مقالات

ماده جادویی

نوشته شده توسط زینب زاهدی

ضخامتی به اندازه یک اتم،استحکامی ۲۰۰ برابر فولاد …

رسانای قدرتمند جریان برق، شفاف و قابل انعطاف که اگر چند گرم از آن را صاف کنید می تواند سطح یک زمین فوتبال را بپوشاند.
اینها ویژگی های ماده ای است که در سال ۱۳۸۳/۲۰۰۴ دو دانشمند روسی بریتانیایی، به نام های آندره گایم و کنستانتین نووسلوف در دانشگاه منچستر کشف کردند و نوبل فیزیک سال ۱۳۸۹/۲۰۱۰ را برای آنها به ارمغان آورد.
آندره گایم، دانشمند ۷۵ ساله بریتانیایی – هلندی متولد شوروی سابق تا پیش از کشف این ماده غیر عادی فقط به سبب انجام آزمایش استفاده از الکترومگنت ها (آهن ربای الکتریکی) برای شناور ساختن قورباغه در دوران دبیرستان شناخته می شد.
وی که مقاله این آزمایش را با عنوان “درباره پرواز قورباغه ها و شناورسازی” در مجله اروپایی “فیزیک” منتشر کرده بود، درسال ۱۳۷۹/۲۰۰۰ جایزه ایگ نوبل – جایزه ای که به کشفیات و آزمایش های علمی عجیب و غیر متعارف داده می شود را از آن خود کرد.
گایم که در زمینه مواد زیر میکروسکوپی تخصص دارد در یکی از عصرهای پاییز سال ۱۳۸۱/۲۰۰۲ غرق در این فکر بود که لایه ای بسیار باریک از کربن در شرایط خاص چه واکنشی از خود نشان می دهد.
او می دانست که بهترین ماده برای آزمودن چنین حالتی از کربن گرافیت است؛ ماده ای حاوی بسته هایی از لایه های کربنی به ضخامت یک اتم، اما مشکل اینجا بود که جدا سازی نمونه ای بسیار باریک با استفاده از شیوه های استاندارد موجب نابودی کل ماده می شد.
از این رو گایم یکی از دانشجویان دکترایش به نام “دا جیانگ” را موظف کرد با سائیدن یک بلور گرافیکی به ضخامت ۵/۲سانتی متر باریک ترین نمونه ممکن از این ماده را به دست آورد، حتی اگر ضخامت آن چند صد لایه اتمی باشد.
چند هفته بعد، جیانگ نمونه ای را ارئه کرد که گایم آن را نپذیرفت. دراین میان یکی از دانشجویان ارشد گایم به نام “نووسلوف” توجه او را به لایه خاکستری رنگ رقیقی جلب کرد که روی چسب نواری درون سطل زباله نشسته بود. لایه های سازنده گرافیت از پیوند ضعیفی برخوردارند از این رو سطح چسبنده نوار چسب به راحتی می تواند تکه های کوچک را از سطح گرافیت بلند کند.
گایم با بررسی تکه ای ازاین چسب زیر میکروسکوپ دریافت لایه تشکیل شده باریک ترین لایه کربنی است که تاکنون مشاهده کرده است.
وی توانست به این شیوه اولین ماده دو بعدی که تاکنون درجهان کشف شده را از گرافیت استخراج کند، لایه ای به ضخامت یک اتم از جنس کربن که در زیر میکروسکوپ به شکل شبکه ای از اتصالات ۶ ضلعی در الگوی لانه زنبوری دیده می شود. فیزیکدانان نظری درباره این ماده که “گرافن” نام دارد، گمانه زنی هایی کرده بودند اما باور داشتند ماده ای به ضخامت یک اتم در دمای اتاق دوام نخواهد آورد و به شکل گلوله های میکروسکپی تجزیه خواهد شد. اما گایم برخلاف این تصورات، مشاهده کرد که گرافن در دمای اتاق کاملا پایدار است.
گایم و نووسلوف درمدت دوسال مطالعات پس از کشف گافن، ویژگی های خارق العاده ای، از جمله رسانایی بالای آن کشف کردند: شدت رسانایی گرافن هزاران برابر بیشتر از مس است.
این دو همچنین به اثر میدان در گرافن پی بردند-واکنشی که برخی از مواد با قرارگیری در نزدیکی میدان الکتریکی از خود نشان داده و به دانشمندان امکان می دهند میزان رسانایی ماده را تغییر دهند.
اثرمیدان یکی از مشهورترین ویژگی های سیلیکون است که در تولید تراشه های رایانه ای کاربردی فراوان دارد، از این رو می توان گرافن را جایگزینی مناسب برای سیلیکون درنظر گرفت.
مقاله سه صفحه ای گایم و نووسلوف درباره گرافن دوبار توسط نشریه نیچر رد شد، اما در نهایت نشریه ساینس آن را در مهر۱۳۸۳(اکتبر۲۰۰۴)منتشر کرد و شگفتی دانشمندان را برانگیخت.
۶ سال بعد، گایم و نووسلوف به سبب کشف این ماده شگفت انگیز، نوبل فیزیک را از آن خود کردند. تمرکز محققان بر ویژگی های منحصر به فرد گرافن به محض انتشار مقاله گایم آغاز شد و با هر کشف جدید روز به روز برشدت اشتیاق و شعف دانشمندان افزود.
۲۰۰ برابر مقاوم تر از فولاد، انعطاف پذیرتر از لاستیک با قابلیت کشسانی ۱۲۰ برابر طول اولیه که در کنار خاصیت بالای رسانایی (آزمایش ها نشان دادند گرافن در شرایط خلآ ۲۵۰ برابر سریع تر از سیلیکون برق را از خود عبور می دهد) گرافن را به ماده ای با قابلیت های نامحدود تبدیل کرد، تا حدی که تعداد ثبت اختراعات مرتبط با این ماده بین سال های ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۳ (۱۳۹۰ تا ۱۳۹۲) از ۳۰۱۸ به ۸۴۱۶ مورد رسید.

