معرفی ۵ کاربرد اساسی برای ماده‌ی شگفت‌انگیز گرافین؛ آینده‌ای هیجان‌انگیز در انتظار دنیای تکنولوژی

 گرافین؛ ماده‌ای از جنس کربن خالص، با ضخامتی به اندازه‌ی یک اتم و تقریبا شفاف به شمار می‌رود که در صورت قرار گرفتن ورقه‌های آن بر روی یکدیگرمی‌تواند تا ۲۰۰ برابر سخت‌تر از فولاد باشد در حالی که ۶۰ هزار برابر نازک‌تر است. گرافین همچنین یک هادی بسیار عالی انرژی بوده و می‌تواند از منابع کربن یکتا (از نوک مداد گرفته تا کلوچه‌ی سوخته‌) سنتز شود. این ماده‌ی منحصر به‌فرد هزاران کاربرد محتمل را به دنبال خود می‌کشد.

چطور ممکن است یک ماده‌ به تنهایی تا این همه خصوصیات و رفتاری ایده‌آل داشته باشد؟ هنگامی که کلمه‌ی گرافین را در اینترنت مورد جستجو قرار دهید، متداول‌ترین تصویری که با آن روبرو خواهید شد، شبکه‌ای از مولکول‌های به هم پیوسته است که یادآور کندوی زنبور عسل هستند. در دنیای واقعی این تصویر از گرافین  احتمالا بهترین راه برای درک ویژگی‌های فوق‌العاده‌ی آن است. ساختار قابل مشاهده‌ی این ماده بسیار مستحکم و بهینه بوده و حتی قابلیت ترمیم خود به خودی را داراست. اما نکته‌ی دیگر، دو بعدی بودن ساختار این ماده است. بنابراین، گرافین انفعالی‌ترین فرم کربن محسوب می‌گردد که در نتیجه‌ی آن، ماده‌ای بسیار رسانا و منعطف و در عین حال قدرتمند و مستحکم را از آن شاهد هستیم.

از زمانی که گرافین سرانجام برای اولین بار در سال 2003 ایزوله شد و بصورت مجزا بدست آمد، توجه علمی به آن به لطف تلاش برای ثبت پتنت‌های گوناگون بر اساس کاربردها و یافته‌های مربوط به گرافین، با سرعتی باور نکردنی رو به فزونی گذاشت. پتنت‌هایی که توسط کمپانی‌هایی نظیر اپل، IBM  ،Lockheed Martin و دیگر شرکت‌ها در زمینه‌های گوناگون از سراسر دنیا به ثبت رسیدند. بر اساس گزارش مجمع پتنت‌های بریتانیا، کشور چین برای ثبت بیشتر از ۲۲۰۰ پتنت مربوط به گرافین اقدام کرده که این کشور را در رده‌ی اول فهرست مربوطه قرار می‌دهد. ایالات متحده با ۱۷۰۰ پتنت در جایگاه دوم بوده و کره‌ی جنوبی با کمتر از ۱۲۰۰ پتنت بعنوان سومین کشوری که توجه ویژه به ثبت حق ابداع‌های مربوط به گرافین دارد شناخته می‌شود.

مدتی پیش در زومیت نوشتیم که سامسونگ شیوه جدیدی را برای تجاری‌سازی گرافین کشف کرده است اما به نظر می‌رسد هنوز هم این ماده برای رسیدن به تولید و مصرف تجاری راه درازی در پیش داشته باشد. با این وجود، هنگامی که در خصوص کاربردهای احتمالی این حالت غیرعادی کربن مطالعه کنید کاملا هیجان زده خواهید شد. ماده‌ای که درهای غیرممکن بسیاری را باز خواهد کرد و توسعه‌ی سریع‌تر تکنولوژی را باعث خواهد شد...

