گرافن وکاربردهای آن درصنعت

بنام خدا
مهدی تجرد

شماره دانشجویی ۹۲۱۰۱۲۵۰۰۶

مهندسی مکانیک دانشگاه خلیج فارس
پروژه کارشناسی

استاد مربوطه دکتر اسکندری
موضوع پروژه کاربرد گرافن در صنایع مهندسی

کربن
و عدد اتمی 6. کربن عنصری غیر فلزی و C کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی است، با نشان •
فراوان، چهارظرفیتی ودارای سه آلوتروپ می باشد:
الماس (سخت ترین کانی شناخته شده) •
گرافیت(یکی از نرم ترین مواد) •
orbitals are of chemical interest only 1Covalend bound sp •
فولریت (فولرین ها، مولکولهایی در حد بیلیونیوم متر هستند که در شکل ساده آن، 60 اتم کربن یک لایه گرافیتی با
ساختمان 3 بعدی منحنی، شبیه به روروئک (روروئکی که قسمت جلوی آن مانند چوب اسکی خم شده)، تشکیل می دهند .
دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده. این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل
ساختمان آن همسانگرد (ایزوتروپیک) است. چنین کربنی همسانگرد و مانند شیشه محکم است. لایه های گرافیت آن مانند
کتاب مرتب نشده اند، بلکه مانند کاغذ خرد شده می باشند.
الیاف کربن شبیه کربن شیشه ای می باشند. تحت مراقبتهای ویژه (کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) می توان لایه های
صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد. هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمی گیرد . نتیجه الیافی با
استحکام بیشتر از فولاد می باشد . کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه شیمی آلی را تشکیل می دهد .همچنین این
غیرفلز ویژگی جالبی دارد که می تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند (تشکیل دهنده بیش از ده
میلیون ترکیب).در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن می کند که برای رویش گیاهان، حیاتی می باشد.در صورت
ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود می آورد که به شکل سوختهای فسیلی ، در صنعت بسیار
بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد ،گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را
14 به طور متداول در سن C- می سازند که برای حیات و استر، که طعم دهنده بسیاری از میوه ها است، ضروری است.ایزوتوپ
یابی پرتوزایشی کاربرد دارد.
اشکال
کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از ن رم ترین (گرافیت ) و یکی از سخت ترین
(الماس) مواد شناخته شده توسط انسان می باشد. افزون بر این، کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله
اتمهای دیگر کربن، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود می آورد. این خصوصیات باعث شکل
گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است .ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می سازند و چرخه کربن – نیتروژن
قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تامین می کند. ==تولید کربن کربن در اثر مهبانگ (انفجار
بزرگ آغازین) حاصل نشده، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله ای ذرات آلفا (هسته اتم هلیم ) دارد.
جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بو د. به هر حال، کربن درون
قرار دارند، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن H-R ستارگانی که در رده افقی نمودار
تبدیل می کنند، تولید شد.
کاربردها
کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که می دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد
داشت(به برتر پنداری کربن مراجعه کنید).عمده ترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربنها می باشد که قابل توجه ترین آنها
سوختهای فسیلی، گاز متان و نفت خام است.نفت خام در صنعت پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهم ترین
آنها بنزین، گازوئیل و نفت سفید بکار می رود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاهها بدست می آیند. از نفت خام مواد اولیه
بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آنها در مجموع پلاستیک نامیده می شوند، شکل می گیرد.
٩
دیگر کاربردها :
14 که در 27 فوریه 1930 کشف شد در سن یابی کربن پرتوزا مورد استفاده است. C- ایزوتوپ •
گرافیت در ترکیب با خاک رس به عنوان مغز مداد بکار می رود. •
الماس جهت تزئین ونیز در مته ها و سایر کاربردهایی که سختی آن مورد استفاده است کاربرد د ارد. •
برای تولید فولاد، به آهن کربن اضافه می کنند. •
کربن در میله کنترل در واکنشگاه های اتمی بکار می رود.
گرافیت به شکل پودر و سفت شده به عنوان ذغال چوب برای پخت غذا ،در آثار هنری و موارد دیگر مورد •
استفاده قرار می گیرد.
قرصهای ذغال چوب در پزشکی که به صورت قرص یا پودر وجود دارند برای جذب سم از دستگاه گوارشی •
مورد استفاده اند.
خصوصیات ساختمانی و شیمیایی فولرن به شکل ریزتیوب کربن، کاربردهای بالقوه امیدوار کننده ای در رشته در حال
شکل گیری نانوتکنولوژی ذارد.
تاریخچه
به معنی زغال چوب ) در دوران پیشاتاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آن را از carbo کربن (واژه لاتین
سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید می کردند، آشنا بود.(تولید [زغال چوب]]).مدت طولانی است که [الماس] به عنوان
ماده ای زیبا و کمیاب به حساب می آید. فولرن ،آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه 80 به عنوان محصولات جانبی
آزمایشات پرتو مولکولی کشف شدند.
نمودار فازی کربن
دگرگونه ها (آلوتروپها)
تاکنون چهار شکل گوناگون از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف)، گرافیت، الماس و فولرن .
کربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد .این شکل کربن،
بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ (دوده) را تشکیل می دهد . در فشار و دمای
اتاق کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقه های شش وجهی – درست مثل
هیدروکربنهای معطر – به هم متصل شده اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی
که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها می باشد. گرافیتهای طبیعی
شامل بیش از 30 % نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می باشند . نوع آلفا از طریق فرآوری
مکانیکی می تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر می گردد.
هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه های آن که اغلب به وسیله اتمهای pi گرافیت به سبب پراکندگی ابر
دیگر تفکیک شده اند، تنها به وسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیده اند به گونه ای که به راحتی یکدیگر را کنار می زنند.
١٠
در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد .الماس
در (BN) ساختار مکعبی همانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور هم الکترون
کنارهم بوده و سخت ترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به شمار می رود. تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اتاق به
متبلور می شود که مشابه (lonsdalite) قدری کند است که محسوس نیست. در برخی شرایط کربن به شکل لونسدالیت
الماس ولی شش ضلعی است. فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما بجای بخش های تماما" شش ضلعی، حاوی پنج ضلعیها
(یا احتمالا" هفت ضلعیهای) اتمهای کربن نیز می باشند که ورقه را به شکل کره، بیضی یا استوانه بوجود می آورند . ویژگیهایی
هم نامیده می شوند هنوز بخوبی بررسی نشده اند. اینگونه (buckminsterfullerene) از فولرین با نام فولرین باکمینستر
هم نامیده اند. کل نامگان فولرین برگرفته از نام باکمینست ر (buckyballs) ساختار را به گونه کوتاه شده، گلوله های باکی
توسعه دهنده گنبد میله ای می باشد که از ساختار گلوله های باکی تقلید کرد. ،(Buckminster Fuller) فولر
فولرن ها؛ ساختار، خواص و کاربرد
ساختار فولرن ها
کربن در طبیعت دارای پنج آلوتروپ الماس، گرافیت، نانولوله، کربن بی
شکل و فولرن است، که همگی جامد می باشند. (شکل 1). در الماس که از سخت
ترین اجسام طبیعی است، هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند دارد و هیبریداسیون اتم های کربن در این ساختار، به
می باشد. در گرافیت شش ضلعی های منتظم کربنی لایه هایی را ایجاد کرده اند که بر روی یکدیگر انباشته شده sp شکل 3
و هر لایه از طریق پیوندهای ضعیف وان در والس به لایه زیرین متصل است. هنگامی که لایه های گرافیتی در هم پیچیده
شوند، نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند.
شکل 1. آلوتروپ های مختلف کربن در طبیعت
در واقع نانولوله، گرافیتی ست که به شکل لوله در آمده باشد. فولرن، نخستین مولکول کربن کروی شناخته شده با
کربن های مرتب شده، در قالب کره ای به شکل توپ فوتبال می باشد .
پایه ی فولرین ها صفحات موجود در گرافیت می باشد با این تفاوت که در ساختار اتمی فولرین ها به جای شش ضلعی
های منظم موجود در صفحات گرافیت، یک سری شش ضلعی و پنج ضلعی منظم وجود دارد که به صورت یک در میان در
کنار هم قرار گرفته و کره فولرن را تشکیل داده اند. قرارگیری این پنج ضلعی و شش ضلعی ها در کنار هم برای شکل دادن
یک ساختار کروی ضروری است. در حقیقت بدون حضور پنج ضلعی ها در ساختار گرافین نمی توان از صفحات گرافین
ساختارهای کروی به دست آورد .
١١
فولرن ها را با توجه به تعداد اتم های موجود در ساختمان شان شناسایی می کنند. برای نامگذاری فولرن ها از یک
تعداد اتم های کربن موجود در C استفاده می شود که بیانگر اتم کربن موجود در ساختار آن هاست. بعد از حرف C حرف
دارای 60 اتم کربن است. تعداد اتم ها در فولرن های تولید شده C واحد شبکه ی کروی فولرن ذکر می شود. مثلاً مولکول 60
( تاکنون از 28 عدد تا صدها اتم کربن است (شکل 2
شکل 2. انواعی از فولرن ها
کشف فولرن ها
در سال 1966 دانشمندی به نام دالس برای اولین بار در مورد توانایی تولید ساختارهای کروی بسته ای از اتم های
کربن بحث نمود. در ابتدا این پیشنهاد مورد توجه دانشمندان وقت قرار نگرفت. چهار سال بعد در سال 1970 دانشمندی به
را با ساختاری شبیه توپ C نام اوساوا در تحقیقاتش راجع به ساختارهای کربنی موجود در طبیعت، یک مولکول کربنی 60
در آزمایشگاه مشاهده ، Cn فوتبال متصور شد. تا این که در سال 1984 در اثر تبخیر لیزری گرافیت، خوشه های بزرگ کربنی
مقادیری بین 30 تا 90 دارد. (n شد
کشف اصلی فولرن در سال 1985 رخ داد. در این سال سه دانشمند به نام های کروتو، اسمالی و کارل بر روی فرایندی
برای تولید کلاسترهای کربنی ستاره ای شکل مطالعه می کردند. این روش به وسیله متمرکز کردن لیزر روی یک گرافیت
انجام شد. بعد از انجام این آزمایش ها و طی انجام یک سری آزمایش های طیف سنجی روی محصولات تولید شده، مولکول
در مواد تولید شده کشف شدند (شکل 3 .(این مولکول به علت شباهتی که با ساختار توصیف شده توسط معمار C های 60
معروف، باک مینسترفولر داشت، به این اسم نامیده شد. دانشمندان مذکور به خاطر این کشف در سال 1996 جایزهء نوبل
سال را دریافت نمودند .
در طیف سنجی مواد تولید شده توسط C شکل 3 .مشاهده سیگنال 60
روش تبخیر لیزری
خواص و کاربردهای فولرن ها
شکل زیبا و بی سابقهء فولرن ها و خواص شگفت انگیز این مولکول ها توجه بسیاری از دانشمندان را به خود معطوف
هستند. بنابراین بیشتر خواص ذکر شده در مورد فولرن ها C و 70 C کرده است. پایدارترین و فراوان ترین فولرن ها انواع 60
نیز روی این دو نوع متمرکز شده است. برخی از خواص فیزیکی این دو مولکول در جدول 1 ارائه شده است.
١٢
C و 70 C جدول 1. برخی از خواص فیزیکی 60
استحکام مکانیکی؛ به عنوان تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها
فولرن ها از نظر مکانیکی مولکول های بیش از حد قوی هستند و تحمل فشارهای بسیار زیاد را دارند، به طوری که
پس از تحمل فشاری حدود 3000 اتمسفر به شکل اولیهء خود (ساختار کروی فولرن) برمی گردند. اخیراً از این خاصیت در
تولید نانوکامپوزیت ها استفاده شده است. به این ترتیب که فولرن ها را به عنوان ماده پرکننده وارد مادهء زمینه کرده و به این
ترتیب تنش تسلیم کامپوزیت ها را بهبود می بخشند.
خاصیت روان سازی بالا؛ روان کاری در مقیاس نانومتری
مولکول های فولرن به وسیله پیوندهای ضعیفی که ناشی از نیروهای واندروالس بین آن هاست به هم می چسبند. این
نیروهای نگهدارنده فولرن ها در کنار هم مشابه نیروهای موجود بین لایه های گرافیت است. بنابراین برخی از خواص فولرن ها
مشابه خواص گرافیت می باشد. به عنوان مثال اخیراً از فولرن ها به جای گرافیت در کاربردهای روان کاری در مقیاس
نانومتری استفاده شده است .
حساس در برابر نور؛ کاربردهای فوتونیک
فولرن ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند.
بنابراین کاربردهای فوتونیک زیادی برای این مواد در آینده متصور شده است .
ساختار توخالی؛ مکانی برای قرارگیری عناصر
می توان درون مولکول های توخالی فولرن ها را توسط عناصر دیگر پر کرد. به عنوان مثال با قرار دادن برخی عناصر
فلزی درون فولرن ها خواص الکتریکی آنها بهبود یافته است. اخیراً از چنین ساختارهایی در تولید دستگاه های تصویربرداری
در پزشکی استفاده شده است. (MRI) تشدید مغناطیسی
خواص زیست سازگاری؛ دارورسانی
درون فولرن ها می توان برخی آنزیم ها و یا داروها و هورمون های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانو
پزشکی می توان از این مواد استفاده نمود. در یکی از جدیدترین کاربردهای فولرن ها برای مبارزه با ویروس ایدز، آنزیم ضد
این ویروس درون فولرن ها قرار داده شده و وارد بدن شده است .مداوای بیماری ایدز با چنین روشی امیدوار کننده بوده است.
دارند و به علاوه می توانند در مبارزه HIV علاوه بر این کشف شده که احتمالاً فولرن ها برهم کنش های بیولوژیکی با ویروس
. با این ویروس به آنزیم های دیگر کمک کنند 1
کمیت(واحد( مقدار
C برای 60
مقدار
C برای 70
(cm حجم مولکولی( 3 87.1
× 22-10 42.7
اولین انرژی یونیزاسیون
(ev)
58.7 61.7
انرژی پیوند اتم های
(ev) کربن 40.7 42.7
متوسط فاصلهء بین اتم
(A°) های کربن 41.1 43.1
١٣
فصل دوم
معرفی گرافن
١٤
گرافن پایه ساختارهای مهم کربنی
همانطور که می دانید، اتم های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری
شرکت دارند و پایه و اساس فناوری های مختلفی هستند. این اتم ها علاوه بر ترکیب
شدن با عناصر دیگر، می توانند با اتم های کربن نیز پیوند دهند. اتم های کربن از نظر
1 هستند. بنابراین چهار s22s22p ترتیب پر شدن اوربیتالها، دارای ساختار الکترونی 2
الکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتم ها مهیا می سازد.
پیوندهایی که این اتم ها تشکیل می دهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی
دیده می شود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد می کند. این اتم ها در ساختار الماس
چهار پیوند یگانه ی کوالانس ایجاد می کنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر
پیوند می دهد. بنابراین از تمام 4 ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. در ساختار گرافیت، نانولوله و فولرن نیز
پیوندهای یگانه ای بین اتم های کربن وجود دارد.
