تويت
ما هو الغرافين Graphene
لطالما كتبنا بأقلام الرصاص المختلفة الأشكال، ولكن تحتوي جميعها على أبرةٍ رماديةٍ واحدة مشتركة، هل فكرت ذات يوم ماهي المادة المصنوعة منها هذه الإبرة؟ إنه الغرافيت يا صديقي، هذا هو المكوّن الرئيسي لقلم الرصاص، ولكنّ الغرافيت عبارةٌ عن طبقاتٍ متعددةٍ من مادةٍ تدعى الغرافين (Graphene)، إذًا يمكننا القول أن المكوّن الأساسي لقلم الرصاص هو الغرافين، فما هي هذه المادة؟وماخصائصها وكيف تتشكل؟
مادة الغرافين
هو عبارةٌ عن طبقةٍ أحاديةٍ من ذرات الكربون المترابطة بإحكامٍ، حيث تجتمع كل 6 ذراتٍ لتشكّل شكلًا سداسيًّا بلّوريًّا، ترتبط الأشكال السداسية جميعها لتكوِّن الغرافين، ويكون شكلها شبيه لقرص العسل.
يُعدّ الغرافين أرقّ مركّبٍ على سطح الأرض، حيث تقارب سماكته سماكة الذرة الواحدة، وهو مادّةٌ خفيفةٌ جدًّا (وزن المتر المربّع منه حوالي 0.77 ميلغرام)، كما أنّ أفضل أنواعه تكون أقوى من الفولاذ بنحو 100إلى 300 مرةٍ. إنّ اجتماع طبقات أحادية عدّة من الغرافين فوق بعضها في الغرافيت يكون بفعل قوى فاندرفالس (Van der Waals)، تكون المسافة بين الطبقة والأخرى 0.335 نانومتر تقريبًا.
https://www.youtube.com/watch?v=Izv8N6z3WBQ&t=86s
تاريخ إنتاج الغرافين
واجه صنع الغرافين صعوبةً في البداية، حيث كان يعتمد على عملية ترسيب الأبخرة الكيميائية (CVD)، والتي تضمنّت توظيف مركبّات سامة لإنتاج طبقةٍ أحاديةٍ منه، وذلك عن طريق تعريض البلاتين أو النيكل أو التيتانيوم إلى درجات حرارةٍ عاليةٍ باستخدام البنزين أو الإيثيلين. طبعًا إلى جانب خطورة هذه العملية؛ فقد كانت مُكلفةً للغاية، كما أنه كان من الصعب فصل الغرافين عن الركيزة المعدنية دون إتلافه.
عام 2012، وبعد إجراء الدراسات والأبحاث، توصل الكيميائيون إلى طريقةٍ لفصل الغرافين عن الركيزة بدون إتلافه وبجودةٍ عاليةٍ، وهي تقشير طبقة الغرافين بمساعدة الماء ومواد أخرى، وبهذا قللوا أيضًا من خطورة العمل بالمواد السامة كما أمكن إعادة استخدام اللوحة المعدنية في الأبحاث الأخرى.
طُرُق تحضير الجرافين
تختلف طرق إنتاجه حسب بساطة التركيب، والوقت والجهد للتحضير، لدينا أربع طُرقٍ مختلفةٍ للتحضير:
خصائص الجرافين
بالإضافة إلى ما يتمتع به الغرافين من خفّة الوزن والسّماكة، والقوة، فلديه خصائص عديدة مميزة:
استخدامات الجرافين
بالنظر إلى خصائص الغرافين القوية والمميزة، يمكنك تخيّل ما تفعله هذه المادة:
https://www.youtube.com/watch?v=Izv8N6z3WBQ
لطالما كتبنا بأقلام الرصاص المختلفة الأشكال، ولكن تحتوي جميعها على أبرةٍ رماديةٍ واحدة مشتركة، هل فكرت ذات يوم ماهي المادة المصنوعة منها هذه الإبرة؟ إنه الغرافيت يا صديقي، هذا هو المكوّن الرئيسي لقلم الرصاص، ولكنّ الغرافيت عبارةٌ عن طبقاتٍ متعددةٍ من مادةٍ تدعى الغرافين (Graphene)، إذًا يمكننا القول أن المكوّن الأساسي لقلم الرصاص هو الغرافين، فما هي هذه المادة؟وماخصائصها وكيف تتشكل؟
مادة الغرافين
هو عبارةٌ عن طبقةٍ أحاديةٍ من ذرات الكربون المترابطة بإحكامٍ، حيث تجتمع كل 6 ذراتٍ لتشكّل شكلًا سداسيًّا بلّوريًّا، ترتبط الأشكال السداسية جميعها لتكوِّن الغرافين، ويكون شكلها شبيه لقرص العسل.
