گرافِن (Graphene

هفته گذشته کمیته ی نوبل فیزیک، برندگان امسال این جایزه را اعلام کرد. دو فیزیکدان به نام های کُنستانتین نوواسِلوف Konstantin Novoselow و آندره گیم Andre Geim برندگان این جایزه بودند. این جایزه به‌خاطر تلاش‌های پیشگامانه‌ی این دو دانشمند برای ساخت ماده‌ای به‌نام گرافِن، به آنها اهدا شد.
نوواسِلوف متولد سال 1974 در روسیه است و هم اکنون در دانشگاه منچستر در انگلستان به‌کار پژوهش مشغول است.
گیم نیز در سال 1958 و در روسیه بدنیا آمده و در دانشگاه منچستر فعالیت می‌کند.
به بهانه‌ی این رخداد مهم علمی و به‌دلیل اهمیت شناخت گرافِن، به توصیف این ماده و جایگاه ویژه‌ی آن در فناوری‌های آینده می‌پردازیم.

مقدمه و تعريف


در دنیای سه بُعدیِ ما، همه چیز دارای طول، عرض و ارتفاع است. البته این چیزیست که تاکنون تصور می‌شد. اما این تصویر، بخشی از مواد را نادیده می‌گیرد؛ بلورهایی که ضخامت یک-اتمی یا یک-مولکولی دارند. به‌عبارت دیگر موادی که تنها دارای دو بُعد هستند و ارتفاع ندارند.




گرافِن یک ورقه‌ی مسطح از اتم‌های کربن است که در یک شبکه‌ی لانه-زنبوری (شش گوشی) با شدت به يکدیگر مقید شده‌اند. این ورقه کربنی تنها یک اتم ضخامت دارد. یک تکه گرافیت که ماده‌ی آشنایی است، از روی هم قرار گرفتن تعداد زیادی ورقه‌های‌ گرافِن تشکیل شده است که بهم مقید هستند. هنگامیکه با مداد روی کاغذ می‌نویسیم در واقع لایه‌های گرافِن روی کاغذ ایجاد می‌کنیم. گرافن تنها بلور دو -بُعدی است.



طول اتصال کربن- کربن در گرافِن حدود 142/0 نانومتر است. بنابراین قطعه‌ای که از 7 میلیون ورقه گرافِن تشکیل شده، تنها یک میلیمتر ضخامت دارد. گرافِن اِلِمان اصلی بعضی از آلوتروپ‌های کربن شامل زغال، گرافیت، نانولوله‌های کربنی و فولرنس (Fullerenes) است. اگر یک لایه گرافِن را لوله کنیم، نانو لوله به‌دست می‌آید.



تاريخچه

70 سال پیش، لاندائو و پیرلز Landau and Peierls استدلال کردند که بلور دو-بُعدی از نظر ترمودینامیکی ناپایدارست و نمی‌تواند وجود داشته باشد. طبق نظریه‌ی آنها واگرایی نوسانات گرمایی در شبکه‌های بلوری با ابعاد پائین منجر به جابجایی و تغییر مکان اتم‌ها می‌شود. این جابجایی از مرتبه‌ی فاصله‌ی داخل اتمی در هر دمای محدودی است. بَعد‌تر این بحث توسط مِرمین Mermin گسترش یافت و با مشاهدات تجربی زیادی نیز مورد تائید قرار گرفت. حقیقتا دمای ذوب لایه‌های نازک به‌سرعت با کاهش صخامت افزایش پیدا می‌کردند و لایه‌ها ناپایدار می‌شدند و از هم می‌پاشیدند و به جزیره‌هایی جدا تبدیل می‌شدند.



ایده‌ای که به ساخت گرافِن منجر شد اولین بار در سال 1947 توسط فیزیکدانِ نظری فیلیپ والاس Philip Wallace ارائه شد. هنگامی که او مشغول پژوهش بر روی ویژگی‌های الکترونیکی گرافیت پیچیده‌تر 3-بعدی بود، اولین جرقه زده شد. هرچند که نام گرافِن تا 40 سال بعد، برای تک لایه‌های گرافیتی به‌کار نرفت اما در سال 2004 گرافِن به شکل قابل مشاهده‌ی امروزی کشف شد. در این سال پژوهشگران روسی یعنی کُنستانتین نوواسِلوف و آندره گیم با ورقه ورقه کردن گرافیت، به گرافِن دست یافتند. آنها با استفاده از یک نوار چسبناک و به‌طور پی در پی لایه‌هایی را از بلور گرافیت جدا کردند تا به قطعه‌ی نازکتری برسند. نوار که به لایه‌ی شفافی متصل بود در آسِتون حل شد و پس از چند مرحله، ورقه‌ی شامل تک لایه روی ویفر سیلیکونی بجای ماند. سپس صفحات مجزای اتمی در یک میکروسکوپ اپتیکی جستجو می‌شدند. یک سال بعد، آنها روششان را ساده‌تر کردند و از ورقه‌های خشک استفاده کردند.