دگر شکل های کربن حالت
sp الماس • الماس شش ضلعی 3
sp کربن شیشه ای • (نانولوله های کربنی، فولرن باکمینستر)فولرن ها • گرافین • گرافیت 2
sp کربن خطی
با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها
اتم کربن یکی از ظرفیت های خود را مصرف نمی کند. این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است، به شکل یک
پیوند آزاد در خارج از صفحه ای که دیگر اتم ها در آن قرار دارند، قرار می گیرد. این پیوند آزاد یا معلق می تواند در شرایطی با
گروه های عاملی یا دیگر اتم های رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد می گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و
چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولوله های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر،
نحوه ی چینش اتم ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره ها، نقص های ساختاری و گروه های عاملی موجود بر روی نانولوله از جمله
خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص نقش دارند. در این مقاله و مقاله ی بعدی به نحوه ی چینش اتم ها در
نانولوله های کربنی می پردازیم. برای این منظور نانولوله های کربنی را بر اساس ظاهر فیزیکی دسته بندی می کنیم. این قبیل
دسته بندی ها، موجب سهولت بررسی این مواد می گردد.
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمی آید، یک استوانه ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است . طول هر نانولوله
می تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله ی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیواره ی آن در
راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم های کربن به نام گرافن به دست می آید. در این قسمت به بررسی شکل ظاهری
نانولوله ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز می کنیم.
گرافن
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن تشکیل می شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن
120 است. در 􀀀 دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن ها با یکدیگر مساوی و برابر با
این حالت، اتم های کربن در وضعیتی قرار می گیرند که شبکه ای از شش ضلعی های منتظم را ایجاد می کنند (شکل 1). البته
این ایده آل ترین حالت یک صفحه ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می کند که در آن
پنج ضلعی ها و هفت ضلعی هایی نیز ایجاد می شود.
١٥
شکل 1- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتم های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده اند.
در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری
برخی گروه های عاملی و هم چنین اتم های هیدروژن است. پیوند بین اتم های کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم
است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می رود که نانولوله های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند.
گرافیت نیز که یک ماده ی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه های گرافن و تشکیل یک ساختار
منظم تشکیل می شود. اما همانطور که می دانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟
آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آن هاست. این پیوند بسیار ضعیف است .
بنابراین لایه های گرافن به راحتی می توانند روی هم بلغزند و به همین دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
گرافن، به عنوان یک لایه ی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولوله های
کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آن ها بستگی دارد که
در آینده به آن اشاره خواهیم کرد.
صفحه ی مختصات گرافنی:
صفحه ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را می شناسید. این صفحه، شبکه ای است که از مربع هایی با طول و عرض
هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آن ها می توان از j و i واحد تشکیل شده است. در این صفحه دو بردار یکه ی
امکان پذیر k=mi+nj رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل (m وn) نقطه ی مبدا به هر نقطه ی دیگری مثل
می گردد.
دستگاه مختصات کارتزین، یک دستگاه دو بعدی است که در آن دو بردار یکه ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر
عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاه های مختصات به این شکل نیستند. بلکه می توان دستگاه هایی را تعریف
کرد که در آن اندازه ی بردارهای یکه نابرابر و زاویه ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه ی مختصات گرافنی. برای
توصیف نانولوله های کربنی ما به یک صفحه ی دو بعدی متشکل از شش ضلعی های منتظم احتیاج داریم (صفحه ی مختصات
گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتم های کربن (به
ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.
را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، j و i در این صفحه یِ مختصات دو بعدی، دو بردار یکه ی هم اندازه ی
را C=mi+nj 60 است. برای حرکت روی این صفحه می توانیم بردار 􀀀 تعریف می کنیم. زاویه ی بین این دو بردار برابر با
تعریف نماییم.
١٦
این بردار را بردار کایرال می نامیم (بعدها می گوییم که چگونه می توانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست
کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کرده ایم.
در صفحه ی مختصات گرافنی c=i+3j و c=4i+2j شکل 4- بردارهای کایرال
را به عنوان زاویه کایرال که مشخصه ی i همچنین می توانیم زاویه ی بین بردار کایرال و محور متناظر با بردار یکه ی
راستای بردار کایرال است در نظر بگیریم. این زاویه در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که در آینده خواهیم دید، این
زاویه یکی از مشخصه های نانولوله های کربنی می باشد.
ژ i و محور مربوط به بردار یکه ی c=4i+3j شکل 5- زاویه ی کایرال بین بردار
هم اندازه و بر یکدیگر عمود هستند. j و i شکل 2- صفحه ی مختصات دکارتی؛ بردارهای یکه ی
در صفحه ی مختصات گرافنی j و i شکل 3- بردارهای یکه ی
١٧
را به دو قسمت تقسیم j و i نکته اول :هر برداری که در این دستگاه رسم می کنیم، زاویه ی 60 ° بین دو بردار یکه ی
یا هر دو را منفی انتخاب کنیم. البته n یا m می کند (شکل 1)این بردار نمی تواند خارج از این ناحیه قرار گیرد، مگر اینکه
را همواره مثبت در نظر می گیریم. این موضوع به دلیل تقارن موجود در صفحه ی مختصات n و m فرض ما این است که
گرافنی، لطمه ای به کلیت ماجرا وارد نمی کند.
را با هم عوض کنیم، شکل به m)) و (n انتخاب شده (مولفه های زوج مرتب n و m نکته ی دوم :در صورتی که جای
را k) و (h وh) و (k دست آمده به دلیل تقارن گفته شده، بر شکل قبلی منطبق خواهد بود. بنابراین می توانیم دو نانولوله ی
معادل است. برای جلوگیری از این مسئله، C2=3i+1j در شکل 2 با بردار C1=1i+3j معادل در نظر بگیریم. برای مثال بردار
باشد. با این فرض ناحیه ی انتخابی روی صفحه ی مختصات m≥n مختصات بردارها را همواره به گونه ای می نویسیم که
گرافنی بازهم محدود می شود. این ناحیه در شکل 3 با هاشور نشان داده شده است .
در صفحه ی مختصات گرافنی برابر با 60 درجه است. j و i شکل 1- زاویه ی بین بردارهای یکه ی
١٨
با یکدیگر هم ارز هستند. C و 2 C شکل 2- دو بردار 1
برقرار است. m≥n شکل 3- در ناحیه هاشور خورده از صفحه ی مختصات گرافنی، شرط
راستای ) i را در نظر بگیریم، بردار انتخاب شده از راستای بردار یکه ی m ≥ n ≥ اگر یک بردار کایرال با شرط 0
باشد، زاویه n=m باشد، زاویه برابر با صفر درجه و اگر n= افق) می تواند از صفر تا ° 30 فاصله بگیرد. یعنی چنانچه 0
برابربا° 30 خواهدبود .
نانولوله های کربنی تک دیواره از لوله کردن صفحات گرافنی به دست می آیند. البته این گفته تنها برای درک ساختار
نانولوله هاست و در عمل، ساخت نانولوله ها با روش های پیچیده شیمیایی انجام می شود. در این روش ها، نانولوله با قرار گرفتن
تک به تک اتم های کربن در کنار هم ساخته می شود و نه از طریق لوله کردن یک صفحه ی گرافن واقعی! البته برعکس این
موضوع وجود دارد. یعنی دانشمندان به تازگی توانسته اند با استفاده از واکنش های شیمیایی، نانولوله های کربنی چند دیواره را
برش دهند و صفحات کوچک گرافنی را تولید کنند. البته تولید صفحات گرافن از نظر فنی کار بسیار دشواری است و این
دستآورد جدید دانشمندان، می تواند در زمینه ی نانوالکترونیک و نانوکامپوزیت تغییرات بسیار مهمی را ایجاد کند. این مواد با
دارا بودن خواص ویژه مکانیکی و الکترونیکی، کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف دارند .انتهای نانولوله های کربنی ممکن
است باز یا بسته باشند. انتهای بسته در واقع قسمتی از یک فولرن کربنی است. از این رو برخی دانشمندان، از نانولوله های
کربنی به عنوان فولرن های کشیده شده یاد می کنند. در اینجا از صفحات گرافن برای توضیح نانولوله های کربنی استفاده
١٩
می کنیم، بنابراین انتهای بسته ی آن ها را در نظر نمی گیریم.
برای تبدیل یک صفحه ی گرافن (غیر واقعی) به یک نانولوله، ابتدا باید جهت لوله کردن صفحه را مشخص کنیم. برای
را انتخاب کنیم. سپس این بردار را رسم می کنیم. اکنون صفحه ی گرافنی را به شکلی (m و n) این کار بردار کایرال مورد نظر
هستند، روی یکدیگر قرار بگیرند و بردار کایرال در نقش C که نقاط ابتدا و انتهای بردار (m وn) لوله می کنیم که نقاط ( 0و 0) و
محیط لوله ی به وجود آمده قرار بگیرد. به این ترتیب یک نانولوله ی کربنی (اما با ابعادی بسیار بسیار بزرگتر از نانومتر!) با
به دست می آید . (m وn) اندیس کایرال
الف) کوتاهترین مسیرهای مربوط به بردارهای کایرال
ب) واحد تکرار شونده برای بردار کایرال ( 4و 4) آرمچیر
پ) واحد تکرار شونده برای بردار کایرال ( 0و 8) زیگزاگ
ت) واحد تکرار شونده برای بردار کایرال ( 3و 6) نا متقارن
شکل 4- کوتاهترین مسیرهای مربوط به بردارهای کایرال و واحدهای تکرار شونده ی آن ها
٢٠
بردارهای کایرال در دسته های مختلف قرار می گیرند و بر همین اساس نانولوله ها نیز دسته بندی می شوند. یک صفحه ی گرافنی را
C-C در نظر بگیرید. برای حرکت از روی مبداء مختصات یا نقطه ی ( 0و 0) تا نقطه ی مقصد، باید از روی خطوطی که بیانگر پیوندهای
هستند، عبور کنیم. اکنون چند بردار کایرال رسم نموده و کوتاه ترین مسیر حرکت از مبداء تا انتهای آن را رسم کنید.
نمونه ای از این کار در شکل 4 رسم شده است. در این شکل کوتاهترین مسیر ممکن برای طی مسیر مربوط به هر بردار با رنگی
شبیه به همان بردار کشیده شده است. این مسیرها از واحدهای تکرار شونده ای تشکیل شده اند که در پایین شکل 4 دیده می شوند.
دقت کنید که هر بردار کایرالی که دو مولفه ی آن با هم برابر باشند، از واحدهای تکرار شونده ای مانند شکل 4-ب
تشکیل می شود. این بردارها در دسته ی بردارهای آرمچیر یا صندلی قرار می گیرند. این نام گذاری به خاطر شکل واحد تکرار
است. هر بردار کایرالی که یکی از مولفه های آن برابر با صفر باشد، مانند armchair، شونده است. نام انگلیسی این بردارها
بردار ( 0و 8) از واحدهای تکرار شونده ای مانند شکل 4-پ تشکیل می شوند. این بردارها در دسته ی بردارهای زیگزاگ قرار
است. هر برداری که در دو zigzag ، می گیرند. این نام گذاری به دلیل شکل ظاهری این واحدها است. نام انگلیسی این بردارها
دسته ی گفته شده قرار نگیرد را در دسته ی بردارهای نامتقارن دسته بندی می کنیم. دلیل این نام گذاری، عدم وجود تقارن در
است. در واقع "کایرال" نامی عام برای helical یا chiral ، نانولوله های متناظر با این بردار است. نام انگلیسی این بردارها
تمام بردارهاست که به طور خاص برای بردارهای نامتقارن نیز به کار می رود .
اکنون می توانیم انواع بردارهای کایرال را بکشیم و نانولوله های متناظر با آنها را بسازیم. شکل ظاهری این نانولوله ها با
هم متفاوت خواهد بود. در جدول 1، سه نوع نانولوله ی کربنی را مشاهده می کنید .در صورتی که به طرز قرار گرفتن
ردیف های اتم های کربن در راستای محوری و راستای شعاعی این نانولوله ها دقت کنید، متوجه اختلاف بین آن ها می شوید .
ببه یاد داشته باشید که بر اساس آنچه گفتیم، بردار کایرال شکل ظاهری نانولوله های کربنی را تعیین می کند.
نوع
نانولوله نامتقارن (کایرال) زیگزاگ صندلی (آرمچیر)
تصویر از درون
تصویر از بیرون
مولفه های کایرال m=n≠0 m≠0, n=0 m≠n
30° زاویه ی کایرال 0 􀀀30 > θ > 0
جدول 1- دسته بندی نانولوله ها بر اساس جهت لوله شدن صفحه ی گرافن
از آنجاییکه خواص نانولوله های کربنی تابع شکل ساختاری آنهاست، بردارهای کایرال نه تنها در تعیین شکل ساختاری
نانولوله ها، بلکه در تعیین خواص مربوط به آنها نیز اهمیت فراوانی دارد. برای مثال، خواص الکترونیکی و مکانیکی نانولوله های
کربنی متاثر از بردار کایرال آنهاست. علاوه بر این، تعداد دیواره ها و چگونگی وجود نقص ها در ساختار این مواد، در تعیین
خواص آنها نقش دارند. در مقالات آینده به این مباحث می پردازیم .
٢١
کایرالیتی، اثر انگشت نانولوله های کربنی
کایرال و کایرالیتی :
کایرال از لحاظ لغوی به معنای چیزی است که تصویر آن در آیینه بر خودش قابل انطباق نباشد. به شکل 1 نگاه کنید.
این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده است. الگویی که در این تصویر نشان داده شده است،
بیانگر یک طرح کایرال است. زیرا نمی توان برای آن مرکز تقارنی پیدا کرد .بنابراین صفحه ی تقارنی نیز برای این تصویر
وجود ندارد و در تعریف کایرال می گنجد.
شکل 1- تصویری از یک الگوی کایرال
از کلمه ی یونانی (chiral) غالبا به جای کلمه ی کایرال، کلمه ی نامتقارن نیز به کار می رود. کلمه ی کایرال
به معنای دست، به وجود آمده است. چرا که هر یک از دو دست ما، تصویر آیینه ای از دست دیگر ما cheir یا ceir
است (شکل 2). همان گونه که می توانیم برای بسیاری از مولکول های موجود در طبیعت، مولکول هایی را بیابیم (با
همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه ای آن ها باشند.
٢٢
شکل 2- همان گونه که مشاهده می کنید، دست ها و پاهای ما کایرال هستند .یعنی هر یک از آن ها تصویر آیینه ای دیگری است
به طوری که بر یک دیگر منطبق نیستند.
همان گونه که در شکل 3 مشاهده می کنید، مولکول آلانین دارای دو شکل است که به هر یک از آن ها
به کلمه ی s آلانین معروف هستند. در اینجا حرف (s)- آلانین و (r)- می گوییم. این دو به نام های " انانتیومر "
به معنای راست اشاره دارد. rectus به کلمه ی لاتین r به معنای چپ و sinister لاتین
شکل 3: کایرالیتی آمینو اسید آلانین، در شکل بالا با استفاده از تصویر دست ها، بر مفهوم کایرالیتی تاکید شده است.
٢٣
هنگامی که آلانین تحت شرایط معمولی در آزمایشگاه تولید می شود، مخلوطی از این دو انانتیومر به وجود می
هستند. در شرایط تولید نامتقارن، مقدار سنتز یکی از این دو نوع (r) و نیمی از نوع (s) آید که نیمی از آن ها از نوع
بیشتر خواهد بود. یکی از روش های رسیدن به این هدف استفاده از کاتالیزگرهاست. در سال 2001 میلادی،
دانشمندانی که روی این حوزه از شیمی کار کرده بودند، توانستند جایزه ی نوبل شیمی را از آن خود کنند. در عمل، در
حضور یک کاتالیزگر غیرکایرال، یکی از دو نوع آلانین بیشتر تولید می شود .
