در قرن 20 پلاستیک به عنوان یک ماده ی پر طرفدار محسوب می شد اما با پیشرفت علم در قرن 21 گرافن جای پلاستیک را گرفت. گرافن که شامل یک صفحه از کربن با ضخامت فقط یک اتم است، به عنوان یک ماده ی جدید کشف شد.
مجلات علمی پر از مقالات مختلف در مورد گرافن هستند که در مورد ویژگی های مختلف آن نظیر قوی بودن، نازک بودن و بهترین ماده ی رسانای الکتریکی و گرما صحبت می کنند. همچنین با توجه به ویژگی های خوبی که گرافن ها دارنند می توانند به ما این قول را بدهد تا از کار های محاسباتی گرفته تا استفاده در چرخ های ماشین و آشکارساز های دودی برای سلول های خوشیدی را متحول کند.
گرافن چیست؟
همانطورکه می دانید کربن به دو صورت مختلف قابل استفاده است: گرافیت، ماده ای نرم و سیاه موجود در مداد و الماس، فوق العاده سخت و بصورت کریستالی در زیورآلات استفاده می شود. تفاوت مهم بین گرافیت و الماس نحوه ی قرارگیری اتم کربن در آنها است. اتم ها در هر دو ماده بصورت متفاوت قرار گرفته شده اند و همین امر باعث تفاوت در ویژگی آنها شده است.
دانشمندان ساختار های مختلف دیگری که از چینش اتم کربن ساخته می شوند را کشف کرده اند که حتی ویژگی های خیلی جالب تری نسبت به ساختار های قبلی دارند. فلورین (Fullerenes) کشف شده در سال 1985 میلادی دارای 60 اتم کربن است که به صورت قفس های توخالی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.
نانولوله ها، کشف شده در سال 1991 میلادی که به صورت صفحات مسطح پیچ خورده در هم از اتم کربن ساخته شده اند و به شکل لوله ظاهر می شوند و در نهایت ماده ی گرافن که در سال 2004 میلادی کشف شد.
گرافن بصورت یک شبکه ی کریستالی است که اتم ها در به صورت منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته و بصورت متناوب تکرار می شوند. ساختار شبکه ی کریستالی الماس و گرافیت در شکل 1 نشان داده شده است. هر دو آنها دارای یک ساختار سه بعدی هستند که کاملا با یکدیکر متفاوت هستند. در الماس اتم ها به طور منظم در یک چهارضلعی سه بعدی بسیار محکم متصل می شوند. در حالیکه در گرافیت، اتم ها در لایه های دو بعدی قرار دارند و توسط نیرو های نسبتا ضعیف در لایه های بالا و پایین نگه داشته می شوند.
شکل 1. شبکه ی کریستالی گرافیت ( شکل بالا) و الماس (شکل پایین)
تفاوت گرافن با گرافیت
اما تفاوت گرافن با گرافیت چیست؟ همانطور که شبکه ی کریستالی گرافیت را ملاحظه می کنید، ساختار آن از تعدادی لایه تشکیل شده است که گرافن می توان به صورت یک لایه ی مستقل از گرافیت تعریف کرد. نکته ی قابل توجه در ساختار کریستالی گرافن، دو بعدی بودن آن است.
به عنوان مثال اتم ها در گرافن بصورت مسطح در روی یک تخت صاف چیده شده است. همانند گرافیت، در هر لایه ی گرافن اتم های کربن بصورت حلقه های شش ضلعی به هم متصل شده اند و شکلی شبیه به لانه ی زنبور به خود گرفته است. با توجه به اینکه لایه ها دارای ارتفاع یک اتم هستند، اگر بخواهیم یک گرافن با ضخامت 1 میلیمتر داشته باشیم باید میلیون ها لایه ی گرافن را در روی هم قرار دهیم.
خصوصیات گرافن
گرافن ماده ای بسیار شگفت انگیز است که بر خلاف ساختار ساده و منظم که به صورت پیوند های محکم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند می توانند خاصیت متفاوتی نسبت به ماهیت هصلی خود داشته باشند. کربن که اتم تشکیل دهنده ی گرافن است خاصیت غیر فلزی دارد، بنابراین انتظار داریم گرافن نیز همین خاصیت را داشته باشد. در حالیکه گرافن شبیه فلز رفتار می کند (اما خاصیت رسانای الکتریکی آن کمی متفاوت تر از خود فلز ها است). این امر باعث شد دانشمندان آن رابه عنوان یک شبه فلز یا یک نیمه هادی نام گذاری کنند.
در همین رابطه بخوانید: آموزش مقاومت مصالح
قدرت و سختی
مداد نرم که از گرافیت ساخته شده اند فوق العاده نرم محسوب می شوند در حالیکه در همین گرافیت ها در هر لایه، اتم های کربن محکم به همدیگر متصل شده اند مانند نانو لوله ها و همچنین گرافن ها که فقط از یک لایه کربن تشکیل شده اند، خیلی محکم و سخت هستند.
آزمایش ها نشان می دهد که گرافن 200 برابر قوی تر از فولاد است. گرافن ها علاوه بر محکم بودن، الاستیک نیز هستند بطوریکه بدون اینکه شکسته شوند می توان آنها را تا 20 الی 25 درصد بیشتر از طول آن کشش داد. دلیل این امر ویژگی انعطاف پذیری اتم های کربن موجود در گرافن اشاره کرد.
ظرافت و سبکی
هر چیزی که فقط به اندازه ی یک اتم ضخامت دارشته باشد می تواند بسیار سبک نیز باشد. به عنوان مثال کل زمین فوتبال را با یک ورقه ی نازک گرافن با وزن کمتر از یک گرافن پوشش داد.
رسانای گرما
گرافن دارای هدایت حرارتی بسیار بالایی هستند و خیلی بهتر از موادی چون نقره و می تواند عمل کند. با استفاده از گرافن ها در مواد نانو کامپوزیت می توان مقاومت در برابر حرارت یا هدایت اضافی گرما به پلاستیک یا مواد دیگر را افزایش داد.
رسانای الکتریکی
نقطه ی شروع افزایش علاقمندی به گرافن همین جا است. موادی که گرما را خوب هدایت می کنند، رسانای الکتریکی خوبی نیز هستند به دلیل اینکه هر دو انرژی را با استفاده از الکترون ها منتقل می کنند. شبکه های صاف و شش ضلعی گرافن مقاومت کمی را در برابر الکترون ها ارائه می دهند. به همین دلیل الکترون ها سریع و براحتی عبور می کنند و هدایت قابل توجهی نسبت به رسانا های کامل و حتی ابررسانا ها از خود نشان می دهند.
ویژگی های الکترونیکی
در گرافن ها می توان الکترون هایی که الکتریسیته حمل می کنند را کنترل کرد. ویژگی های الکترونیکی گرافن این امکان را به ما می دهند تا الکترون با سرعت بیشتری حرکت کنند که برای کاربردهای تلفن همراه و تراشه های کامپیوتر قابل استفاده اند تا بتوانیم سرعت بیشتری داشته باشیم. حرکت الکترون ها در طول گرافن خیلی شبیه به فوتون ها هستند و سرعتی نزدیک به سرعت نور دارند.
ویژگی های نوری
به عنوان یک قاعده ی کلی چیزی که خیلی نازک باشد به احتمال زیاد دارای شفافیت بیشتری نیز است. بنابراین گرافن ها می توانند حدود 97 تا 98 درصد از نور را از خود عبور دهند. بنابراین می توان از آن در صفحه های خورشیدی، LCD و صفحه های نمایش لمسی استفاده کرد.
هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.