يُعدّ الغرافين أرقّ مركّبٍ على سطح الأرض، حيث تقارب سماكته سماكة الذرة الواحدة، وهو مادّةٌ خفيفةٌ جدًّا (وزن المتر المربّع منه حوالي 0.77 ميلغرام)، كما أنّ أفضل أنواعه تكون أقوى من الفولاذ بنحو 100إلى 300 مرةٍ. إنّ اجتماع طبقات أحادية عدّة من الغرافين فوق بعضها في الغرافيت يكون بفعل قوى فاندرفالس (Van der Waals)، تكون المسافة بين الطبقة والأخرى 0.335 نانومتر تقريبًا.
https://www.youtube.com/watch?v=Izv8N6z3WBQ&t=86s
تاريخ إنتاج الغرافين
واجه صنع الغرافين صعوبةً في البداية، حيث كان يعتمد على عملية ترسيب الأبخرة الكيميائية (CVD)، والتي تضمنّت توظيف مركبّات سامة لإنتاج طبقةٍ أحاديةٍ منه، وذلك عن طريق تعريض البلاتين أو النيكل أو التيتانيوم إلى درجات حرارةٍ عاليةٍ باستخدام البنزين أو الإيثيلين. طبعًا إلى جانب خطورة هذه العملية؛ فقد كانت مُكلفةً للغاية، كما أنه كان من الصعب فصل الغرافين عن الركيزة المعدنية دون إتلافه.
عام 2012، وبعد إجراء الدراسات والأبحاث، توصل الكيميائيون إلى طريقةٍ لفصل الغرافين عن الركيزة بدون إتلافه وبجودةٍ عاليةٍ، وهي تقشير طبقة الغرافين بمساعدة الماء ومواد أخرى، وبهذا قللوا أيضًا من خطورة العمل بالمواد السامة كما أمكن إعادة استخدام اللوحة المعدنية في الأبحاث الأخرى.
طُرُق تحضير الجرافين
تختلف طرق إنتاجه حسب بساطة التركيب، والوقت والجهد للتحضير، لدينا أربع طُرقٍ مختلفةٍ للتحضير:
- طريقة هامر: تعتمد هذه الطريقة على الماء بشكلٍ أساسيٍّ، عبر خلط مسحوق (بودرة) الغرافيت مع نترات الصوديوم NaNo3 وحمض الكبريت H2So4، ثم نضيف ببطء برمنغنات البوتاسيوم KMno4 لتساعد على الوصول إلى درجة الحرارة المناسبة للتفاعل (والتي تكون أقل من 5 درجة مئوية)، بعد ذلك تتمّ معالجة الخليط وتقليبه في جوّ جليدي قبل وضعه مرةً أخرى في حمامٍ مائيٍّ بدرجة 40 مئوية، وبهذا يتم تحويل الغرافيت إلى أكسيد الغرافين أولًا ثم الغرافين.
- ترسيب الأبخرة الكيميائية CDV: لدينا هنا حالتان للترسيب؛ الترسيب البخاري منخفض الضغط؛ والترسيب عالي الضغط، وهذا يعتمد على جودة الغرافين التي نريد إنتاجها. تعتمد هذه الطريقة على السيطرة على درجة حرارة الوسط، حيث يتم تبخير المركبات الصلبة للمواد المتفاعلة ثم ترسيبها على الركيزة المعدنية عن طريق التكثيف.