اهمیت این بحث در این است که عملگرهای سلول ها کایرال نیستند، یا به عبارتی عملگرها تنها پذیرای یک انانتیومر
هستند و نمی توانند مولکول با تقارن آیینه ای آن را بپذیرند. بنابراین برای این که یک ترکیب خاص شیمیایی مانند
یک دارو بتواند عملیات مورد نظر را در بدن انجام دهد، باید از یک انانتیومر خاص آن استفاده شود.
هم چنین دیده می شود که در برخی موارد برای انجام یک واکنش شیمیایی، یک نوع کاتالیزگر وجود دارد که
تنها می تواند یک انانتیومر را به خوبی کاتالیز کند. مانند این که ما نیاز داریم برای هر کدام از پاهای خود، یک کفش
مجزا داشته باشیم .بنابراین برای تضمین بالا بودن نرخ واکنش، نیاز است تا آن انانتیومر در مقایسه با انانتیومر دیگر، در
مقادیر بیشتری تولید شود. در شکل 4 این موضوع به شکل شماتیک نشان داده شده است.
شکل 4: دست های سمت راست، نشان دهنده ی کاتالیزگر و دست های سمت چپ نشان دهنده ی محصول واکنش هستند.
این دو در تصویر بالایی برهم کنش بهتری دارند. هنگامی که دو نفر به هم دست می دهند، دو دست راست بهتر در هم جفت
می شوند تا یک دست راست و یک دست چپ.
نکته ی قابل توجه این است که انانتیومر های مختلف می توانند رفتارها و خواص مختلفی داشته باشند و توانایی
تولید هر یک از آن ها به طور خالص از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، مولکول لایمونن را در نظر بگیرید.
لایمونن یک مولکول کایرال است که دو انانتیومر آن شباهت بسیاری به یک دیگر دارند.
٢٤
لایمونن بوی لیمو ایجاد می کند. (s) لایمونن بوی پرتقال و انانتیومر آن یعنی : (r) شکل 5
با این که در نگاه اول تمیز دادن شکل این دو انانتیومر از یک دیگر بسیار دشوار است، اما گیرنده های بینی ما
بسیار دقیق تر عمل می کنند، چراکه یکی از این دو انانتیومر بوی لیمو و دیگری بوی پرتقال را به مشام می رساند.
نانولوله های کربنی کایرال :
در مطالب قبلی با طرز تشکیل نانولوله های کربنی با استفاده از یک لایه ی گرافن آشنا شدید. هم چنین دانستید که هر
یک از این نانولوله های تک دیواره یک زاویه ی کایرال مختص به خود دارد. بنابراین می توانیم معیاری برای سنجش
مقدار کایرالیتی آن داشته باشیم. در جدول زیر شکل نانولوله را با توجه به زاویه ی کایرال و مولفه های کایرال آن
مشاهده می کنید.
نوع سوم نوع دوم نوع اول نوع نانولوله
تصویر نانولوله
اندیس کایرال (n وm) m≠0, n=0 m=n≠0 m≠n
θ 0 زاویه 􀀀30 􀀀30 > θ > 0
جدول 1: دسته های مختلف نانولوله های کربنی بر اساس کایرالیتی
مشاهده می شود که شکل ظاهری این سه نوع نانولوله ی کربنی تفاوت های زیادی با هم دارند. این تفاوت در
نوع چیده شدن اتم های کربنی در راستای محور مرکزی نانولوله و همچنین در محیط آن دیده می شود.
با توجه به تعریفی که از مولکول های کایرال ارائه شد، و با توجه به تصاویر بالا، مشخص می شود که تصاویر
آیینه ای نانولوله های نوع اول و نوع دوم بر خود آن ها منطبق است، اما در مورد نانولوله های نوع سوم این انطباق وجود
ندارد. بنابراین زوایای ° 0 و ° 30 زوایای خاصی هستند که نانولوله های متقارن ایجاد می کنند .
٢٥
تصویر آیینه ای تصویر اصلی نوع نانولوله
نوع اول
نوع دوم
نوع سوم
جدول 2: تصاویر آیینه ای انواع نانولوله های کربنی
با توجه به جدول بالا، مشخص است که تنها تصویر آیینه ای نانولوله ی نوع سوم بر خودش قابل انطباق نیست.
بنابراین به این مدل نانولوله ی کربنی، نانولوله ی کایرال یا هلیکال، و در معنای فارسی آن، نامتقارن می گوییم. با توجه
به شکل ظاهری نانولوله های نوع اول و دوم، آن ها را به ترتیب آرمچیر (معادل نوع صندلی) و زیگزاگ می نامیم .
٢٦
ویژگی های نانولوله های کربنی
در این مطلب صرف نظر از میزان کارآیی روش ها، تنها به کلیات روش ها اشاره
شده است و تنها به این نکته که این روش ها بالقوه امکان مطالعه ی خواص
نانولوله های کربنی را دارند، بسنده می کنیم. بدیهی است که در عمل، استفاده از
این روش ها از پیچیدگی های خاصی برخوردار است و با چالش های بسیاری روبرو
می شود. اشاره به این نکته لازم است که لازمه ی مطالعه ی این مقاله، صبر و حوصله ی خواننده است. همچنین توصیه
می شود برای درک بهتر این مطالب که چکیده ای از انبوه اطلاعات موجود در این زمینه می باشند، حتما به مراجع اشاره
شده در مقاله رجوع شود.
معرفی و طرح مسئله
همان گونه که می دانیم، نانولوله های کربنی موجودات بسیار کوچکی هستند که اگر آن ها را روی هم بریزیم، مانند یک
توده ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می آیند (شکل 1). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی توانیم
نانوله ها را به شکل مجزا بینیم. از طرفی این ها آن قدر کوچک هستند که نمی توان آن ها را با استفاده از دستگاه های
متداول نگه داشت. این سوال پیش می آید که با وجود این شرایط، چگونه می توانیم خواص این موجودات جالب را بررسی
کنیم؟
شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله های کربنی
برای روشن تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته ی خواص
مکانیکی قرار می گیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر
نیروهایی که آن را از دو طرف می کشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا
پلیمرها، نمونه ای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه می کنند (مثال هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می شود).
سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره هایی قرار می دهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور
کردن آن ها از یکدیگر وارد می شود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار می گیرد و در نهایت می شکند. از طریق
محاسبه ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می توان استحکام ماده را به دست آورد.
٢٧
شکل 2- نمونه های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده اند.
اما همان طور که تاکنون متوجه شده اید، قطر نانولوله های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط
ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال های اخیر، دانشمندان توانسته اند با استفاده از روش هایی، نانولوله ها را در یک
( محل مشخص قرار دهند و خواص آن ها را بررسی نمایند (شکل 3
راه های بررسی خواص نانولوله های کربنی
شبیه سازی 
مطمئنا در زمینه ی شبیه سازی مطالبی را مطالعه نموده اید. یکی از راه های بررسی خواص نانولوله های کربنی،
شبیه سازی می باشد. بسیاری از این شبیه سازی ها را می توان با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از
زبان های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش های مختلفی وجود دارد که برخی از آن ها را به شکل مقدماتی
بررسی می کنیم.
دینامیک مولکولی 
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی
می باشد. در این روش، اتم ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای
کوچک داریم، می دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن ها بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. برای مثال می توان
( فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند (شکل 4
شکل 3- یک نانولوله ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.
شکل 4- در مواد جامد، می توان فرض کرد که پیوند بین اتم ها مانند
یک فنر عمل می کند و آن ها را در یک فاصله ی مشخص تعادلی از
یکدیگر قرار می دهد.
٢٨
با نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آن ها در هر لحظه، می توانیم
حرکت تک تک آن ها را بررسی کنیم. به این ترتیب می توانیم با استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا
حدودی به ویژگی های دنیای نانومتری پی ببریم.
روش المان محدود 
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می باشد، می توانیم پیوندهای بین اتم های کربن را به عنوان
در انگلیسی می باشد) در نظر بگیریم و beam می گویند که معادل واژه ی " تیر " میله هایی (در اصطلاح به آن
اتم های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن ها بازی می کنند.
به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله های کربنی پدید می آید. ابتدا
باید ویژگی های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی های
انواع میله ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می شناسند
و می توانند با بررسی های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون
ساختار نانولوله مانند یک سازه ی مهندسی، برای بررسی آماده است
(شکل 5) و می توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را
بررسی کرد.
روش های دیگر 
روش های مختلفی برای شبیه سازی وجود دارند که برخی از آن ها بر پایه ی اصول بسیار پیچیده ی فیزیکی استوار
هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می توان روابط بین اتم های کربن را در نانولوله و همچنین
روابط بین اتم های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.
بررسی جداگانه ی نانولوله های کربنی
AFM همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته اند نانولوله های کربنی را بین دو کاوند یا نوک میکروسکوپ
قرار متصل کنند و با کشش آن ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند. همچنین برخی محققین در یک روش بسیار
جالب، نانولوله ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف
افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن
نانولوله، به محاسبه ی استحکام آن پرداختند.
بررسی کامپوزیت های حاوی نانولوله های کربنی
همان گونه که در مطالب قبلی در مورد کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت ها مطالعه نموده اید می توانیم برای به دست
آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله ی کربنی است. محققین
با درست کردن کامپوزیت های حاوی نانولوله ها و زمینه های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته اند به ویژگی های بسیار
جالبی دست پیدا کنند .
هنگامی که یک کامپوزیت تشکیل می شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده ی افزودنی
یا پر کننده) متفاوت است .برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن
اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه ی استحکام ماده ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در
صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می افتد .بنابراین می توان این افزایش خواص را به
شکل 5- تصویری از یک نانولوله ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان
محدود
٢٩
f حضور ماده ی افزودنی نسبت داد .برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می توان رابطه ی 1 را نوشت. در این رابطه
نیز به ترتیب نماینده ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه m وr ، c نمایانگر استحکام است. اندیس های σ نماد کسر حجمی و
می باشند.
هدایت حرارتی نانولوله های کربنی
یکی از مهمترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می شود، خواص حرارتی آن
ماده است. خواص حرارتی نانولوله های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه های مختلف
فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و
شباهت های بین آن ها، دانشمندان علاقه ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در
صورت وجود این ویژگی در نانولوله های کربنی، می توان از آن به عنوان مکملی بر
ویژگی های مکانیکی و الکتریکی بی نظیر نانولوله ها یاد کرد.
دانشمندان در بررسی های تجربی و آزمایش های خود به نتایجی در زمینه ی هدایت
حرارتی نانولوله ها کربنی دست یافته اند. آن ها پیش بینی می کنند که نانولوله های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری
از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه گیری ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله ها به دست آوردند. یک
دسته، نانولوله های کربنی تک دیواره ای بودند که به صورت توده ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی
مجموعه ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله های کربنی چنددیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند.
W/mK رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از
200 را برای توده های نانولوله های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی ها، مقدار رسانایی حرارتی
به دست آمد .برای تلفیق خواص مواد مختلف و W/mK نانولوله های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از 300
بهبود ویژگی های محصولات، می توان از کامپوزیت ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت ها استفاده نمود. طبق بررسی های
انجام شده، با افزودن تنها % 1 از نانولوله های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه
شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت های نانولوله های کربنی می توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده
شوند.
هدایت حرارتی نانولوله های کربنی از منظر تئوری
وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی
نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه های توده ای از نانولوله های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله های چند
دیواره می باشد .گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله های کربنی را با روش های محاسباتی اندازه گیری
کرده اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب
کلوین برای نانولوله های تک دیواره نشان می دهد.
رابطه ی 1
قانون اختلاط کامپوزیت ها
شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده
برای یک نانولوله ی کربنی تک دیواره در دماهای
مختلف
٣٠
نشان داده شده است. از آنجایی که این کمیت در دماهای مختلف، مقادیر λ در این شکل مقدار رسانایی با
نشان داده ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی λ(T) مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل
می رسد W/mK به یک مقدار بیشینه برابر با 37000 K در نزدیکی دمای 100 λ(T) دما، مشاهده می شود که مقدار
λ(T) (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می یابد. بیشترین مقدار
که تاکنون در بررسی های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه ی الماس خاص می باشد که در دمای
نانولوله ی کربنی در λ(T) 41000 است. بنابراین مقدار W/mk 104 اندازه گیری شده است. این مقدار برابر با K
که تاکنون اندازه گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار λ(T) بیشینه اش با بیشترین مقدار
شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن
(نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت( نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده ی تغییرات میزان هدایت بر
اساس دما برای گرافیت می باشد که با دقت بیشتری نسبت به نمودار اصلی رسم شده است. به تفاوت مقیاس اعداد روی محور
عمودی نمودار داخلی و نمودار اصلی دقت نمایید.
6600 می باشد، این W/mK ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله ی کربنی بسیار بالا و برابر با
مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در
نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی
یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم خوانی باشد .
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله های کربنی می توانیم مقایسه ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله ها و دیگر
مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده ی مقایسه ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده
برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه
که مشاهده می شود، رسانایی حرارتی تک لایه ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار
270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می باشد، این اختلاف در K رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از
270 بسیار بیشتر می شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه ی دیگر K دماهای پایین تر از
دارد .
همانطور که می دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه های گرافن ساخته می شود. بنابراین بین
٣١
لایه های گرافن، برهم کنش هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم کنش های بین لایه ای، مقدار هدایت
حرارتی را به شدت کاهش می دهد. به نظر می رسد همین اتفاق در مورد دسته های نانولوله های کربنی رخ خواهد داد و
مقدار هدایت حرارتی دسته های نانولوله های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله ها کمتر باشد.
هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی :
گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته هایی از نانولوله های تک دیواره را تولید کردند که به
مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه گیری نمودند.
در نمونه هایی که قرارگیری نانولوله ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود 35
اندازه گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله ها در چنین نمونه ای به شدت در هم پیچ خورده اند، و مسیری که W/mK
انتقال حرارت در آن رخ می دهد به مقدار قابل توجهی طولانی تر از فاصله ی مستقیم بین نقاط است .برای کاهش
دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می توان نانولوله ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه ها،
200 می باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در W/mK هدایت حرارتی بالاتر از مقدار
همین دسته های منظم از نانولوله ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می گذارند. برای
مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال هایی که در بین نانولوله های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار
محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در
اینجا برای دسته های نانولوله ها به دست آمد.
هدایت حرارتی :
انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی
است. دانشمندان نظریه های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح
می کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه های کاملا متفاوتی بوده و عده ای برای تولید موادی با
هدایت حرارتی بسیار بالا و عده ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش
می کنند. هر یک از این مواد می تواند کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف داشته باشد .
امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت ها، ایده های
زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده اند.
رسانایی حرارتی بالای نانولوله های کربنی می تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند
تخلیه ی حرارت پردازنده های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی.
امروزه برای خنک کردن پردازنده های رایانه ای بعضا از سامانه های مختلفی از قبیل سامانه های آب گرد استفاده می شود.