استخراج سوخت از هوا
در مارس ۲۰۱۵ اسفند ۱۳۹۳ گروهی از دانشمندان دانشگاه نورث وسترن در مقاله ای که در نشریه نیچر منتشر شد، اعلام کردند وجود “حفره ای طبیعی ناشی از حذف یک اتم در گرافن” می تواند آن را به غشایی برای عبور دادن پروتون ها تبدیل کند و به واسطه این ویژگی می توان سلول های سوختی را بهبود داد. آندره گایم به عنوان فردی که شهرت جهانی خود را مدیون این لایه باریک کربنی است نیز یک سال پیش از این در سال ۲۰۱۴/۱۳۹۳ به همراه همکارانش در دانشگاه منچستر بااستفاده از گرافن دریچه ای جدید به سوی تولید سوخت پاک گشودند، کارآیی جدیدی که می تواند فناوری تولید سوخت سلولی را متحول سازد.
گایم دریافت گرافن فقط در استحکام و سبکی منحصر به فرد نیست، بلکه عبور دادن پروتون ها، یااتم های هیدروژن با بار مثبت نیز قابلیتی بی نظیر دارد . می توان با کمک گرفتن از این قابلیت به راحتی گاز هیدروژن را از اتمسفر جدا کرد، فرآیندی شبیه به الک کردن ذرت بزرگ تر، از میان ذرات کوچکتر که می تواند به ساخت سلول های سوختنی هیدروژنی کمک کرده و به بیانی دیگر از هوا سوخت به دست آورد.
این دانشمند نشان داد که اگرچه هیدروژن حتی در برابر ریزترین اتم ها نیز ناتراوا است اما زمانی که پروتون ها، یا اتم های هیدروژن از الکترون هایشان یا همان بار منفی جدا می شوند، می توانند از میان گرافن عبور کنند.
به بیان دیگر گرافن در برابر گازهایی با بار مثبت نیمه تراوا می شود و می توان آن را در تولید غشای رسانای پروتون که در تولید سوخت سلولی بسیار ضروری است، مورد استفاده قرار داد که به دلیل نشت ناپذیر بودن گرافن، تولید سوخت را به حد بهینه خود خواهد رساند و این یعنی تولید مستقیم سوخت از هوا.

گرافن در حوزه انرژی خورشیدی
گرافن به تازگی در کارزار تولید انرژی خورشیدی نیز قدم گذاشته و نتایج امیدوار کننده ای در بهبود تولید این انرژی پاک که روز به روز در جهان فراگیر تر میشود، از خود نمایش داده است. محققان اسپانیایی و آمریکایی در دانشگاه آکسفرد در ژانویه ۱۳۹۳/۲۰۱۵ باانتشار مقاله ای در نشریه Nano Letters اعلام کردند که توانسته اند بهره وری سلول های خورشیدی را با کمک این ماده جادویی به۶/۱۵ درصد برسانند.
این سلول های خورشیدی گرافنی، ترکیبی از اکسید تیتانیوم و گرافن برای جمه آوری بار الکتریکی و پروسکایتبرای جذب نور خورشید هستند. این ساختار جدید نه تنها میزان جذب انرژی خورشیدی را افزایش می دهد، بلکه هزینه های تولید را نیز کاهش داده و امکان استفاده در صفحات خورشیدی قابل انعطاف را فراهم کرده است.

