در آستانه بیستمین سالگرد معرفی ماده دوبعدی گرافن
گرافن ماده‌ای برای آینده
اول آبان ۱۳۸۳ مقاله‌ای پژوهشی با‌عنوان «اثر میدان الکتریکی در فیلم‌های- از نظر اتمی- نازکِ کربن» در نشریه تخصصی ساینس منتشر شد.
آندره گایم و کنستانتین نووسلف پژوهشگران این مطالعه از دانشگاه منچستر انگلستان در چکیده مقاله‌شان نوشتند: «ما فیلم‌های گرافیتی تک‌بلوری را توصیف می‌کنیم که ضخامت‌شان به اندازه چند اتم است؛ با وجود این، در شرایط محیطی پایدار و فلزی‌اند و کیفیت فوق‌العاده بالایی دارند. این فیلم‌ها نیمه‌فلزی دوبعدی و رسانا هستند و اثر میدان الکتریکی دوقطبی قوی‌ای از خود نشان می‌دهند.» آنچه این پژوهشگران شرح می‌دادند توصیف ویژگی‌های ماده‌ای دو بعدی از خانواده کربن بود که گرافن نام گرفت و امروز بعد از گذشت ۲۰ سال از انقلاب گرافن، نه‌فقط راه برای تولید مواد دو بعدی دیگر باز شده است بلکه به‌اعتقاد بسیاری از کارشناسان، جهان از دو سال قبل به عصر جدیدی وارد شده که پس‌از اعصار سنگ، مس، برنز، آهن، استیل، پلاستیک و سیلیکون می‌توان آن را عصر گرافن نامید.
سال ۲۰۱۰ آندره گایم و کنستانتین نووسلف برای آزمایش‌های پیشگامانه درباره ماده دو بعدی گرافن برنده جایزه نوبل فیزیک شدند. گرافن از اتم‌های کربن ساخته شده است، اما به‌جای این‌که مانند گرافیت چیدمانی نامرتب یا مانند الماس از بلورهای سازمان‌یافته بسیار مرتب تشکیل شده باشد، اتم‌های کربن در گرافن در لایه‌ای تک‌اتمی، مانند ورقه کاغذ بسیار نازک کنار هم قرارگرفته‌اند. چیزی که مواد دو بعدی را خاص می‌کند این است که این پیکربندی منحصر‌به‌فرد خواص فیزیکی منحصر‌به‌فردی هم بروز می‌دهد. برای مثال، گرافن بسیار رساناست و الکترون‌ها می‌توانند با سرعت یک‌سیصدم سرعت نور درون آن گردش کنند. همچنین رسانای حرارتی بسیار عالی است و بالاترین استحکام کششی را بین مواد دیگر دارد به‌طوری‌که ۲۰۰برابر قوی‌تر از فولاد است. این ماده تقریبا کاملا شفاف است و فقط ۲ درصد نور مرئی را جذب می‌کند. گرافن همچنین فوق‌العاده انعطاف‌پذیر و دارای خاصیت ارتجاعی است. همین خواص استثنائی، بلافاصله توجه هزاران محققی را به خود جلب کرد که مشتاق کشف خواص الکتریکی، شیمیایی و فیزیکی آن بودند. اما کنار علاقه‌مندان کشف کاربردهای گرافن، دانشمندان دیگری این سوال را مطرح کردند که آیا عناصری غیر از کربن هم می‌توانند مواد دو بعدی ایجاد کنند. پاسخ مثبت بود و براساس پیش‌بینی‌های نظری صدها ماده دو بعدی- بالقوه- متفاوت می‌توانند وجود داشته باشند که تاکنون بعضی از آنها ساخته شده‌اند. برای‌مثال، سال ۲۰۱۵ بوروفن از اتم‌های بور به‌دست آمد و سال ۲۰۲۴ برای اولین‌بار، ماده دوبعدی جدیدی به نام گُلدین از اتم‌های طلا تولید شد. سیلیسین متشکل از لایه دوبعدی از اتم‌های سیلیکون و فسفرن ساخته‌شده از اتم‌های فسفر از دیگر نمونه‌های مواد دوبعدی جدید است.