احتمالا بزرگ‌ترین مشکل فعلی اغلب گوشی‌ها و دستگاه‌های موبایل، این است که آن‌ها بطور مداوم نیاز به شارژ شدن دارند. اما از سال 2011 به بعد، یعنی زمانی که مهندسان و محققان دانشگاه شمال غربی متوجه شدند که آنودهای گرافین در نگهداری انرژی عملکرد بهتری در مقایسه با آنودهای ساخته شده از گرافیت دارند (و سرعت شارژ آن‌ها نیز تا ۱۰ برابر بیشتر است) محققان نیز کار خود را قدرت و سرعت بخشیده و به آزمایش ترکیبات مقیاس پذیر، مقرون به صرفه و قدرتمند گرافین پرداخته‌اند.

در ماه می گذشته، محققان دانشگاه رایس متوجه شدند که گرافین ترکیب شده با وانادیوم اکسید که یک راه حل تقریبا ارزان قیمت محسوب می‌شود قادر به ایجاد کاتدهای باتری هستند که می‌توان آن‌ها را در ۲۰ ثانیه شارژ مجدد کرد و بیش از ۹۰ درصد از ظرفیت ممکن خود را نیز حتی پس از ۱۰۰۰ سیکل استفاده، نگاه می‌دارند.

 سال پیش محققان دانشگاه MIT و هاروارد موفق شدند با استفاده از الگوی DNA، گرافین را به شکل ساختارهایی در مقیاس نانو درآورده و از آن برای ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده کنند. اگرچه این محققان هنوز برای کار بر روی صحت عملکرد این دستاورد به زمان بیشتری نیاز دارند، اما این ماده سرانجام جایگزین سیلیکون در چیپ‌های کامپیوتری خواهد شد.

متد و شیوه‌های اجرای این فرآیند هنوز در مرحله‌ی آزمایشی قرار داشته و گران قیمت است، اما پتانسیل موجود برای قطعات الکترونیکی مبتنی بر گرافین نمایانگر مزیت‌های فراوان این ماده هستند که به هیچ عنوان نمی توان از آن‌ چشم‌پوشی کرد.

علاوه بر کاربرد در میان باتری‌ها و چیپ‌های کامپیوتری، این مساله نیز محتمل است که گرافین سرانجام به ماده‌ی اصلی مورد استفاده برای تولید گوشی‌های هوشمند آینده بدل شود. این ماده حتی می‌تواند برای ساخت گوشی‌های نشکن و مقاوم استفاده شود؛ آن‌ هم نه در ساختاری سخت و غیرقابل انعطاف. دستگاه‌های همراهی را تصور کنید که در یک بدنه‌ی فوق‌العاده مقاوم قرار گرفته و در عین حال قابلیت خم شدن و پیچیده شدن را دارند. این ماده می‌تواند در صفحه‌نمایش‌های لمسی منعطف نیز بصورت مستقیم به کار گرفته شود.

گرافین می‌تواند امکان مهار انرژی را در سطحی برای ما فراهم سازد که هیچ گاه تا پیش از این ممکن نبوده است. باتری مورد نیاز برای گوشی‌ها و ساعت‌های هوشمند یکی از موارد هستند اما انرژی خورشیدی و الکتریکی نیز می توانند به نحو فوق‌العاده‌ای از این ماده بهرمند شوند.

سال گذشته، محققان دانشگاه تکنولوژی میشیگان به یافته‌ای دست پیدا کردند که بر اساس آن، گرافین قادر است با جایگزینی پلاتینیوم نیروبخش سلول‌های خورشیدی باشد. پلاتینیوم که در حال حاضر بعنوان ماده‌ی کلیدی سلول های خورشیدی به کار می‌رود بسیار گران قیمت بوده و حدود ۱۵۰۰ دلار در ازای هر اونس هزینه در بر دارد. اما گرافین به لطف ساختار ماژولار خود، خصوصیت رسانایی و فعالیت کاتالیزوری مورد نیاز برای مهار و تبدیل انرژی خورشید را بدون از دست دادن هیچ درجه‌ای از بهینگی در ساختار خود داراست.