گرافن به جای سلیکون
الکترون ها امروزه بر سیلیکون به عنوان ماده ای کلیدی اتکایی بی چون و چرا دارند اما ترانزیستورهای سیلیکونی درحال رسیدن به کوچکترین اندازه کاربری خود در الکترونیک ها هستند و این به آن معنی است که در رقابت با روند پرسرعت توسعه امروز، به زودی از سرعت تجهیزات الکترونیکی کاسته خواهد شد. در چنین شرایطی طبیعت فوق باریک گرافن می تواند راه گشا باشد، تغییری که منجر به سریع تر شدن بیش از پیش الکترونیک ها خواهد شد.
محققان دانشگاه ویسکونزین در سال ۱۳۹۱/۲۰۱۲ در همین راستا توانستند به واسطه اصلاحات شیمیایی در گرافن، ماده پایه کربنی کاملا جدیدی به نام مونو کسید گرافن ایجاد کنند که نیمه رسانا است. با تولید آن هرسه ویژگی رسانایی، نارسانایی و نیمه رسانایی به خانواده کربن ها افزوده شد و این مواد را به گزینه هایی کاربردی برای استفاده در الکترونیک های آینده تبدیل کرد.
دراین پژوهش، محققان دانشگاه ویسکونزین در حین مطالعه بررفتارهای نانو مواد هیبریدی ساخته شده از لوله های گرافنی پوشش داده شده از نانو ذرات اکسید قلع موفق به ابداع “مونو کسید گرافن” یا GMO شدند.
آنها از این ماده هیبریدی برای ایجاد حسگرهای کم مصرف، ارزان قیمت با کارآیی بالا استفاده کردند که درابتدا منجر به تولید اکسید گرافن شد و پس از آن با حرارت دادن اکسید گرافن در شرایط خلآ به منظور کاستن از میزان اکسیژن، اتم های اکسیژن و کربن در لایه های این ماده در یک راستا قرار گرفته و خود را به نمیه رسانایی منظم به نام مونو کسید گرافن تبدیل کردند.
این ماده می تواند در بخش آند باتری های لیتیومی نیز کارآیی داشته باشد و بهره وری آنها را افزایش دهد، رویکردی که شرکت سامسونگ از آن برای بهبود ظرفیت باتری های لیتیومی بهره گرفته و معتقد است که می تواند به این شیوه طول عمر شارژ باتری محصولاتش را ۸/۱ برابر باتری های معمولی افزایش دهد.
معجزه گرافن در بخش الکترونیک ها تنها به ترانزیستورها و نیمه رساناها ختم نمی شود، همکاران گایم در دانشگاه منچستر در تلاشند با استفاده از لایه های گرافنی، نمایشگرهای LED قابل انعطافی را برای استفاده در نسل جدیدی از الکترونیک ها تولید کنند. این نمایشگرها که به شکلی خارق العاده باریک اند از ساختاری چند لایه باضخامت ۱۰ تا ۴۰ اتم ساخته شده اند و می توانند سطحی وسیع از نور را درکل این لایه ها متصاعد سازند.
این لایه هایLED دو بعدی نیمه هادی به واسطه ترکیبی از گرافن های فلزی، نیترید بورون و تک لایه های مختلفی از نیمه هادی ها ابداع شده است. محققان دراین پروژه که مقاله آن در بهمن ۱۳۹۳ (فوریه ۲۰۱۵) در نشریه نیچر مواد منتشر شده است، دریافتند نه تنها می توان گرافن را به نمایشگرهایی فوق باریک تبدیل کرد، بلکه می توان این ماده را به ابزارهای انتشار نور بسیار باریک و انعطاف پذیر، نیمه شفاف و به شدت درخشان تغییر داد.

ابر رساناها و چند کارآرایی دیگر
یکی از دیگر موضوعات گرافنی که برای دانشمندان از جذابیت بسیار زیادی برخوردار است، تولید ابررساناها یا همان مواردی است که در فناوری های پزشکی، شتاب دهنده های ذره ای و سیستم های حمل ونقل سریع السیر کاربردی نامحدود دارند.
ابررسانایی به معنی صفرشدن مقاومت الکتریکی در مواد است و معمولا در دماهای بسیار پایین رخ می دهد. در یکی از جدیدترین مطالعاتی که برای تبدیل گرافن به ماده ابررسانا زیر نظر دانشمندان آلمانی و کانادایی در دانشگاه بریتیش کلمبیا در شهریور ۱۳۹۴ (سپتامبر۲۰۱۵) انجام گرفته، این پژوهشگران دریافتند که با سرد کردن گرافن در شرایط خلآ و افزودن لایه ای از اتم های لیتیوم به گرافن می توان آن را به ابررسانایی قدرتمند تبدیل کرد.

نویسنده این مطلب : سمیرا مصطفی نژاد – نشریه دانشمند شماره ۸ سال ۵۸

درباره نویسنده

زینب زاهدی

دیدگاه شما چیست