- التقشير الكيميائي: حقيقةً، يمكننا الحصول على الغرافين بالتقشير الكيميائي أو الفيزيائي؛ حيث يتم تثبيت مركبات تقشير الغرافين (كالصوديوم أو البوتاسيوم، أو يمكن استخدام الأنيونات كالنترات والهالوجينات)، بين طبقات الغرافين، وتتم عملية التقشير عن طريق التفاعلات الأيونية القطبية الحاصلة؛ دون أي تغييرٍ في بنية الغرافين وهذا ما يميز هذه الطريقة، يمكن استخدام المذيبات أيضًا مثل ثنائي ميثيل فورماميد DMF، أو NMP أو ODCB …
- التقشير الكهروكيميائي: أكثر الطرق فعاليةً، إذ يتم التقشير بمساعدة البلازما، حيث يتم وصل القطب الموجب لقضيب الغرافيت (Anode) والقطب السالب لسلك البلاتين (Cathode) إلى محلول الكتروليتي يحتوي عدة شواردَ، كحمض الكبريت وكبريتات الصوديوم وبرمنغنات البوتاسيوم، وتتم عملية التقشير في جهود (فولطيات) متدرجة للحصول على الغرافين.
خصائص الجرافين
بالإضافة إلى ما يتمتع به الغرافين من خفّة الوزن والسّماكة، والقوة، فلديه خصائص عديدة مميزة:
- حركة الإلكترونات فيه أسرع من حركة الإلكترونات في السيليكون بنحو 100 مرة.
- الموصلية الكهربائية للغرافين أفضل من موصلية النحاس ب13 ضعف تقريبًا، حيث يسمح الترتيب الذري الفريد لذرات الكربون بسهولة وسرعة انتقال الإلكترونات فيه دون تشتت، وبالتالي يوفر طاقة عادةً ما تضيع في الموصلات الأخرى.
- يمتص 2.3% فقط من الضوء العاكس.
- صفيحة الغرافين منيعة جدًّا، كثيفة لدرجة لا يمكن حتى لأصغر ذرة غازية (كالهيليوم) أن تخترقها.
- الغرافين ثنائي الأبعاد، يمتد في بعدين فقط؛ الطول والعرض حيث وكما قلنا هذه المادة عبارة عن ذراتٍ متماسكةٍ في صفوفٍ.
- يتمتع بخاصية صلابة الكسر، وهي أهم خاصية ميكانيكية للغرافين.
استخدامات الجرافين
بالنظر إلى خصائص الغرافين القوية والمميزة، يمكنك تخيّل ما تفعله هذه المادة:
- تحلية المياه المالحة: حيث تسمح ثقوب الغرافين الصغيرة جدًّا بمرور جزيئات الماء من خلالها؛ ولكنها أصغر من أن تسمح لجزيئات الملح بالمرور.
- صنع بطاريات فائقة الشحن (ذات شحن سريع): ابتكر العلماء بطارياتٍ تحتوي مكثفاتٍ مصنوعة من الغرافين، والتي تستطيع استخدامها مرارًا وتكرارًا دون الخوف من انخفاض أدائها مع إمكانية شحنها بسرعةٍ، على عكس بطاريات هذه الأيام القابلة للشحن والتي تفقد شحنها بسرعةٍ مع مرور الوقت.
- إنتاج مادة الإيروجيل الإسفنجية: وهي أخف المواد في العالم، تنتج بدمج الكربون المُخفف مع أكسيد الغرافين.
- استخدام اللوحات الشمسية في الشتاء: استخدم العلماء الجرافين لتطوير لوحات شمسية قادرة على توليد الكهرباء في ظل المطر، ذلك بتوليد الطاقة عن طريق تفاعل الغرافين مع أملاح مياه المطر. بالإضافة إلى صناعة المصابيح ذات الكفاءة العالية، وإنتاج أورق النانو القوية غير القابلة للتمزيق وغيرها الكثير.
https://www.youtube.com/watch?v=Izv8N6z3WBQ