کاربردهای گرافن
مانند هر ماده دیگری، گرافن هم کاربردهای مختلفی دارد. در زندگی روزمره آنها را در وسایلی چون کلاه ایمنی و بعضی کفش‌ها می‌بینیم اما به لطف ویژگی‌های بسیاری که این ماده دارد می‌تواند در آینده نقش‌های متنوع‌تری ایفا کند. برای‌مثال، می‌توان در ساختار لایه‌ای گرافن حفره‌هایی ایجاد و این ماده را به تصفیه‌کننده آب یا فیلتر هوا تبدیل کرد. رسانایی الکتریکی آن که بهتر از مس است می‌تواند این ماده را به لامپی کوچک یا شبکیه چشم بیونیک تبدیل کند.
اما مهم‌تر از همه، گرافن دنیای فناوری اطلاعات و الکترونیک را متحول خواهد کرد. در ماه‌های اخیر، گروهی از محققان موسسه فناوری جُورجیا در آمریکا اولین نیمه‌رسانای کاربیدگرافن را روی سیلیکون توسعه داده‌اند. پیشرفتی که می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از دستگاه‌های الکترونیکی سریع‌تر، کارآمدتر و انعطاف‌پذیرتر هموار کند. همچنین مطالعه دیگری در نشریه تخصصی نیچر منتشر شده که خاصیت غیرمنتظره گرافن دولایه را نشان می‌دهد و آن خاصیت فروالکتریسیته غیرمتعارف است. به بیانی ساده، این ماده می‌تواند جداسازی بار خود‌به‌خودی بین لایه‌ها را بدون میدان الکتریکی خارجی نشان دهد. این ویژگی جدید می‌تواند به پیشرفت در زمینه پردازش اطلاعات و توسعه رایانه‌هایی منجر شود که مشابه مغز انسان، با سرعت و کارایی بی‌سابقه کار می‌کند و در واقع گرافن می‌تواند کلید باز‌کردن قفل این آینده باشد.
ازسوی دیگر، گرافن در حوزه انرژی، ظرفیت بسیار زیادی برای بهبود عملکرد باتری نشان می‌دهد. سطح ویژه بالا و رسانایی عالی، آن را برای افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی و سرعت شارژ، ایده‌آل می‌کند. شرکت کانادایی نانواکسپلور (NanoXplore) به‌تازگی، فرآیند تولید گرافن خشک مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر را معرفی کرده است؛ ازآنجا که این روش به گرافیت ضایعاتی با عیار پایین به‌عنوان ماده خام نیاز دارد هزینه‌های سرمایه‌گذاری را حدود ۵۰ درصد کاهش می‌دهد و تولید را سازگار با محیط‌زیست می‌کند. سروش نظرپور، مدیرعامل ایرانی نانواکسپلور می‌گوید: «فرآیند ما نه‌فقط تولید گرافن را ارزان‌تر، بلکه پایدارتر می‌کند. ما به معنای واقعی کلمه زباله را به طلای سیاه تبدیل می‌کنیم.» با رواج این روش در صنعت، می‌توان آینده‌ای نه‌چندان دور را تصور کرد که در آن، خودروهای برقی درعرض چنددقیقه شارژ می‌شوند و باتری ابزارهای دیجیتال هفته‌ها فقط با یک‌بار شارژ دوام می‌آورند.
هدی عربشاهی - خبرنگار پیشرانسال ۲۰۱۰ آندره گایم و کنستانتین نووسلف برای آزمایش‌های پیشگامانه درباره ماده دو بعدی گرافن برنده جایزه نوبل فیزیک شدند. گرافن از اتم‌های کربن ساخته شده است، اما به‌جای این‌که مانند گرافیت چیدمانی نامرتب یا مانند الماس از بلورهای سازمان‌یافته بسیار مرتب تشکیل شده باشد، اتم‌های کربن در گرافن در لایه‌ای تک‌اتمی، مانند ورقه کاغذ بسیار نازک کنار هم قرارگرفته‌اند. چیزی که مواد دو بعدی را خاص می‌کند این است که این پیکربندی منحصر‌به‌فرد خواص فیزیکی منحصر‌به‌فردی هم بروز می‌دهد. برای مثال، گرافن بسیار رساناست و الکترون‌ها می‌توانند با سرعت یک‌سیصدم سرعت نور درون آن گردش کنند. همچنین رسانای حرارتی بسیار عالی است و بالاترین استحکام کششی را بین مواد دیگر دارد به‌طوری‌که ۲۰۰برابر قوی‌تر از فولاد است. این ماده تقریبا کاملا شفاف است و فقط ۲ درصد نور مرئی را جذب می‌کند. گرافن همچنین فوق‌العاده انعطاف‌پذیر و دارای خاصیت ارتجاعی است. همین خواص استثنائی، بلافاصله توجه هزاران محققی را به خود جلب کرد که مشتاق کشف خواص الکتریکی، شیمیایی و فیزیکی آن بودند. اما کنار علاقه‌مندان کشف کاربردهای گرافن، دانشمندان دیگری این سوال را مطرح کردند که آیا عناصری غیر از کربن هم می‌توانند مواد دو بعدی ایجاد کنند. پاسخ مثبت بود و براساس پیش‌بینی‌های نظری صدها ماده دو بعدی- بالقوه- متفاوت می‌توانند وجود داشته باشند که تاکنون بعضی از آنها ساخته شده‌اند. برای‌مثال، سال ۲۰۱۵ بوروفن از اتم‌های بور به‌دست آمد و سال ۲۰۲۴ برای اولین‌بار، ماده دوبعدی جدیدی به نام گُلدین از اتم‌های طلا تولید شد. سیلیسین متشکل از لایه دوبعدی از اتم‌های سیلیکون و فسفرن ساخته‌شده از اتم‌های فسفر از دیگر نمونه‌های مواد دوبعدی جدید است.