اما ایده ای که مدت هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت
تخلیه ی حرارتی بالایی داشته باشند.
نانولوله های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت ها
-1 کامپوزیت های زمینه ی پلیمری
گروه های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت های اپوکسی / نانولوله ی کربنی را بررسی کرده اند. اپوکسی دسته ای از
مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه
قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله های کربنی را داخل زمینه ی اپوکسی پراکنده
کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله ی کربنی را بسازند. آن ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با
نانولوله را اندازه گیری کرده اند و پس از مطالعه ی نتایج آزمایش هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله های
٣٢
کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این
دانشمندان هم چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایسه ای را بین
نانولوله های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین
اپوکسی مشاهده می کنید.
شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف
افزودن 1% وزنی نانولوله ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می کند در حالی که همین مقدار از الیاف
کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40 % افزایش می دهد. بنابراین نانولوله های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص
حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه ی کامپوزیت ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.
-2 کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی
که روی (Al2O را از روی بستری از نانوذرات آلومینا ( 3 (C2H گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن ( 2
یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله های CVD سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه ی فرآیند
کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده
آلومینا / نانولوله ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی Al2O3/CNT) کردند و نانوکامپوزیت
نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نتایج اندازه گیری های این محققین در شکل 2 نشان داده شده است. در این
نمودار نتایج آزمایش های انجام گرفته بر روی آلومینای خالص نیز گزارش شده است تا بتوان مقایسه ی قابل درکی از دو
ماده ی تقویت شده با نانولوله کربنی و تقویت نشده انجام داد. نکته ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است
که برای داشتن مقایسه ای قابل قبول میان دو ماده ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش
ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده ی حاصل تاثیر
می گذارند و دیگر نمی توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب های دو ماده ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین
نتایج قابل استناد نخواهند بود .
٣٣
شکل 2- تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله ی کربنی و برای آلومینای خالص که
هر دو به یک روش تولید شده اند.
در اینجا مشاهده می شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می باشد. برای
39 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه ی سانتی گراد معادل / مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 7
90/44 میرباشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227 % افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 W/mk با
60/98 بوده که 169 % رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در W/mk درجه ی سانتی گراد برابر با
63 می رسد. /.52 W/mk دمای 300 درجه ی سانتی گراد، با 218 % رشد نسبت به آلومینای خالص، به
اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی نظیر نانولوله های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را
در کامپوزیت بررسی کنند. همان گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله های کربنی به دیگر مواد می تواند بهبود
چشمگیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت ها نمود پیدا نمی کند
چالش های موجود در صنعت میکروالکترونیک توانایی های نانولوله های
کربنی در حل این معضل :
در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین
دو قطعه ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا
موضوع اصلی این کاربری را مطرح می کنیم .اتلاف حرارتی اساسی ترین مشکلی است که
کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می سازد. در این ادوات،
فاصله ای بین منبع تولید کننده ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن
به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده ای که وظیفه ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد.
از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده ی تخلیه
کننده ی حرارت قرار دارد .برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده ی زیر را مطالعه کنید.
٣٤
مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده ای گرم را در دستان خود
بگیریم. می توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته اید.
در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن
فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می کنید، اما اگر در
دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می کنید و در نتیجه داغی
جسم از روی دست شما برطرف می شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از
جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت
که در این حالت مقدار همبستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در
نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت
حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.
با توجه به مشاهده ی بالا و مطالب بیان شده می توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت
تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله ی بین منبع حرارتی و ماده ی تخلیه کننده ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی
حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می شود. از آنجایی
که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه ای در قسمت های بر آمده و
همچنین بسته های هوایی (که به آن ها گاف هوایی می گوییم) در قسمت هایی که از یکدیگر دور هستند، می باشد (شکل
1).کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف های هوایی عبور کنند.
همان گونه که می دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده ی دیگر جایگزین کنیم.
شکل 1- نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ تر
از اندازه های واقعی رسم شده است.
موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه ی
موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله ی زیر می باشد:
1. انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
2. نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
3. انتقال حرارت درون تخلیه کننده ی گرما (درون ماده)
4. انتقال حرارت از تخلیه کننده ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)
٣٥
هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی های خاص خود را دارد. از جمله این که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل
بسته به عوامل مختلفی تعیین می شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور
مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون
می شوند. بنابراین مرحله ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار
خواهد داد.
بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در
برآمدگی های سطح و همچنین گاف های پر شده از هوا صورت می گیرد. در واقع مرحله ی محدود کننده ی سرعت
(انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده ی گرما)، همان مرحله ای است که گرما باید از طریق
گاف ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی که این مرحله بسیار کند است، باید ماده ای را
در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت
بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.
اکنون به تحقیق صورت گرفته می پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند .آلومینیوم و
گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده ی مورد نظر
روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله ی کربنی قرار داده شد. حالت اول
برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2
می بینید .
شکل 2 شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم
نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.
هدایت حرارتی نمونه ی مورد بررسی
(W/mk)
در
صد بهبود
95/73 قطعه ی آلومینیومی –
8/956 دو قطعه ی آلومینیومی در تماس مستقیم با یک دیگر –
دو قطعه ی آلومینیومی با وجود نانولوله های کربنی در
فصل مشترک آن ها 43/457 38
5/16
102/066 قطعه ی گرافیتی –
13/475 دو قطعه ی گرافیتی در تماس مستقیم با یک دیگر –
دو قطعه ی گرافیتی با وجود نانولوله های کربنی در
فصل مشترک آن ها 62/278 36
2/79
همان گونه که دیده می شود، بدون در نظر گرفتن ماده ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان
گاف های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می شوند. با در نظر گرفتن ماده ای مناسب مانند نانولوله های کربنی،
. می توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد 2
٣٦
نانو تیوپهای کربنی و روشهای ساخت آنها
نانو تیوپهای (نانو تیوب) کربنی :
است .نانو تیوبها صفحاتی از Nanotube کشف ، Nanotechnology یکی از اکتشافات بزرگ مربوط به
اتمهای کربن هستند که درون قسمتی غلطک مانند حرکت می کنند ودر ظاهر شبیه توریهای سیمی هستند که بر
لوله کربنی تو خالی است . نانو تیوب های کربنی از . Carbon Nanotube روی یک سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد
Laserr ablation وTCVD ، منابع کربنی مانند گرافیت یا گازهای هیدروکربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الکتریکی
700-1000 ) ، استحکام زیاد (حدودا 50 m2/gr) ساخته می شوند . این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد
برابر فولاد) و خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی استثنایی موارد کاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیست ،
تقویت مکانیکی پلیمرها و کمپوزیت ها و ساخت قطعات الکترونیکی دارند .آنها 10 برابر از فولاد محکمتر ند در حالیکه
وزنشان یک ششم وزن فولاد است. این امتیاز باعث شده است که آنها اولین انتخاب برای ساختن پلها، هواپیماها وحتی سفینه
های فضایی باشند. تنها مشکل این است که بزرگترین نانو تیوبی که در آزمایشگاه ساخته می شود تنها چند میلینتر است. اما
این مسئله باعث شده که درمورد ماشینهای کوچک ، نانو تیوب ها ی کربنی ایده آل باشند. یکی از مشکلاتی که بر کیفیت
تاثیر منفی می گذارد ساییدگی قسمتهای بسیار کوچک آنهاست که در هر ثانیه هزاران بار اتفاق می افتد. اما در MEMS ابزار
یاتاقانهای ساخته شده از نانو تیوبها تقریبا هیچ گونه اصطحکاکی وجود ندارد.وامتیازمهم این است که نانو تیوبها در هر دو
حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واین ویژگی موجب استفاده آنها در وسایل مختلف الکتریکی شده است. نانو تیوبها دو نوع
هستند : نانو تیوبهای چند دیواره ای و تک دیواره ای که به ترتیب در سال 1991 و 1993 کشف شدند. نوع چند دیواره ای از
الیاف گرافیتی ساخته می شود در حالی که نانو تیوبهای تک دیواره ای از الیاف فولرن کشیده شده تشکیل شده اند . از زمان
کشف این مواد کاربرد های مختلفی پیشنهاد شده است که از آن جمله می توان استفاده از نوع چند دیواره ای را در نوک
ای . اف . ام حامل و در مورد نوع تک دیواره به منظور استفاده در وسایل الکترونیکی یا به عنوان محیط مناسب جهت ذخیره
هیدروژن اشاره نمود . نانو تیوبهای تک دیواره از دیواره های استوانه ای گرافن به قطر 1 تا 2 نانومتر تشکیل شده است . نوع
چند دیواره ای ,دیواره های ضخیم تری دارد و از چندین استوانه هم محور گرافن که با فاصله 34 نانومتر (در حد فاصله لایه
های گرافیت) از هم جدا شده اند ,تشکیل گردیده است . قطر خارجی نانو تیوب چند دیواره ای 2 تا 25 نانومتر و سوراخ
داخلی آن در محدوده 1 تا 8 نانومتر قرار دارد و ما بین لایه های منفرد گرافیت هیچگونه نظم سه بعدی وجود ندارد . طول
متوسط نانو تیوب می تواند چندین میکرون باشد .
و به صورت کاملا اتفاقی در هنگام مطالعه سطوح " سومیو ایجیما " اولین بار نانو تیوبها در سال 1991 توسط
الکترودهای کربن در هنگام تخلیه قوس الکتریکی کشف شد.
روشهای تولید نانو تیوب کربنی :
بود ،آزمایشی به وقوع NEC در سال 1991 توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما که متخصص میکروسکوپ آزمایشگاه
پیوست که تا به حال سهم به سزاعی در توسعه نانو تکنولوژی داشته است. وی که به دستکاری وتغییر روش های ارائه شده
توسط محققین موسسه ی فیزیک هسته ای ماکس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الکترد گرافیت را به جای اتصال
در فاصله کمی از یکدیگر قرار داد وبین آنها قوس الکتریکی برقرار کرد. این آزمایش سبب شد که وی به طور کاملا اتفاقی نانو
تیوب های کربنی را کشف کند. اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به دلیل خواص مکانیکی والکتریکی جالب ومتنوع آنها
ست .پیش بینی می شود که این مواد بتوانند در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به کار روند. دو نوع ساختار متفاوت
نانو تیوب کربن وجود دارد،که از بقیه اشکال آن تا حدودی متمایز است :
Single Wall -1 نانو لوله تک جداره
Multi Wall -2 نانو لوله چند جداره
٣٧
این دو مورد وخصوصا نوع تک جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به خود جلب کرده است.نانو لوله
تک جداره از یک ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به وجود آمده که دو سر آن به حالت کروی مسدود است.تفاوت
نوع چند جداره به وجود آمده که درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب کربنی تک جداره ،سه روش از
اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از :
Arc Discharge -1 قوس الکتریکی
(Chemical Vapor Deposition or CVD) -2 رسوب گذاری بخار شیمیایی
(Laser Vaporization) -3 تبخیر لیزری
روش قوس الکتریکی :
روش قوس الکتریکی همان روشی است که توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به کار برده شد،بااین وجود مقدار محصول به
وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست
آورد.و به همین دلیل پیش بینی میشود که در آینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به کار رود.در روش قوس
الکتریکی از دو الکترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله کمی از یکدیگر قرار می دهند به خاطر اینکه خلوص بدست
وهمکار انش در سال 1997 به دستکاری متد بکار رفته توسط ایجما Journet آمده در روش ایجیمیا بسیار پاییین بود
پرداختند وبا بهینه کردن پارامتر های تولید توانستند نانو لوله های تک دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .آنها از آند
گرافیتی با قطر 16 وطول 40 میلی متر وهمچنین الکترود دیگری با قطر 16 وطول 100 میل متر به عنوان کاتد استفاده
پرگردید. عمود بودن یا در امتداد هم قرار Ni,Y میان اند کاتالیست Single Wall کردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله
داشتن کاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد .
برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا کرده وسپس در فشاری پایین (معمولا بین 260 تا 360
از هلیوم ویا آرگون که گازهای بی اثر هستند پر کنیم .یکی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی (torr
پایداری قوس الکتریکی اعمال شده ونیز مقدار شدت جریان وولتاژ است که می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر
باشد دیگر اجباری در استفاده از کاتالیزگرها نداریم با Multi Wall باشد.در صورتی که محصول مورد نظر نانو تیوب های
اینکه محصول به دست آمده توسط روس قوس الکتریکی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش
توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شود. زیرا مقدارمحصول برای یک کار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه
آنچه مهم است خلوص محصول وکامل بودن ساختار آن است .که روش قوس الکتریکی تا حد زیادی این مشکل را بر طرف
میکند واما مشکل دیگردر روش قوس الکتریکی تکنیک خلا است که در بسیاری از آزمایشگاههای سطح پایین امکان آن وجود
ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون که هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده
است ولی این مورد تالثیر چندانی نداشته ومشکل بوجود آمده دیگر امکان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است .
میتواند ___________تاثیر DC پایداری قوس الکتریکی عامل مهمی در سنتز به شمار می آید با این وجود استفاده از یک منبع تغذیه ی
خوبی در سنتز داشته باشد وآزمایشات نشان داده است هر چند اندازه ی شدت جریان نسبت به اختلاف پتانسیل بیشتر باشد
شرائط بهتر است ولی رسیدن به چنین جریان هائی بسیار مشکل است .
Magnetic Field روش
یکی از موضوعات وپارامترهای مهم برای پژوهشگرانی که می خواهند از نانو لوله ها استفاده کنند خلوص محصول است
وهمچنین اینکه در سطح مقدار بیشتری نانو لوله قرار گرفته باشد، تا بتوانند آزمایشهای کیفی خود را با دقت بالاتری انجام
دهند. در روش قوس الکتریکی هنگام ایجاد قوس در اطراف کاتد وآند به دلیل اختلاف پتانسیل وجریان، دما تا حد قابل
توجهی بالا می رود ،این مقدار به اندازه ای است که گرافیت (در حالت کلی کربن ) رو ی آند بخار شده وسپس روی کاتد می
نشیند.از آنجا که در اطراف کاتد وآند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز نیز اثر گذاشته ودمای آنرا افزایش می دهد.
٣٨
ودر نتیجه در اطراف محیطی نه به شکل گاز بلکه به شکل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است .
دلیل لیمکه پلاسما را حالت جدیدی از ماده می نامیم این است که از ترکیب یون های مثبت ومنفی اتم های خنثی بوجود
آمده است .با افزایش دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته
در حقیقت میزان بارهای آزاد افزایش می یابد .اما نکته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست .به وسیله میدان
مغناطیسی می توان پلاسما را در یک منطقه محصور کرد.این جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره طرف که در راکتور که در
راکتور گداخت گرمائی از آن استفاده میشود می تواند در سنتز نانو لوله ها بسیار موثر واقع شود. فرض کنید اطراف الکترود
های گرافیتی را با یک میدان مغناطیسی حاصل از چها رآهن ربا احاطه کنیم ،در این صورت وجود میدان سبب می شود
پلاسما ی وجود آمده به دیوارها برخورد نکند وفقط در محدوده ی گرافیتها دما افزایش می یابد که این امر باعث کمک به
تبخیر بهتر وسریعتر آند می شود ودر کل سنتز حالت بهتری به خود می گیرد.در این مورد دیگر جنس طرف اهمیت خاصی
ندارد .
