الفعلي للغرافين على أرض الواقع منذ 13 عاماً فقط، ومع ذلك استطاع الباحثون خلال هذه الفترة القصيرة للغاية إنجاز الكثير من الاكتشافات والتعديلات على الأفكار الموجودة حالياً، مما يعطي قفزة كبيرة للتطور بمساعدة تقنيات النانو.