در 6 سال اخیر، دانشمندان به ویژگی‌های شگفت‌انگیز این ماده پی بردند به‌گونه‌ای که گروهی بر این باورند که این ماده زندگی ما را در قرن 21 تغییر خواهد داد. گرافِن نه تنها نازک‌ترین ماده ممکن است، بلکه حدود 200 بار محکم‌تر از استیل است. در توصیف استحکام آن گفته می‌شود: «برای شکستن یک لایه گرافِن با ضخامت یک ورقه آلومینیوم مدادی لازم است که یک فیل روی آن ایستاده باشد». تقریبأ کاملاً شفاف است و با این‌همه آن قدر چگال است که حتی هلیم، کوچک‌ترین گاز اتمی، از آن عبور نمی‌کند. رسانش الکتریکی آن در دمای اتاق، از هر ماده رسانای الکتریکی که تاکنون بشر شناخته بیشتر است. بدن شک کشف گرافِن انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد خواهد کرد. گرافِن بیشترین رسانایی گرمایی را نیز دارد.



كاربرد و چشم‌انداز








گرافِن برای ساخت ترانزیستورها بسیار مناسب است. گرافِن آنقدر نازک است که می‌توان به آسانی با ِاعمال یک میدان الکتریکی، رسانش آنرا کنترل کرد. در گرافِن الکترون‌ها حرکت پرتابی در مرتبه‌ی زیر میکرون دارند و به همین دلیل ترانزیستورهایی که از گرافِن ساخته شوند می‌توانند در فرکانس‌های بالاتر و با کارآمدی بیشتر نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی که امروزه به‌کار می‌رود، عمل کنند. در گرافِن حامل‌هاي بار مي‌توانند بدون پراكندگي مسافت حدود هزار برابر فاصله‌ي بين اتمي را بپيمايند.
با استفاده از گرافین می‌توان ترانزیستور‌های سریع‌تر و کوچک‌تر با مصرف انرژی کمتر و پراکندگی حرارتی بیشتر ساخت.



همچنین برای ساخت حس‌گرهای گازی می‌توان از گرافِن استفاده کرد. مولکول‌های گازی که روی گرافِن می‌نشینند بر روی ویژگی‌های الکترونیکی آن به‌طرز قابل اندازه‌گیری اثر می‌گذارند. در حقیقت می‌توان اثر یک تک مولکول را که با گرافِن پیوند یافته اندازه‌گیری کرد. به همین دلیل می‌توان حسگر‌های گازی که به یک تک اتم یا تک مولکول حساس هستند، ساخت.


جایگزین کردن فیبرهای کربنی با گرافِن در مواد مرکب، طبیعتا به ساخت هواپیماها و ماهواره‌های سبک‌تر می‌‌انجامد. استفاده از پودر گرافِن باعث کاراتر شدن باتری‌های الکتریکی می‌شود. الکترونیک نوری، پلاستیک‌های محکم‌تر، و سبک‌تر، پوشش‌های شفاف رسانای سلول‌های خورشیدی و نمایشگرها، توربین‌های بادی قوی‌تر، اَبَرخازن‌ها، پیشرفت صفحات لمسی LCD و OLED و ... با به‌کار بردن این ماده ممکن می‌شود. البته اینها تنها بخشی از آنچه با وجود گرافِن اتفاق می‌افتد است. تصور تحولی که این ماده در صنعت رایانه پدید می‌آورد، خود به‌تنهایی بسیار شگفت‌آور است. به‌نظر می‌رسد زمانی زیادی طول نخواهد کشید که این ماده مانند پلاستیک بخش مهمی از اشیا اطراف ما را تشکیل خواهد داد.