: Under de-ionized Water روش
برخی از محققان در جهت تلاش برای حذف تکنیک خلا وهم چنین گازهای گران قیمت هلیوم وآرگون به روشهای جدیدی
دست یافته اند، از این موارد می توان به قرار دادن الکترودها در نیتروژن مایع اشاره کرد، که خود پر خطر است. آب چون یکی
از موادی است که به فور در طبیعت یافت میشود ،می تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد. البته آبی که در ساخت نانو لوله
یا یون زدوده است که از عبور جریان به مقدار زیادی جلوگیری می کند .این آب که de- ionized ها استفاده میشود،از نوع
معمولا در صنعت میکرو الکترونیک کاربرد زیادی دارد را می توان به راحتی با استفاده از دستگاههای (رزین)در آزمایشگاههای
شیمی بدست آورد ومعمولا نیروگاهها از این آب استفاده می کنند. خصوصیت جالب در مورد آب یون زدوده این است که
خاصیت عبور ندادن جریان در آن براحتی از دست نمی رود . سنتز در آب می تواند هزینه ی آزمایش را تا حد قابل توجهی
کاهش دهد، ولی مقدار ودرجه خلوص نانو تیوب های بوجود آمده د راین آزمایش بسیار پایین است خصوصا اینکه مقداری از
نانو لوله ها ممکن است در آب به صورت مخلوط وارد شود، که البته می توان با یک روکش گرافیتی از آن جلوگیری کرد.
شکل الکترود ها وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الکتریکی بسیار انعطاف پذیر است .تا کنون با آزمایشهائی که به وسیله
این روش صورت گرفته حتی در زمانهایی که از کاتالیز گرها استفاده شده است ، محصول از نوع چند جداره بوده واین خاصیت
. است 3 MWNTs آب در تشکیل نانو لوله های
٣٩
روش هاى شیمیایى تولید گرافن
گرافن به دلیل داشتن ویژگى هاى عالى مکانیکى، الکتریکى، دمایى، اُپتیکى، مساحت سطحى بسیار بالا، و امکان کنترل
تمام این ویژگى ها از طریق عامل دار کردن شیمیایى، مورد توجه دانشمندان قرار دارد . روش هاى مختلفى براى تولید
گرافن و مشتقات شیمیایى آن از گرافیت و مشتقاتش وجود دارد که هر یک مزایا و معایبى دارند .استفاده از سوسپانسیون
هاى کلوئیدى براى تولید مواد جدید متشکل از گرافن و مشتقات شیمیایى آنها را مرور خواهیم کرد .این راهکار، مقیاس
پذیر و انطباق پذیر بوده، در محدوده ى وسیعى از کاربردها قابل استفاده است.
در سا لهاى اخیر تحقیقات زیادى براى توسعه ى رو شهاى مختلف تولید گرافن صورت پذیرفته است .گرافن یک ماده ى
تک لایه از اتمهاى کربن است که در شبک هاى شش ضلعى به هم متصل شده اند. ویژگى هاى برجسته ى گرافن که
تاکنون گزارش شد ه اند عبارتند از : مدول یانگ بالا( حدود 1100 گیگاپاسکال)، مقاومت بالادربرابرشکست ( 125
5000 ) ، تحرک پذیرى بالاى حاملان بار یا به عبارت دیگر رسانایى W/mK) گیگاپاسکال)، رسانایى حرارتى خوب حدود
200000 )، مساحت سطحى ویژه ى بالا (مقدار محاسبه شده 2630 :متر مربع بر گرم) و پدید Vs/cm الکتریکى بالا ( 2
ههاى انتقالى شگف تانگیزى همچون اثرکوانتومى هال.
عبارت دیگر مشتقات شیمیایى گرافن گزین ههاى بسیار مناسبى (CMG) گرافن و گرافن تغییریافت هى شیمیایى یا به
براى کاربردهاى مختلفى همچون مواد ذخیره کننده ى انرژى، مواد شبه کاغذ،کامپوزیت هاى پلیمرى، ابزارهاى بلور مایع،
ونوسانگرهاى مکانیکى به شمار مى روند.
تاکنون در تولید گرافن از چهار روش مختلف استفاده مى شد
و رشدهم بافته؛ مثالى از این روش تجزیه ى اتیلن روى سطوحى از جنس (CVD) رسوب دهى بخار شیمیایى 
نیکل است .پس از این تلا شهاى اولیه(که در سال 1970 آغاز شد)جوامع علمى فعال در زمینه ى علم سطح،
کارهاى زیادى روى((گرافیت تک لایه)) انجام دادند؛
لایه لایه کردن میکرومکانیکى گرافیت؛ این روش که با نام(( نوار اسکاتلندى)) یا روش پوست کنى نیز معروف 
است،ادامه ى کارهاى قبلى در زمینه ى لایه لایه کردن میکرومکانیکى گرافیت الگو دهى شده بود؛
رشدهم بافته روى سطوح عایق الکتریکى؛ 
ایجاد سوسپانسیو نهاى کلوئیدى. 
لایه لایه کردن الکترو مکانیکى منجر به تولید مقادیر اندکى گرافن مى شود که می توانند در مطالعات بنیادى مورد استفاده
قرار بگیرند .به رغم آنکه استفاده از رسو ب دهى شیمیایى بخار روى بسترهاى فلزى به تولید فیل مهاى گرافنى بزرگ (تا
بدون CVD مساحت 1 سانتى متر مربع) یک یا چندلایه مى انجامد و امکان تولید مواد کربنى از نوع گرافن بااستفاده از
بهبودیافته ى پلاسمایى با استفاده از فرکانس رادیویى، پیرولیزآئروسلى، و سنتز دما حلالى را فراهم مى آورد ؛ CVD ، بستر
اما رشد تک لایه هاى گرافنى یکنواخت همچنان یک چالش در این زمینه محسوب مى شود.
از سوسپانسیو نهاى کلوئیدى ساخته شده از گرافیت، مشتقات گرافیت CMG در این مقاله ى مرورى تولید گرافن و
(همچون اکسید گرافیت) و ترکیبات حاوى گرافیت مورد بحث و بررسى قرار خواهد گفت .از جمله ویژگى هاى این روش
مى توان به مقیاس پذیرى، انطباق پذیرى و سازگارى آن با روشهاى عامل دار کردن شیمیایى اشاره کرد، همچنین استفاده
از آن، امکان تولید در مقیا سهاى بالا را نیز فراهم مى آورد .همه ى این ویژگى ها بدین معناست که مى توان از روش
در محدود هى وسیعى از کاربردها بهره برد. CMG سوسپانسیون کلوئیدى در تولید گرافن
تولید گرافن از اکسید گرافیت
Brodie از قرن نوزدهم که اکسید گرافیت براى اولین بار تهیه شد براى تولید این ماده عمدتاً از روش هاى
استفاده شده است .هر سه روش مذکور شامل اکسید کردن گرافیت در حضور اسید ها hummers و ، Staudenmeier ،
و اکسیدکننده هاى قوى است . سطح اکسیداسیون متناسب با روش مورد استفاده، مى تواند شرایط واکنش ، و گرافیت
٤٠
استفاده شده متفاوتى را داشته باشد . به رغم تحقیقات زیادى که براى روشن کردن ساختار اکسید گرافیت انجام شده است
، همچنان چندین مدل در مقالات مورد بحث قرار می گیرند.
13 ، مدل نشان داده شده در C 13 اکسید گرافیت و اکسید گرافیت برچسب دار با C NMR طیف سنجى حالت جامد
به شدت بر هم خورده، بخش sp 1 را ثابت می کند؛ به این صورت که شبکهى کربنى گرافیت با هیبریداسیون 2 a شکل
عمده اى از این شبکه به گروه هاى هیدروکسیل پیوند یافته و یا به صورت بخشى از گروه هاى اپوکسید درآمده اند.
شکل 1:اکسید گرافیت و گرافن
ساختار شیمیایى اکسید گرافیت؛ براى جلوگیرى از پیچیدگى تصویر، گروه هاى عاملى کوچک، گروه هاى کربوکسیلى و کربونیلى از لبه هاى این
از ورقه هاى اکسید گرافن لایه لایه؛ ضخامت هر یک از این لایه ها حدود 1 نانومتر است .خطوط افقى بخش AFM ساختار حذف شده اند؛ تصویر
هایى را نشان مى دهند که در سمت راست به تصویر کشیده شده اند .تصویرى از کاغذ اکسید گرافنى تاخورده را نشان مى دهد؛ تصویر
میکروسکوپ الکترونى روبشى از مقطع عرضى کاغذ اکسید گرافنى که یک ساختار لایه اى را نشان مى دهد.
تصور بر این است که در لبه هاى تک لایه هاى این ساختار جدید، قطعات کوچکى از گروه هاى کربوکسیل یا کربونیل نیز
13C حالت جامد اکسید گرافیت برچسب دار با NMR ایجاد شده اند .اینها نشان می دهند که باید با استفاده از طیف سنجى
همراه با( به عنوان مثال) تیتراسیون با نشانگرهاى فلورسانس کربوکسیلى و گروه هاى دیگر، کار بیشترى در این زمینه
صورت گیرد تا توزیع فضایى این گروه ها روى صفحات منفرد اکسید گرافن مشتق شده از اکسید گرافیت، روشن شود .در
ادامه بحث بیشترى در این مورد خواهیم داشت.
بنابراین اکسید گرافیت متشکل از ساختار لایه اى شکلى از جنس ورقه هاى اکسید گرافن است که بسیار آب دوست بوده،
مولکول هاى آب به راحتى مى توانند در بین این صفحات وارد شوند . با افزایش رطوبت نسبى، فاصله ى میان صفحات
اکسید گرافن به صورت برگشت پذیر از 6تا 12 آنگستروم افزایش مى یابد . شایان ذکر است که مى توان با استفاده از امواج
1) و به هم زدن شدید مخلوطى از اکسید گرافیت و آب به مدت طولانى، این ماده را کاملاً لایه لایه و B ماوراى صوت (شکل
یک مخلوط معلق کلوئیدى آبى از ورقه هاى اکسید گرافن تولید کرد . اندازه گیرى بار سطحى( پتانسیل زتا)ورقه هاى
اکسید گرافن نشان مى دهد که این صفحات درون آب داراى بار منفى هستند و به همین دلیل ممکن است دافعهى
٤١
الکتروستاتیک میان صفحات اکسید گرافنى که داراى بار منفى است، موجب ایجاد سوسپانسیون آبى پایدارى از آنها شود .در
دههى 1950 و 1960 کار بسیار زیادى روى این سوسپانسیون هاى کلوئیدى آبى صورت گرفت .احتمالاً این ورقه هاى
اکسید گرافنى ساختارى شبیه تک صفحات اکسید گرافیت داشته و مى توان با استفاده از واکنش هاى شیمیایى مطلوب،
را از آنها به دست آورد . (CMG) مشتقات شیمیایى دیگر گرافن
موجب ایجاد مواد کاغذ مانند پایدارى شده است که ساختار لایه اى دارند. (شکل CMG فیلتر کردن سوسپانسیون هاى
برای تولید فیلم هاى CMG 1). همچنین پیشرفت هاى زیادى در زمینه ى استفاده از سوسپانسیون همگن ورقه هاى c,d
نازک شفاف و رسانا صورت گرفته است.
ورقه هاى اکسید گرافن احیانشده
نویسندگان زیادى بیان کرده اند که تنها با استفاده از تابش امواج ماوراى صوت اکسید گرافیت مى توان سوسپانسیون
کلوئیدى همگنى از اکسید گرافن در آب یا حلال هاى آلى مختلف ایجاد کرد .اکسید گرافن آب دوست به راحتى در آب
پخش شده، سوسپانسیونى قهوه اى رنگ قهوه اى یا قهوه اى تیره اى را ایجاد مى کند( در جدول 1 فهرستى از حلال هاى
مورد استفاده، غلظت سوسپانسیون هاى کلوئیدى، ابعاد افقى و عمودى ورقه هاى اکسید گرافن، و نوع ماده ى اولیه ى
٤٢
(CMG) شکل 2:ورقه هاى اکسید گرافن تغییریافته شیمیایى
واکنش ورقه هاى اکسید گرافن با ایزوسیانات منجربه تشکیل گروه هاى عاملى کاربامات بیضى سمت چپ ) وآمید(بیضى سمت راست) مى شود؛ .a
تصویر میکروسکوپ الکترونى روبشى از ورقه هاى مجتمع اکسید گرافن که با استفاده از مونوهیدرات هیدرازین احیا شده اند ؛ .b
با نمک هاى SDBS احیا و عاملدار کردن حد واسط گرافن تغییریافته شیمیایى پیچیده شده در ، SDBS انجام واکنش روى گرافن پیچیده شده در .c
دى آزونیوم در دماى اتاق؛
و پاسخ آن به تهییج با استفاده از نور ماوراى بنفش. TiO هیبرید گرافن- 2 .d
مسیر شیمیایى تولید سوسپانسیون آبى از اکسید گرافن احیاشده . .e
( 1)اکسیداسیون گرافیت براى تولید اکسید گرافیت؛ ( 2 ) تولید اکسید گرافن از اکسید گرافیت در آب با استفاده از امواج ماوراى صوت؛ ( 3 )
احیاى کنترل شدهى اکسید گرافن با استفاده از هیدرازین که منجر به تولید سوسپانسیون کلوئیدى از ورقه هاى گرافن تغییریافتهى شیمیایى
رساناشده و به وسیله ى نیروى دافعهى الکتروستاتیکى پایدار مى شوند.
٤٣
استفاده شده آورده شده است) .پوسته پوسته شدن اکسیدگرافیت براى دستیابى به اکسید گرافن با استناد به ضخامت تک
ورقه هاى گرافن (ضخامت حدود 1 نانومتر روى بسترى مانند میکا) مورد تایید قرار گرفته است .ضخامت این ورقه ها با
استفاده از میکروسکوپ نیروى اتمى اندازه گیرى شده است.
0 میلى گرم بر میلى لیتر به طور مستقیم در حلال هاى قطبى همانند اتیلن / اکسید گرافن را مى توان با غلظتى حدود 5
پخش کرد، همچنین نشان داده شده است که تغییر شیمیایى ورقه هاى اکسید گرافن با THF و ،DMF ،NMP ، گلیکول
مولکول هاى آلى منجر به تولید سوسپانسیون هاى همگن در حلال هاى آلى مىشود .واکنش اکسید گرافن با گروه هاى
ایزوسیانات نیز ورقه هاى اکسید گرافن تغییر یافته با ایزوسیانات را ایجاد مىکند که در حلال هاى آلى قطبى به خوبى
پخش مى شوند.تصور بر این است که طى واکنش ایزوسیانات با گروه هاى هیدروکسیل و کربوکسیل، گروه هاى عاملى
کاربامات و آمید تولید مى شوند.
واکنش کوپل شدن آمیدى میان گروه کربوکسیلیک اسید اکسیدهاى گرافن و اُکتادسیل آمین (پس از فعال کردن گروه هاى
براى اتصال زنجیره هاى آلکیلى بلند به اکسید گرافن با بهره 20 درصد وزنى (COCl از طریق تبدیل آنها به 2 COOH
مورد استفاده قرار گرفته است .جالب این است که استفاده از فلوئورید گرافیت به عنوان ماده ى اولیه ى واکنش (به جاى
اکسید گرافن)و تغییر دادن آن با استفاده از واکنشگرهاى آلکیل لیتیوم، منجر به تولید ورقه هاى گرافن تغییر یافته با گروه
آلکیل شد که مى توانستند با استفاده ازماوراى صوت در حلال هاى آلى پخش شوند.
