دوشنبه 18 تیر 1403 کد خبر: 169
كربن يكی از عناصر شگفت‌انگيز طبيعت است و كاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی اين نكته را تأييد می‌كند. به عنوان مثال فولاد كه يكی از مهمترين آلياژهای مهندسی است، از انحلال حدود دو درصد كربن در آهن حاصل می‌شود. كربن، به چهار صورت مختلف در طبيعت وجود دارد كه همه چهار فرم آن جامد هستند و در ساختار آنها كربن به صورت كاملا منظم در كنار يكديگر قرار گرفته‌اند. اين ساختارها عبارتند از: گرافيت، الماس، نانولوله‌ها، باكی‌بال‌ها مانند C60.
ساختارهای مختلف كربن به دليل تفاوت ساختاری و تفاوت در چيدمان اتم‌های كربن دارای خواص و كاربردهای متفاوت هستند. يكی از نانوساختارهای كربنی گرافن است. گرافن يك تك‌لايه از گرافيت است كه نانو‌ساختاری دوبعدی است كه در آن هر اتم كربن با سه پيوند به سه اتم كربن ديگر متصل است و زاويه پيوندها ١٢٠ درجه است. در اين وضعيت اتم‌های كربن به گونه‌ای قرار می‌گيرند كه در حالت ايده‌ال شبكه‌ای از شش‌ضلعی‌های منظم می‌سازند كه در برخی مواقع در ساختار آن پنج و هفت‌ضلعی نيز مشاهده می‌شود و همچنين صفحه‌ای با سطح موج‌دار دارد و كاملا مسطح نيست.
امروزه گرافن با روش‌های مختلف با دو رويكرد بالا به پايين و پايين به بالا ساخته می‌شود. در رويكرد بالا به پايين كافی است صفحات گرافن موجود در گرافيت را به طريقی از هم جدا كنيم. برای اين منظور يك لايه چسب، مانند چسب نواری روی گرافيت قرار می‌دهيم و سپس آن را از سطح گرافيت جدا می‌كنيم. در نتيجه چند لايه گرافيت جدا می‌شود و به چسب می‌چسبد. اين كار را آن قدر تكرار می‌كنيم تا به يك لايه گرافن برسيم. اين روش آزمايشگاهی تهيه گرافن است كه در سال ٢٠٠٤ به خاطر ابداع آن. آندره گايم و كنستانتين نووسلف جايزه نوبل دريافت كردند اما برای توليد انبوه گرافن در صنعت مناسب نيست.
در رويكرد بالا به پايين روش ديگری هم هست كه در فاز مايع انجام می‌شود. به اين صورت كه با قرار دادن گرافيت در فاز مايع و قرار دادن مايع تحت تابش فراصوت لايه‌ها را با ضربات مكانيكی حاصل از تابش فراصوت از هم جدا می‌كنند. در اين روش نيازی به حرارت و واكنش شيميايی نيست ولی ممكن است محصول حاصل تك‌لايه گرافن نباشد و در نهايت به چند لايه به هم چسبيده گرافن برسيم و حتی ممكن است بر اثر تابش بيش از حد امواج صوتی برخی لايه‌های گرافن بشكنند.
روش ديگر تولید گرافن روش هامر نام دارد كه روش شيميايی با رویکرد بالا به پایین است. با اين روش لايه‌های گرافن با استفاده از مواد شيميايی در فاز محلول از گرافيت جدا شده و وارد محلول می‌شوند.
ويژگی‌های بسيار ويژه و كاربردی گرافن است كه سبب اهميت آن شده است. يكی از ويژگی‌های مهم گرافن رسانايی بسيار قوی الكتريكی است كه در ترانزيستورها و سلول‌های خورشيدی کاربرد دارد. اين ماده می‌تواند با انواع پليمرها كامپوزيت تشكيل دهد و برای ايجاد رسانايی الكتريكی به كار رود. به عنوان مثال می‌توان پلاستيك‌های رسانايی ساخت كه سبك، مقاوم در برابر خوردگی و كم‌هزينه هستند و با استفاده از پودر گرافن به جای گرافيت برای تهيه باطری‌های با بازدهی بالا و قيمت پايين به کار می‌روند.
شکل ۱- ساخت یک لایه گرافن از گرافیت با چسب.
ابزار: لامپ LED، باتری ۹ ولتی، سیم، سوکت، مداد، کاغذ.
۳-مراحل انجام آزمایش
مرحله اول: یک مدار ساده بسازید.
مرحله دوم: با یک مداد یک چهارگوش پررنگ و ضخیم روی کاغذ بکشید به طوری که ۳ تا ۴ سانتی‌متر طول و ۵/۱ سانتی‌متر عرض داشته باشد، سپس مستطیل را به طور کامل سیاه کنید. (مغز مداد گرافیت است؛ اگر روی کاغذ آن را بکشیم به دلیل لغزنده بودن صفحات گرافیت، لایه‌های آن جدا شده و روی کاغذ قرار می‌گیرد که به تک‌لایه آن، گرافن می‌گوییم.)
مرحله سوم: نوک فلزی دو سیم رابط را به مستطیل گرافیتی که ضخامت آن حدود چند نانومتر دارد تماس دهید و به لامپ نگاه کنید. چه رخ می‌دهد؟
مرحله چهارم: دونقطه اتصال را به هم دور و نزدیک کنید. در شدت نور لامپ چه تغییری ایجاد می‌شود؟
- علاوه بر رسانايی الكتريكی بالا گرافن چه ويژگی‌های منحصر به فرد ديگری دارد؟
- آیا گرافن در ایران نیز تولید می‌شود؟