کاربردهای گرافن
مانند هر ماده دیگری، گرافن هم کاربردهای مختلفی دارد. در زندگی روزمره آنها را در وسایلی چون کلاه ایمنی و بعضی کفش‌ها می‌بینیم اما به لطف ویژگی‌های بسیاری که این ماده دارد می‌تواند در آینده نقش‌های متنوع‌تری ایفا کند. برای‌مثال، می‌توان در ساختار لایه‌ای گرافن حفره‌هایی ایجاد و این ماده را به تصفیه‌کننده آب یا فیلتر هوا تبدیل کرد. رسانایی الکتریکی آن که بهتر از مس است می‌تواند این ماده را به لامپی کوچک یا شبکیه چشم بیونیک تبدیل کند.
اما مهم‌تر از همه، گرافن دنیای فناوری اطلاعات و الکترونیک را متحول خواهد کرد. در ماه‌های اخیر، گروهی از محققان موسسه فناوری جُورجیا در آمریکا اولین نیمه‌رسانای کاربیدگرافن را روی سیلیکون توسعه داده‌اند. پیشرفتی که می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از دستگاه‌های الکترونیکی سریع‌تر، کارآمدتر و انعطاف‌پذیرتر هموار کند. همچنین مطالعه دیگری در نشریه تخصصی نیچر منتشر شده که خاصیت غیرمنتظره گرافن دولایه را نشان می‌دهد و آن خاصیت فروالکتریسیته غیرمتعارف است. به بیانی ساده، این ماده می‌تواند جداسازی بار خود‌به‌خودی بین لایه‌ها را بدون میدان الکتریکی خارجی نشان دهد. این ویژگی جدید می‌تواند به پیشرفت در زمینه پردازش اطلاعات و توسعه رایانه‌هایی منجر شود که مشابه مغز انسان، با سرعت و کارایی بی‌سابقه کار می‌کند و در واقع گرافن می‌تواند کلید باز‌کردن قفل این آینده باشد.
ازسوی دیگر، گرافن در حوزه انرژی، ظرفیت بسیار زیادی برای بهبود عملکرد باتری نشان می‌دهد. سطح ویژه بالا و رسانایی عالی، آن را برای افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی و سرعت شارژ، ایده‌آل می‌کند. شرکت کانادایی نانواکسپلور (NanoXplore) به‌تازگی، فرآیند تولید گرافن خشک مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر را معرفی کرده است؛ ازآنجا که این روش به گرافیت ضایعاتی با عیار پایین به‌عنوان ماده خام نیاز دارد هزینه‌های سرمایه‌گذاری را حدود ۵۰ درصد کاهش می‌دهد و تولید را سازگار با محیط‌زیست می‌کند. سروش نظرپور، مدیرعامل ایرانی نانواکسپلور می‌گوید: «فرآیند ما نه‌فقط تولید گرافن را ارزان‌تر، بلکه پایدارتر می‌کند. ما به معنای واقعی کلمه زباله را به طلای سیاه تبدیل می‌کنیم.» با رواج این روش در صنعت، می‌توان آینده‌ای نه‌چندان دور را تصور کرد که در آن، خودروهای برقی درعرض چنددقیقه شارژ می‌شوند و باتری ابزارهای دیجیتال هفته‌ها فقط با یک‌بار شارژ دوام می‌آورند.