اکسید گرافن احیاشده
به رغم آنکه تغییر شیمیایى اکسید گرافن/گرافیت یا فلوئورید گرافیت، منجر به تولید سوسپانسیون هاى کلوئیدى همگن مى
شود؛ ترکیبات به دست آمده به دلیل بر هم خوردن شبکه ى گرافیتى، از نظر الکتریکى نارسانا هستند، همچنین احیاى
اکسید گرافن با استفاده از روش هاى شیمیایى( استفاده از ترکیبات احیا کننده اى همچون هیدرازین، دى متیل هیدرازین،
روش هاى حرارتى، و روش هایى که در آنها از تابش ماوراى بنفش استفاده مى شود، منجر به ، (NaBH هیدروکینون،و 4
های رساناى الکتریکى مى شود (فهرستى از ویژگى هاى الکتریکى مواد مبتنى بر گرافن که با استفاده از این CMG تولید
سوسپانسیون ها تولید شده اند، در جدول 2 آورده شده است). احیاى سوسپانسیون آبى اکسید گرافن با استفاده از
حالت سوسپانسیونى، منجر به تولید ورقه هاى مجتمع گرافنى شده، پس از خشک شدن، پودر سیاهى را pH هیدرازین در
حدود 10 )اکسید C/O 200 ). تجزیه ى عنصرى( نسبت S/m ایجاد مى کند که از نظر الکتریکى رساناست (رسانایى حدود
گرافن احیاشده با استفاده از روش احتراق، حضور مقادیر زیادى از اکسیژن را آشکار کرد که نشان مى دهد اکسید گرافن
احیاشده شبیه گرافن خالص نیست . محاسبات نظرى احیاى اکسیدگرافن(مدل مورد استفاده براى اکسید گرافن، حاوى
6 درصد (نسبت / گروه هاى هیدروکسیل و اپوکسید بود) نشان داد که احیاى سطح اکسید گرافن به میزان کمتر از 25
مى تواند از نظر حذف گروه هاى هیدروکسیل مشکل باشد. ( C/O اتمى 16 براى
احیاى شیمیایى با استفاده از دى متیل هیدازین یا هیدرازین در حضور پلیمر یا ماده ى فعال سطحى،منجر به تولید
هاى رساناى الکتریکى مى شود .احیاى سوسپانسیون آبى حاوى مخلوطى از ورقه هاى CMG سوسپانسیون هاى کلوئیدى از
اکسید گرافن و پلى( سدیم 4- استایرن سولفونات) سوسپانسیون آبى سیاه رنگى از ورقه هاى اکسید گرافن پوشیده شده با
پلیمر را تولید مى کند . احیاى اکسید گرافن تغییر یافته با ایزوسیانات در حضور پلى استایرن، سوسپانسیونى از ورقه هاى
تولید CMG ایجاد کرد که مى توان آنها را با متانول شکسته و کامپوزیتى حاوى ورقه هاى رساناى DMF اکسید گرافن را در
با (SDBS) کرد که به خوبى در آن پخش شده اند .احیاى اکسید گرافن پوشیده شده با سدیم دودسیل بنزن سولفونات
هاى CMG استفاده از هیدرازین ، و پس از آن ، تغییر شیمیایى آن با استفاده از نمک آریل دىآزونیوم، منجر به تولید
قابل NMP دى متیل استامید، و –  N,N، DMF شد که تا غلظت 1 میلى گرم در میلى لیتر در SDBS پوشیده شده با
پخش هستند.
تولید سوسپانسیون هاى کلوئیدى گرافن حاوى مولکول هاى آلى کوچک یا نانو ذرات نیز گزارش شده است .پژوهشگران
توانسته اند ورقه هاى اکسید گرافن احیاشده را با استفاده از پیرن بوتیریک اسید (یک مولکول آلى کوچک معروف با تمایل
٤٤
عامل دار نمایند .سوسپانسیون آبى اکسید گرافن با استفاده از ( π جذبى قوى به صفحه ى گرافیتى از طریق الکترون هاى
مى CMG هیدرازین و در حضور پیرن بوتیریک اسید احیا و منجر به تولید نوعى از سوسپانسیون کلوئیدى سیاه رنگى از
٤٥
0 میلى گرم بر میلى لیتر ). با فیلتر کردن این سوسپانسیون، / شود که به وسیله ى پیرن بوتیریک اسید جذب مى گردد ( 1
.(200 S/m) ماده ى کاغذمانندى به دست آمد که رسانایی الکتریکی متوسطی داشت
سوسپانسیونى -AuCl و پس از آن اضافه کردن 4 ، THF و اکسید گرافن تغییر یافته، با اُکتادسیل آمین در NaBH واکنش 4
0 میلى گرم بر میلى لیتر) . / از ورقه هاى اکسید گرافن تغییریافته با نانوذرات طلا را ایجاد کرد ( غلظت کمتر از 48
نانوذرات طلا (با قطر 5تا 11 نانومتر )به ورقه هاى گرافن تغییریافته وصل شدند .گرافن تغییریافته با نانوذرات دى اکسید
تیتانیوم نیز مطالعه شده اند؛
ازتابش ماوراى بنفش روى هیبرید اکسید گرافن/دى اکسید تیتانیوم در اتانول، براى احیاى ورقه هاى اکسید گرافن استفاده
در اتانول ایجاد مى شود که نانوذرات دى اکسید تیتانیوم به آنها CMG مى شود و سوسپانسیونى سیاه رنگ از ورقه هاى
به ورقه TiO به عنوان یک فتوکاتالیزور عمل کرده، فتوالکترون ها را از 2 TiO وصل شده بودند . فرض بر این است که 2
هاى اکسید گرافن منتقل مى کند .روش هاى اندکى براى ایجاد سوسپانسیون هاى کلوئیدى از ورقه هاى گرافن بدون
0 میلى گرم بر میلى لیتر ) / استفاده ازپایدارکننده ها یا مواد فعال سطحى گزارش شده است . تولید یک سوسپانسیون آبى( 5
نیز به وسیله ى محققان توصیف شده است . (pH= از ورقه هاى اکسید گرافن احیاشده تحت شرایط بازى( 10
اکسیدگرافن با استفاده از هیدرازین احیا و پس از آن هیدرازین اضافى با استفاده از دیالیز جدا شد . باور بر این است که در
گروه هاى کربوکسیلیک خنثى به گروه هاى کربوکسیلاتى که داراى بارمنفى هستند تبدیل شده اند، بنابراین ،pH= 10
زمانى که بخش هاى داخلى ورقه هاى اکسید گرافن با استفاده از هیدرازین احیا مى شوند، صفحاتى که داراى بار منفى
2 ). با فیلتر کردن این سوسپانسیون، مواد کاغذمانندى e هستند به صورت توده اى درنمى آیند (آگلومره نمى شوند)(شکل
.(7200S/m) حاصل شدند که پس از خشک شدن، رسانایى الکتریکى خوبى را از خود نشان دادند
در یک کار پژوهشى دیگر، یک سوسپانسیون آبى ( 7 میلى گرم بر میلى لیتر )از اکسیدهاى گرافن احیا شدهى جزئى، تولید
به وسیله ى هیدرازین در شرایط بازى صورت گرفت .دانشمندان KOH شدند .این کار با احیاى اکسید گرافن تغییریافته با
یک جفت یون تشکیل مى دهند . CMG و آنیون هاى کربوکسیلات در لبه هاى صفحات K+ بر این باورند که یون هاى
690 است. S/m رسانایى الکتریکى ماده ى کاغذمانندى که از خشک کردن این سوسپانسیون حاصل مى شود،حدود
در راهکار سوم، سوسپانسیون هاى مبتنى برگرافن با استفاده از یک واکنش سه مرحله اى تولید شدند:
NaBH 1)پیش احیاى اکسید گرافن با استفاده از 4 )
2)سولفوناسیون ___________به وسیلهى نمک آریل دى آزونیوم حاصل شده از سولفانیلیک اسید؛ )
3 تا 10 ) با استفاده از هیدرازین. pH 3)احیاى محلول گرافن سولفوناته( 2 میلى گرم بر میلى لیتر در )
را در مخلوطى از آب و حلال هاى آلى مشخص پخش کرد . CMG پس از مرحله ى احیاى نهایى، مى توان صفحات
با استفاده از گروه هاى سولفونیل به صورت کوالانسى عامل دار مى شوند .رسانایى CMG پیشنهاد شده است که ورقه هاى
الکتریکى فیلم هاى نازک ساخته شده از این سوسپانسیون روى یک اسلاید شیشه اى (پس ازخشک شدن در دماى 120
1250 گزارش شده است . S/m ( درجه ى سانتى گراد
به هم زدن ورقه هاى اکسید گرافن در هیدرازین بى آب ( 10 میلى لیتر به ازاى 15 میلى گرم اکسید گرافیت ) به مدت یک
هفته و در ظرف خشکى که پرنیتروژن است، منجر به تولید سوسپانسیونى از ورقه هاى اکسید گرافن احیاشده در هیدرازین
بى آب مى شود .ابعاد افقى برخى از این ورقه ها مى تواند به بزرگى 20 در 40 میلى متر باشد . بر اساس اندازه گیرى هاى
0 نانومتر است؛ بنابراین در این راهکار هیدرازین بى / به اندازه ى 6 SiO روى 2 CMG ضخامت این ورقه هاى ، AFM
آب هم به عنوان عامل احیاکننده ى اکسید گرافن، و هم به عنوان حلال پخش کننده عمل مى کند. ورقه هاى منفرد
را از خود نشان دادند . p به عنوان ترانزیستورهاى اثر زمینه مورد بررسى قرار گرفته، رفتار نوع CMG
عملیات حرارتى اکسید گرافیت روش دیگرى براى دستیابى به صفحات احیاشدهى این ماده است .گرم کردن سریع اکسید
گرافیت( بیش از 2000 درجهى سانتى گراد بر دقیقه ) تا 1050 درجهى سانتى گراد ضمن احیاى آن، باعث پوسته پوسته
شدنش و ایجاد یک پودر سیاه رنگ مى شود . محتواى اکسیژن پودر حاصله معادل محتواى ا کسیژن اکسید گرافن احیاشده
S/m با هیدرازین است و رسانایى الکتریکى آن در محدوده ى
٤٦
1000-2300 گزارش شده است .ورقه هاى گرافن احیاشده ى حرارتى را مى توان در حلال هاى آلى مختلف پخش کرده،
از سوسپانسیون کلوئیدى آنها در ساخت کامپوزیت هاى متشکل از اکسید گرافن احیاشده و پلیمر بهره برد.
تولید گرافن از مشتقات دیگر گرافیت
و گرافیت هاى بسط پذیر (graphite intercalation compound ) گرافیت، ترکیبات لایه دار گرافیت
نوع خاصى از ترکیبات لایه دار گرافیتى) به عنوان مادهى اولیه در ساخت سوسپانسیون هاى :expandable graphite)
کلوئیدى از ورقه هاى گرافن تک لایه اى مورد استفاده قرار گرفته اند . به شکل ایدهال، استفاده از گرافیت، ترکیبات لایه دار
گرافیت و گرافیت هاى بسط پذیر، امکان تولید سوسپانسیونى از ورقه هاى گرافنى با کیفیت بالا ( تقریباً گرافن خالص ) را
ایجاد مى کند . با استفاده از تابش ماوراى صوت پودر گرافیت، سوسپانسیون هاى کلوئیدى از ورقه هاى گرافن در حلال هاى
0 میلى گرم بر میلى لیتر) و بهرهى تولید تک لایه- / حاصل شده اند .اگر چه غلظت سوسپانسیون ( 01 ، NMP آلى همچون
هاى گرافنى( 1 تا 12 درصد ) بالا نیست؛ استفاده از این روش تولید، منجر به تولید گرافن هایى با کیفیت بالا شده اند .با
استفاده از مدلى که شامل انرژى سطحى گرافن و انرژى پیوستگى حلال بود، حلال هاى خوب براى ایجاد یک سوسپانسیون
کلوئیدى همگن دسته بندى شده اند .اندازه گیرى ویژگى هاى فیلم هاى نازک تولیدشده با استفاده از این ورقه ها( به عنوان
6500 با شفافیت نورى 42 درصد را نشان مى دهد .پس از خشک کردن کامل فیلم ها در 400 S/m مثال)رسانایى حدود
کاملاً حذف نشده، به میزان 7 درصد وزنى در فیلم باقى مى ماند. NMP درجهى سانتى گراد، حلال
که یک ترکیب گرافیتى لایه دار است ) ) K(THF)xC در کار تحقیقاتى دیگرى، با به هم زدن نمک پتاسیم سه تایى 24
یک سوسپانسیون کلوئیدى همگن از ورقه ها یا روبان هاى گرافن تولید شد . ضخامت اندازهگیر ى شده براى این NMP در
0 نانومتر بود که به فاصله ى میان صفحات / 0 تا 4 / ورقه ها یا روبان هاى گرافنى( به طول تقریبى 40 میلى متر) ، 35
0 نانومتر است، نزدیکتر بود .این اندازه گیرى ها با استفاده از میکروسکوپ تونلزنى روبشى روى / گرافیتى لایه دار که 335
یک بستر گرافیت پیرولیتى جهتدار و با استفاده از میکروسکوپ نیروى اتمى روى یک بستر از جنس میکا انجام شدند . این
سوسپانسیون ها نسبت به هوا حساس بودند؛ اماپس از خشکاندن از طریق چکاندن آنها روى یک سطح، فیلم ایجاد شده در
معرض هوا پایدار بود. استفاده از گرافیت بسطپذیر، منجر به ایجاد نوعى از ورقه هاى گرافن در یک حلال آلى مى شود که با
پلیمر پوشیده شدهاند .گرافیت بسطپذیر تجارى در دماى بالا( هزار درجهى سانتى گراد )و براى مدت کوتاهى( یک
– فنیل وینیلن-کو – 2 و 5 -m ) دقیقه)تحت عملیات حرارتى قرار گرفت، سپس ماده منبسط شده در محلولى از پلى
در دىکلرومتان در معرض تابش ماوراى صوت قرار گرفت و سوسپانسیونى (PmPV) ( فنیلن وینیلن -p – دیوکتوکسى
با ضخامت کمتر از 10 نانومتر) تک یا چند لایه ى نیمه رسانا با ) CMG 0/1 میلى گرم بر میلى لیتر ) از نانوروبان هاى )
پلیمر جذب شده ایجاد شد . راهکار دیگر، شامل مراحل زیر بود:
1)لایه لایه کردن از طریق حرارت دهى در هزار درجه ى سانتى گراد به مدت یک دقیقه؛ )
2)پرکردن مجدد میان لایه ها با اولئوم؛ )
(3a 3)انبساط با تترابوتیل آلومینیوم هیدروکسید (شکل )
.DMF 4)تابش ماوراى صوت در )
[ -N- گلیسرو – 3-فسفواتانول آمین -sn- سوسپانسیون نهایى شامل ورقه هاى گرافن پوشیده شده با 1و 2- دى استئاروئیل
بود که بنا بر اندازه گیرى هاى انجام شده mPEG DSPE- ، متوکسى( پلى اتیلن گلیکول)- 5000 ،[یا به عبارتى دیگر
بودند . تولید سوسپانسیونى از CMG 90 درصد ورقه هاى این سوسپانسیون به صورت ورقه هاى منفرد ، AFM به وسیله ى
ورقه هاى گرافنى پوشیده شده با مولکول آلى با استفاده از گرافیت بسط پذیر گزارش شده است .گرافیت بسط پذیر سریعاً تا
دماى هزار درجه ى سانتى گراد به مدت یک دقیقه حرارت داده مى شود و گرافیت منبسط شدهى به دست آمده با
مخلوط شد . (DMSO) در حضور چندین قطره دى متیل سولفوکساید (TNCQ) 7و 7و 8و 8- تتراسیانوکوئینودى متان
پس از آن از طریق تابش ماوراى صوت به مخلوط خشک شده، سوسپانسیون ( 15 تا 20 میلى گرم بر میلى لیتر ) سیاه رنگى
در آب حاصل شد . محققان بر این باورند که آنیون TCNQ از ورقه هاى گرافن یک یا چندلایه پوشیده شده با
٤٧
روى ورقه هاى گرافن جذب شده، آنها را در آب پایدار مى کنند . ورقه هاى گرافن پایدارشده با استفاده از TCNQ هاى
نیز پخش مى شوند . از عملیات الکتروشیمیایى گرافیت نیز در ( DMF و DMSO ) در حلالهاى بسیار قطبى TCNQ
استفاده شده است . میله هاى تجارى گرافیتى به عنوان الکترود آند و کاتد CMG تولید سوسپانسیون کلوئیدى از ورقه هاى
3 ).پس از اعمال اختلاف قابلیتى b در مخلوط دوفازى از آب و مایع یونى مبتنى بر ایمیدازولیوم غوطه ور شدند( شکل
معادل 10 تا 20 ولت، ورقه هاى گرافنى عامل دارشده به وسیلهى مایع یونى که از آند گرافیتى نشات گرفته اند در ظرف
خشک شده را دوباره در حلال هاى قطبى غیر پروتونى به CMG رسوب مى کنند . پس از تابش ماوراى صوت مى توان
ایجادشده از یک سوسپانسیون CMG حالت سوسپانسیونى درآورد ( 1میلى گرم بر میلى لیتر ).ضخامت متوسط ورقه هاى
1 نانومتر را نشان مى دهد .پیشنهاد شده است که رادیکال / قابل اندازه گیرى است و عدد 1 AFM با استفاده از ،DMF
به π هاى ایمیدازولیوم که به صورت الکتروشیمیایى ایجاد شده اند با پیوندهاى کووالانسى و از طریق شکستن پیوندهاى
ورقه هاى گرافن متصل مى شوند.