یکی از شماره‌های نشریه Nature در سال 2012 پیش‌بینی کرد که گرافین می‌تواند برای تولید ایمپلنت‌های مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد. اما در مطالعات اخیر، دانشگاه منچستر در نتیجه‌ی یکی از تحقیقات خود اعلام کرد که گرافین توانایی برقراری تعامل با سیستم‌های بیولوژیکی و زیستی را دارد یا به بیان دیگر می‌تواند با سلول‌های زنده ارتباط برقرار کند. این خصوصیت گرافین می‌تواند اینترنت اشیا را به قله‌ها و چشم‌اندازهای جدیدی رهنمون سازد. گرافین بصورت دقیق ماده‌ای نیست که تعامل اصلی را ایجاد می‌کند بلکه این ماده در حقیقت در زیر لایه‌های فسفولیپید (چربی) مصنوعی قرار خواهد گرفت که اجرای تمام کارهای زیستی عضو مصنوعی را برعهده دارند؛ اما آنچه که حائز اهمیت است، نمایان شدن سطح همه فن حریف بودن گرافین و حتی ایفای نقش در سیستم‌های زیستی خود ما است.

جدا از کاربردهای مصرفی که در بالا به آن‌ها اشاره شد، مجموعه‌ی کاربردهای کلی گرافین تقریبا بی انتها محسوب می‌شود. از آنجا که خصوصیات گرافین تنها در ترکیب با المان‌های دیگر نظیر گازها، فلزها و دیگر منابع کربن به کار گرفته می‌شود، محققان سراسر دنیا در حال اجرای آزمایش‌های متعدد و گوناگون با گرافین هستند تا از این ماده در آنتن‌ها، فیلترهای تصفیه‌ی آب، پنجره‌ها، رنگ، هواپیماها، بال وسیله‌های نقلیه هوایی، راکت تنیس، دستگاه‌های توالی یاب DNA، تایرها، جوهر و صدها و هزاران کاربرد گوناگون و بی ارتباط با یکدیگر هستند که این ماده قادر است نفسی تازه به کالبد آن‌ها بدمد.

کمپانی سامسونگ که حدود یک چهارم کل پتنت‌های مرتبط با گرافین کره‌ی جنوبی را در اختیار دارد، میلیون‌ها دلار سرمایه را بر روی تحقیقات مرتبط با این ماده صرف کرده است. در ماه آوریل، انستیتو تکنولوژی‌های پیشرفته‌ی سامسونگ در همکاری با دپارتمان علمی یک دانشگاه محلی، دستیابی به شیوه‌ی جدیدی برای تولید گرافین در مقادیر عظیم را اعلام کرد که طی آن هیچ یک از خصوصیات الکتریکی و مکانیکی که موجب بی‌نظیر شدن این ماده می‌شود از دست نخواهد رفت. این موسسه‌ی تحقیقاتی وابسته به سامسونگ اعلام کرد:

این یکی از بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها و دستاوردها در تاریخ تحقیقات مربوط به گرافین بوده است. ما انتظار داریم این اکتشاف جدید شتاب بخش تجاری سازی گرافین باشد که قادر است درهای ورود به دوران بعدی تکنولوژی‌های مصرفی را به روی ما بگشاید.

در این شیوه، گرافین رشد خود را از مقطع‌های گوناگون بر روی صفحه آغاز کرده و سرانجام قسمت‌های مختلف آن به هم پیوسته که منجر به همگرایی چند ورقه‌ی کوچک و ایجاد یک ورقه‌ی وسیع می‌گردد. این مساله قدمی است که تا کنون بسیار چالش‌برانگیز محسوب می‌شد. همچنین اخیرا گروهی از دانشمندان در موسسه‌ی علوم و فناوری کره توانسته‌اند ماده‌‍‌ای پلیمری را به عنوان جایگزین گرافن توسعه دهند که سوای از خواص مشابه، قابلیت تولید انبوه جهت کاربردهایی همچون سلول‌‍‌های خورشیدی و چیپ‌‍‌های نیمه رسانا را دارا است.

روشی که هم اکنون برای تولید انبوه گرافن با کیفیت بالا پتانسیل زیادی را از خود نشان می‌دهد روش لایه نشانی از بخار شیمیایی (CVD) است. این روش فرایندی پیچیده و هشت مرحله‌‍‌ای است که در آن واکنشگری گازی بر روی بستری از جنس فیلمی فلزی به عنوان کاتالیست می‌نشیند. با شکل گرفتن گرافن می‌بایست آن را از بستر فلزی جدا کرد و آن را بر روی سطح دیگری منتقل کرد، که این مورد خطر ترک خوردن یا شکستن گرافن را افزایش می‌دهد.

با وجود مقادیر بسیار زیاد برتری‌ها و مزایای گرافین، جای هیچ تعجبی نیست که چرا دنیای فناوری تا به این اندازه در خصوص پتانسیل‌ها و ورود هرچه سریع‌تر این ماده به تولید انبوه هیجان زده است. اما باید در نظر گرفت که تنها به این دلیل که گرافین کارها را به مراتب بهتر از سیلیکون به انجام می‌رساند، این معنی را در بر نخواهد داشت که کمپانی‌های تکنولوژی به این زودی‌ها آمادگی ایجاد تحول در فرآیندهای تولیدی خود را خواهند داشت.

اگرچه توسعه‌های اجرا شده‌ی اخیر به دست سامسونگ نوید بخش نزدیک شدن به آینده‌ی دلخواه است؛ اما همچنان راهی بی‌نقص برای تولید گرافین بوسیله‌ی ماشین‌ها و تجهیزات تولید انبوه وجود ندارد که به معنی سودآور نبودن آن است. گفته می‌شود که اندکی زمان خواهد برد تا سرانجام گرافین بتواند ماده‌های جانشین اثبات شده‌ای نظیر سیلیکون را از میدان به در کند چرا که لازم است، ابتدا گرافین بتواند هزینه‌های سنگین ماده و نیز هزینه و اختلالی که در فرآیندهای صنعتی موجود، ایجاد خواهد شد را رفع و رجوع نماید. یک محقق هندی در این خصوص می‌گوید:

تمام صنعت تکنولوژی بر پایه‌ی سیلیکون بنا شده است. نه به این دلیل که مواد دیگر قادر نیستند عملکرد آن را به نحو بهتری به انجام برسانند، بلکه به این دلیل که سیلیکون کارها را در مقابل هزینه‌ای که شما حاضر به پرداخت آن هستید به اندازه‌ی کافی خوب به پیش می‌برد. کمپانی‌هایی نظیر اینتل میلیاردها پوند برای ایجاد کارخانجات و فرآیندهای تولید بهینه شده برای سیلیکون هزینه کرده‌اند. بنابراین اگر از این شرکت‌ها بخواهید به گرافین روی آورند، لازم است احتمالا به زور و کتک متوصل شوید! آن‌ها به این سادگی‌ها دست از سر سیلیکون بر نخواهند داشت.

بنابراین ممکن است سال‌ها یا حتی دهه‌ها به طول انجامد تا اینکه سرانجام گرافین خود را وارد تولیدات صنعتی کند. اما پیش از آنکه این ماده به اندازه‌ی کافی ارزان شود تا کمپانی‌ها به استفاده از آن در مقیاس وسیع راغب شوند، تمام کاری که از دست ما بر می‌آید رویاپردازی در خصوص پتانسیل‌های مثال زدنی ناشی از مقاومت و نازکی این ماده و اثرات آن بر روی زندگی تکنولوژیک ماست.