چالش هاى موجود و چشم انداز پیش رو
نیز از این منظر CMG سوسپانسیون هاى کلوئیدى در تهیه ى بسیارى از مواد اهمیت بالایى دارند، سوسپانسیون هاى
بسیار نویدبخش هستند . مشکلات موجود در زمینه ى استفاده ى وسیع از این سوسپانسیون ها عبارتند از : مقیاس پذیرى
(بهره، کمیت، هزینه، … )، بى خطر بودن حلال هاى مورد استفاده و جدا کردن باقى مانده ى حلال ها و پایدارسازهاى
مورد استفاده در کلوئید از محصول نهایى . تاکید بر این نکته ضرورى است که اگر چه سوسپانسیون هاى کلوئیدى را زمانى
ها تا زمانى ممکن است CMG مى توان پایدار دانست که به مدت بسیار طولانى مقاوم بوده، از بین نروند، سوسپانسیون
پایدار به حساب آیند که فراورى و به چیز دیگرى تبدیل شوند.
و سازوکار واکنش هاى آنها مربوط است .هر قدر دانش CMG مشکل اصلى دیگر به درک ما از ساختار شیمیایى ورقه هاى
ما از شیمى این مواد بیشتر باشد، ساخت کامپوزیت ها، فیلم هاى نازک، مواد کاغذمانند و دیگر ساختارهاى مبتنى بر این
ها، به توانایى ما در تنظیم شیمیایى این مواد براى CMG مواد، بهتر صورت مى گیرد؛ مثلاً ساخت حسگرهاى مبتنى بر
حسگرى هاى مختلف بستگى دارد.
تاکنون گرافن هایى که از طریق احیاى اکسید گرافن ساخته مى شوند، حاوى مقادیر بالایى اکسیژن و احتمالاً نقایص
ساختارى بوده اند .آنیلینگ حرارتى ورقه هاى اکسید گرافن، نتایج امیدوارکننده اى داشته است و دانشمندان علاقه ى زیادى
گرافن خالص دارند (شاید گرافن هاى تولیدشده از گرافیت هاى میان sp به یافتن راه هایى براى بازیابى شبکه ى کربنى 2
لایه اى و بسط پذیر داراى نقایص ساختارى کمترى باشند؛ اما بهرهى تولید پایین ترى داشته، نسبت به گرافن هاى ساخته
شده از اکسید گرافن، قابلیت کمترى را براى عامل دار شدن دارند) . ما در نهایت توسعه ى مسیرهاى واکنشى و مواد اولیه
ى دیگرى را پیشنهاد مى کنیم . میزان کل گرافیت طبیعى در دنیا، 800 میلیون تن تخمین زده مى شود .اگر بتوان گرافن
و مواد اولیه مختلف تولید کرد، CVD یا صفحات بسیار نازکى از گرافن چندلایه را در مقیاس وسیع و با استفاده از روش
شاید بتوان مسیرهاى جدیدى را نیز براى ایجاد سوسپانسیون هاى کلوئیدى یافت و منبع تهیه ى گرافن/گرافن چندلایه تا
حد بسیار زیادى افزایش یابد. 4
٤٨
فصل دوم
کاربرد گرافن
٤٩
گرافن ، ماده ای که دنیا را دگرگون می کند
یادآوری مجدد و کاربردهای اجمالی :
گرافن ماده ایست با پایه کربنی که انقلابی بزرگ در عرصه تکنولوژی ایجاد خواهد کرد و دنیای آینده را هر چه باهوش
تر ، سریعتر و دقیقتر می کند . گرافن از یک لایه اتم کربن مسطح ساخته شده و شبکه ای به شکل کندوی عسل ایجاد می
کند .گرافن لایه ای از گرافیت است که بصورت بسیار نازک با ضخامتی در حد چند دهم نانومتر از آن جدا می شود .
اولین بار در سال 1947 فیلیپ والاس درباره آن مطالبی نوشت و پس از آن تلاش هایِ زیادی برای ساخت آن صورت
دو دانشمند از دانشگاه منچستر موفقیتهایی در Novoselov Konstantin و Andre Geim، گرفت .در سال 2004
ساخت این ماده بدست آوردند . این دانشمندان توانستند لایه ای کربنی به ضخامت یک اتم تولید کنند که دارای قدرت
رسانای الکتریکی بسیار قوی بوده و ماده خوبی بعنوان نیمه رسانا برای ساخت ترانزیستور ها محسوب می شد . در نهایت در
سال 2010 جایزه نوبل فیزیک بدلیل ساخت گرافن دو بعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت .امروزه دانشمندان بر این باورند
که گرافن بدلیل دارا بودن پیوندهای هم ظرفیت بین اتم های کربن یکی از با استحکام ترین موادی است که تاکنون شناخته
شده است .
امروزه گرافن به یکی از موضوعات قابل بحث و تحقیق در زمینه علم فیزیک و علم مواد تبدیل شده است زیرا با دارا
بودن قابلیت های زیادی که در این ماده وجود دارد پیش بینی می شود در ساخت ابزارهای الکترونیکی جدید تحولی گسترده
ایجاد کند و بعنوان جایگزینی برای سیلیکون در قطعات الکترونیکی آینده مطرح باشد. با ساخت قطعه ای گرافن به شکل نوار
که ضخامت آن تنها 10 اتم است نسل جدیدی از حافظه های کامپیوتر به بازار عرضه خواهد شد . پیش بینی شده است که
این حافظه ی جدید قابلیت ذخیره ی حجم انبوهی از اطلاعات را خواهد داشت و کاربرد آن در انواع کامپیوترها ، تلفن های
همراه ، دوربین های دیجیتالیو دستگاه های صوتی-تصویری باعث تحولات گسترده در آنها خواهد شد .
گرافن دارای ویژگی های منحصر به فردی مانند اندازه نانومتری ، سختی و استحکام مکانیکی بسیار زیاد ، قدرت
رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا ، انعطاف پذیری و خاصیت مغناطیسی می باشد . بهمین دلیل این ماده کاربردهای
فراوانی خواهد داشت از جمله می توان کاربرد آن را در نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی ، ابزارهای ذخیره انرژیمثل باطری ها
و ابرخازن نام برد .
گرافن در تصویربرداری پزشکی، ساخت حسگرها و ابزار های امنیتیتحولی اساسی ایجاد خواهد کرد . ترانزیستورهای با
پایه گرافن در دماهای بسیار پایین و بسیار بالا نیز بخوبی کار می کند و مناسب برای محیط هاییمانند قطب و فضا خواهند بود .
یکی از کاربردهای گسترده ای که برای گرافن در نظر گرفته شده است کاربرد آن در ساخت سوئیچ های میکروویو
بسیار سریع است. این سوئیچ هابه طور گسترده ای در گوشی های موبایل و ابزارهای ارتباطات بی سیم ، اینترنت و رادار استفاده
می شوند.
گرافن بدلیل داشتن خواص کوانتومی برای ساخت ابزار الکرونیکی کوچک مناسب است . اندازه پیوند کربن کربن در
گرافن 0٫142 نانومتر است و فاصله ورقه های گرافن که از گرافیت جدا شده است 0٫335 نانومتر می باشد بعبارتی 3 میلیون
از ورقه گرافن تنها ضخامتی به اندازه یک میلیمتر خواهند داشت .
به دلیل آرایش اتمی خاص در گرافن این ماده دارای خاصیت رسانایی بالایست و برای استفاده در مدارها و دستگاه های
الکترونیکی بسیار مناسب می باشد .گرافن از لحاظ سختی بسیار شبیه الماس است بهمین جهت کاربرد های وسیعی برای آن
درنظر گرفته شده است بدلیل داشتن خواص الاستیکی و تحمل فشار زیاد ، پیش بینی می شود که تحول زیادی در صنعت
ایجاد کند .
کربن بدلیل داشتن ویژگی های خاص در بسیاری از ترکیبات مهم شیمیایی حضور دارد و بعنوان قطب مهمی در
ساخت و تولید فناوریهای گوناگون نقش مهمی ایفا می کند . هر اتم کربن دارای 4 الکترون آزاد است که می تواند با اتم های
کربن یا با عناصر دیگر پیوند برقرار کند . پیوند این اتم ها با عناصر گوناگون ترکیبات متفاوت با خواص گوناگون را ایجاد می
٥٠
کند . بعنوان نمونه 4 پیوند کوالانسی هر اتم کربن با اتم کربن دیگر منجر به تشکیل الماس می شود بعبارتی در الماس هر اتم
کربن از هر 4 ظرفیت خود برای پیوند با اتم کربن دیگر استفاده می کند .
در ساختار گرافن هر اتم کربن تنها از سه ظرفیت پیوندی خود استفاده کرده و با سه اتم کربن دیگر پیوند کوالانسی
برقرار می کند در نتیجه یک پیوند آزاد باقی خواهد ماند چهارمین پیوند را پیوند واندروالسی می نامند که پیوندی ضعیف
است . این پیوند آزاد یا معلق می تواند به اتم های دیگری که دارای پیوند آزاد باشند متصل شود ، در گرافن این پیوند آزاد به
اتمهای هیدروژن متصل می شود . چگونگی پیوند بین اتمها از موارد مهمی است که در خصوصیات مواد تاثیر گذار است .
نرم بودن گرافیت یا مغز مداد بدلیل پیوند واندروالس بین اتمهای کربن است از طرفی آنچه که لایه های گرافن را روی
یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آنهاست ، این پیوند بسیار ضعیف است . بنابراین لایه های گرافن به راحتی
می توانند روی هم بلغزند .
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن تشکیل می شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن
دیگر و یک اتم هیدروژن پیوند دارد . سه پیوند کربن با زوایای مساوی 120 درجه نسبت به هم قرار می گیرد و در ایده ال
ترین حالت یک شش ضلعی منتظم را ایجاد میکنند ولی در برخی مواقع شکل قرار گیری اتمها به حالت پنج ضلعی یا
هفت ضلعی تغییر می یابد که خود در خواص آن تاثیر خواهد داشت .
گرافن از جداسازی یک لایه تک اتمی از گرافیت بدست می آید سپس لایه مذکور را روی ویفر سیلیکونی که قطر
حفره های آن 1 میکرو متر است قرار می دهند . گرافنی که به شکل استوانه ای کوچک در می آید را نانولوله کربنی می نامند
،یک سمت این استوانه لایه ای به ضخامت یک اتم دارد ، انتهای نانولوله های کربنی ممکن است باز یا بسته باشد .
نانولولهاستوانه ا ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است ، طول هر نانولوله می تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر
باشد. اگر در راستای طول یک نانولوله لایه ای برداشته شود به این صفحه که لایه ای از کربن است گرافن می گویند .
گرافن و برخی نانولوله های کربنی که از یک لایه ی تک اتمی تشکیل شده اند ، رسانای جریان الکتریسیته خوبی
هستند البته این ویژگی بطور مستقیم به شکل ظاهری آنها نیز بستگی دارد .
گرافن استحکام بسیار زیادی دارد زیرا پیوند بین اتم های کربن بسیار محکم می باشد بهمین دلیل نانولولهای کربنی از
استحکام بسیار بالایی برخوردارند . در آزمایشگاه دانشمندان سختی و مقاومت گرافن را اندازه گیری کرده اند آنها به
نانولولهاستوانه یگرافن فشارهای گوناگونی وارد کردند . با محاسبه نیروی بازگشتی ، خاصیت الاستیکی آن را اندازه گیری
کردهو به این نتیجه رسیدند که سختی گرافن قابل مقایسه با موارد دیگر نیست و اعداد بدست آمده خارج از نمودارهای
استاندارد قرار دارد دلایل آن را هم پیوند کووالانس کربن اعلام کردند . ویژگی بارز پیوند کووالانس کربن-کربن باعث شده تا
فیبرهای کربن سختی و استحکام زیادی را تحمل کنند و انعطاف پذیر هم باشد . از این رو دانشمندان به این نتیجه رسیدند
که گرافن قویترین و سخت ترین ماده شناخته شده است . ماکزیمم فشاری که برشی عرضی از این ماده تحمل کرده است
معادل 42 نیوتن بر متر بوده که پیوند اتمهای آن از هم گسیخته نشده است .
ساخت نانولوله ها با روشهایی پیچیده ای در آزمایشگاههای مجهز انجام می گیرد در این روش از کنار هم گذاشتن تک
تک اتم های کربن نانولوله ساخته می شود ، روشی دیگر استفاده از واکنش های شیمیایی است .گرافن در مقایسه با سیلیکون
که امروزه در مدارهای الکتریکی بکار برده می شود دارای ویژگی های منحصر به فردی است . در سیلیکون کلید روشن و
خاموش عبور یا عدم عبور جریان بسیار دقیق عمل میکند، یعنی مقدار عبور جریان در حالت روشن، نسبت به حالت خاموش
بالاست ولی در گرافناین نسبت پایین استیعنی در وضعیت خاموش هم گرافن مقداری جریان را از خودش عبور میدهد
بعبارتی یک دهم جریان الکتریکی حتی در حالت خاموش نیز در آنها باقی می ماند. هنگامی که تعداد زیادی گرافن که جریان
الکتریکی در آنها قطع شده است و در حالت خاموش می باشند را کنار هم قرار دهند وضعیتی مانند حالت روشن ایجاد می
شود و گرمای بسیار ناچیزی هم تولید می کنند این مسئله از لحاظ تولیدات صنعتی بسیار حائز اهمیت است .
دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که اگر گرافن روی ماده ای قرار گیرد که بخشی از گرمای تولید شده در مدارهای
الکتریکی را بگیرد، ارتعاشات بلوری کاهش می یابد و تحرک پذیری الکترون ها و در نتیجه رسانش گرافن افزایش خواهد یافت
. البته با کاهش عرض لایه های گرافن تا ابعاد نانومتری این مسئله تا حد زیادی مرتفع می شود . دانشمندان توانستند
٥١
مولکولهای اسید نیتریک و سولفوریک را به روش شیمیایی در بین ساختار یک ذره کربنی قرار دهند ، سپس این سیستم را
با نرخ بالای حرارتی گرم کردند طی این گرمایش مولکولهای اسید بخار شده و ساختار ذره کربنی طی یک انفجار کوچک از
هم متلاشی میشود و گرافنی با طول چند میکرومتر و عرض کمتر از ده نانومتر به دست می آید که نسبت رسانش آن در حد
مطلوبی است .دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که تحرک پذیری و در نتیجه رسانش گرافن تک لایه ای به مراتب بیشتر از
آن چیزی است که تصور می شد اما بر خلاف انتظار ، تحرک پذیری الکترون ها در گرافن دو لایه ای نصف ورقه های تک لایه ای
گرافن است.رسانش الکتریکی در گرافن های دو لایه ای به دلیل وجود ناخالصی و نیز ارتعاشات اتمی کاهش می یابد.با استفاده از
یک یا دو لایه ورقه گرافن در یک ماده می تواند خواص جدیدی در آن ماده ایجاد کرد . برای استفاده از گرافن در دستگاه ها،
باید از یک یا دو لایه گرافن استفاده کرد به شکلی که قسمت های مختلف لایه ها از بستر قابل تفکیک باشد.
مطابق مطالعات انجام شده رسانش الکتریکی در گرافن های دو لایه ای به دلیل وجود ناخالصی و نیز ارتعاشات اتمی
کاهش می یابد. از آنجا که امکان استفاده از گرافن تک لایه در دستگاه های الکترونیکی وجود ندارد محققان به دنبال یافتن
راهی برای حل این مشکل هستند.به نظر آنها اگر بتوان گرافن را روی ماده ای قرار داد که بخشی از گرمای تولید شده در
مدارهای الکتریکی را بگیرد، ارتعاشات بلوری کاهش یافته و تحرک پذیری الکترون ها و در نتیجه رسانش گرافن افزایش
می یابد.بدلیل دارا بودن خواص رسانشی بسیار بالا در گرافن پیش بینی می شود که نسل آیندهی ترانزیستورها دارای سرعتی
بسیار بالا خواهند بود . در واقع کربن شبه الماسی است که می تواند بستر ایده آلی برای ترانزیستورهای گرافنی باشد.
پیش بینی می شود طول عمر دستگاه ها و ابزار ساخته شده با گرافن زیاد باشد به دلیل استحکام زیاد ، سوئیچهای
ساخته شده با آن بسیار محکم است و سریع عمل می کند بطوریکه حتی با 20000 بار خاموش و روشن شدن تغییری در
عملکرد آنها دیده نمی شود .
با کشف روشهای جدیدی برای کنترل ویژگی های مغناطیسی گرافن پیش بینی می شود بزودی شاهد تحولی گسترده
در زمینه ذخیره سازی اطلاعات خواهیم بود و ساخت و تولید حافظه های مغناطیسی متفاوت می شود زیرا خاصیت مغناطیسی
گرافن امکان کنترل الکترون ها را فراهم می کند . بدلیل آزاد بودن یکی از پیوند های کربن در ساختار گرافن که فضای
خالینامیده می شود ودارای نیروی مغناطیسی است و می تواند بعنوان آهن ربای کوچکی عمل کند. این ویژگی در دماهای پایین
بسیار حائز اهمیت است . از طرفی در آینده ای نزدیک با استفاده از اثر مغناطیسی در گرافن ، حسگرهای مغناطیسی در
مقیاس نانو تولید خواهد شد .در یک مقایسه ساده از لحاظ ذخیره سازی اطلاعات بین گرافن 10 نانومتری با مدار 454
نانومتری تراشه حافظه فلش ، میزان ذخیره سازی اطلاعات در گرافن 5 برابر حافظه فلش است .
مزیت دیگر این قطعه ها آن است که برخلاف دستگاه های امروزی به جای سه ترمینال، دارای دوترمینال هستند و
همین ویژگی توانایی ذخیره ی اطلاعات در آنها را تا چند برابر افزایش داده است .
پژوهشگران در آزمایشگاه های مجهز توانستند با ورقه ورقه کردن شیمیایی گرافیت به تولید انبوه گرافن دست یابند .
آنها گرافیت را با یک آلیاژ سدیم – پتاسیم احیاء و فعال کردند ، این بار منفی اضافی، ورقه ورقه کردن این صفحه های
گرافیتی را آسان می کند و پیوند اتمهای کربن را با مواد الکترون دوست آسان می نماید . برخلاف عملیات اکسیداسیون گرافیت،
عملیات احیاء با الکترون ها هیچ گونه آسیب شبکه ای غیر قابل بازگشتی به صفحه مسطح کربنی شش ضلعی وارد نمی کند .
سپس لایه های سالم را می توان با عملیات حرارتی بطور کامل ترمیم کرد. در این مرحله به لایه کربنی گرافان گفته می شود
یعنی صفحه گرافن اصلاح شده که اتم های هیدروژن از هر دو طرف صفحه به آن متصل شده و آن را عایق کرده اند . گرافان یا
گرافن اصلاح شده در نانوالکترونیک و حسگرها کابرد فراوان دارد . همچنین کابردهای گوناگونی نظیر درب های هوشمند،
حسگرهای نوری فوق حساس یا خازن ها مورد استفاده قرار گیرد .
گرافن در دمای بین منهای 75 تا 200 درجه سیلسیوس مورد آزمایش قرار گرفته و عملکرد مطلوبی داشته است و اثر
مغناطیسی خود را حفظ می کند . این ویژگی غیرمعمول گرافن باعث می شود الکترون ها به شکل ذرات بدون جرم رفتار کنند
و برهمکنش قوی بین الکترون ها ایجاد شود و استحکام گرافن در این دما حفظ شود . همچنین بدلیل استحکام بالایی که در
آرایش اتمی آن وجود دارد در مقابل انواع تشعشات گوناگون نفوذناپذیر است و قابلیت استفاده زیادی در شرایط بحرانی را دارد
.در آینده ای بسیار نزدیک گرافن بدلیل قابلیت های بسیار زیادی که دارد جایگزین مناسبی برای سیلیکون خواهد بود . اتم
٥٢
های کربن در گرافن ویژگی های جالب توجه دارند که باعث شده تا کاربرد آن روز به روز گسترده تر شود از جمله تحرک
پذیری زیاد و خاصیت عبور سریع جریان الکتریسته که از مشخصات بارز گرافن می باشد همچنین گرافن در پیوند با اتمهای
مواد دیگر ویژگیهای آنها را دریافت کرده و خواصی بر خاص آن افزوده می شود این ویژگی در ساخت حسگرهای شیمیایی
حائز اهمیت است .تولید صفحات گرافن از نظر فنی کار بسیار دشواری است این دستاورد جدید تحول بزرگی در زمینه ی
نانوالکترونیک و نانوکامپوزیت ایجاد خواهد کرد .این مواد با دارا بودن خواص ویژه مکانیکی ، الکترونیکی و الاستیکی ،
کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف خواهند داشت .
آنچه که بیش از بیش توجه محققان را به خود جلب کرده و اهمیت دارد فراوانی و قابلیت دسترسی آسان به ماده اولیه
گرافن که همان گرافیت است . این مسئله برای تولیدکنندگان و سرمایه گذاران و در نهایت مصرف کنندگان بدلیل قیمت
. نهایی مهم خواهد بود 5
٥٣
گرافن و نیمه رسانایی
یکی از راه های کوچک تر و سریع تر کردن ابزارهای نیمه رسانا، استفاده از موادی است که تحرک پذیری ذاتی
الکترون(معیار سهولت حرکت الکترون در یک ماده) در آنها بالا باشد، به همین دلیل هم تاکنون از موادی مانند سیلیکون و
آرسنید گالیوم به ترتیب با تحرک پذیری های 1500 و 8500 استفاده می شد .
اما اخیراً یک گروه تحقیقاتی بین المللی ( شامل جمعی از محققان روسی، انگلیسی، هلندی و آمریکایی) در یک پروژه
تحقیقاتی مشترک برخلاف آنچه تاکنون تصور می شد که هر چه ماده ای نازک تر باشد آلودگی آن بیشتر شده، از رسانش آن
کاسته می شود دریافتند که بیشترین تحرک پذیری الکترونی در بین همه مواد، مربوط به گرافن(صفحات دوبعدی بسیار
است، که بسیار بیشتر از سایر مواد؛ از قبیل Vs/2Cm نازک کربنی به ضخامت تنها یک اتم) با رقمی حدود 200000
ایندیوم آنتی موان، مواد سیلیکونی یا آرسنید گالوم و حتی نانولوله های کربنی است، لذا می توان آن را مناسب ترین ماده در
ساخت دستگاه های الکترونیکی دانست .
آنها با بررسی تحرک پذیری الکترونی گرافن و اندازه گیری آن برحسب دما، دریافتند که اگر چه گرافن ماده کاملاً
یک دستی نیست و صفحات آن موج دار است؛ حتی بالا رفتن دما و افزایش ارتعاش این صفحه ها که در سایر مواد موجب
پراکندگی الکترون ها و پایین آمدن تحرک پذیری می شود تاثیری بر تحرک پذیری ندارد؛ بنابراین تنها ماده ای است که در
دمای اتاق هم الکترون های آن بدون هیچ گونه پراکندگی و اتلاف انرژی فواصل طولانی بین اتمی(طولانی تر از فواصل مشابه
در نیمه رساناهای متداول موجود) را می پیمایند .به عقیده این دانشمندان در صورت زدودن ناخالصی های گرافن و یک دست
شدن صفحات آن، تحرک پذیری آن می تواند از این مقدار هم فراتر رود؛ اگرچه در عمل(مگر در تحقیقات بنیادی) به بیش از
این مقدار نیازی نخواهد بود .
همچنین با توجه به این تحقیق امکان ساخت ابزارهایی در محدوده فرکانسی تراهرتز فراهم می شود. تابش های تراهرتز
به جز فلزات از هر ماده ای عبور می کند و از آنها می توان در کاربردهای امنیتی(مانند بخش کنترل مسافران و بار آنها در
فرودگاه)، دفاعی، پزشکی، فضانوردی و تحقیقات زیستی استفاده نمود .
به عقیده این محققان در صورتی که بتوان ویفرهایی تولید کرد که دارای کیفیت گرافن هستند و سرعت خاموش و
روشن شدن مناسبی دارند، ساخت ابزارهای الکترونیکی گرافنی؛ از قبیل حسگرهای شیمیایی و چشمه ها و آشکارسازهای
تراهرتزی طی سه تا پنج سال آینده محقق خواهد شد.
کشف خواص غیرعادی نانو نوارهای گرافنی
گرافن به دلیل داشتن خواص رسانشی خوب، جایگزین مناسبی برای سیلیکون بوده وکاربرد فراوانی در الکترونیک و
قطعات مداری مختلف مانند ترانزیستورها دارد.
اما اخیرا" دانشمندان با انجام تحقیقی دریافته اند که اشکال کوچک و نواری شکل این ماده کاملاً بر عکس می باشند.
مهدی زارع فیزیکدان ایرانی به همراه نانسی ساندلر از اساتید دانشگاه اوهایو آمریکا با بررسی نوارهای باریک گرافنی دریافتند
که این نوارها آنگونه که تصور می شود از خواص رسانشی خوبی برخوردار نمی باشند و در دمای اتاق بازاء مقداری کمتر از یک
حداقل پهنای خاص، تغییر قابل ملاحظه ای در رسانش گرافن روی می دهد.
آنها در آزمایشات خود ثابت کرده اند که در این سیمهای بسیار نازک، تصحیحات نسبیتی صفحات گرافنی و برهم کنشهای
اسپین – مدار کاملا برخلاف حالت توده ای گرافن بوده و حتی حرکت الکترونها با سرعت و در مسیر ثابت انجام نمی شود.
مطابق بررسیهای انجام شده در این حالت دیگر رسانش یا رفتار فلزی ماده به چگونگی حرکت الکترونهای آن بستگی ندارد و
٥٤
این میزان نزدیکی و نیروی دافعه آنهاست که نقش تعیین کننده دارد.
به عقیده این محققان اگرچه برای ساخت مدارهای کوچک و نانومقیاس گرافنی لازم است تا قطعه های نواری شکل از این
ماده تولید شود اما قبل از آن باید راهکاری برای غلبه بر دافع طبیعی بارهای همنام و تقویت رسانش این نوارها یافت .
به چاپ رسیده Physical Review Letters برای آگاهی از جزئیات بیشتر به گزارش کامل این تحقیق که در نشریه
است مراجعه نمایید.
ابداع روشی برای دیسپرس کردن گرافن
گرافن مادهای منحصربهفرد با پایه ی کربنی و دانسیته ی اتمی بالاست. ترکیب غیر عادی خواصآن نظیر سختی و
استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، و این حقیقت که شیمیدانان به سختی میتوانند
جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده کهاین ماده دارای کاربردهای فراوانی در
نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژیمثل باطری ها و ابرخازن ها باشد.
مساله ی دیسپرس کردن گرافن یا گرافن اصلاح شیمیایی شده در حلال ها، چالش اساسی
بسیاری از این کاربردهاست؛ مثلاً به منظور بهبود استحکام، سختی و رسانایی حرارتی و الکتریکی
بسیاری از این محصولات، می توان سطح آنها را با دیسپرسیون گرافن پوشش داد.
Cockrell Family Regents آقای راف (پروفسور مهندسی مکانیک که دارای کرسی
بخشی از گروه تحقیقاتی ما مساله ی ایجاد دیسپرسون های کلوئیدی گرافن در " : در مهندسی است) در این زمینه می گوید
طیف وسیعی از حلال ها(از آب تا مایعات آلی) را با جدیت دنبال می کردند. حلال ها و عاملیت شیمیایی گرافن و به دنبال آن
". چگونگی دیسپرس شدن گرافن به ما اجازه داد که قواعد مهمی برای انجمن های تحقیق و فناوری را ابداع کنیم
محققان با استفاده از شاخص هایی که در صنعت برای تعیین حلال مناسب (حلال هایی که مواد " : وی می افزاید
مشخص را به بهترین نحو حل می کنند یا کلوئیدهای خوب می سازند) برای مواد مشخص استفاده می شود، به مجموعه
شاخص های موثری بر انحلال پذیری گرافن های اصلاح شیمیایی شده دست یافتند. ما معتقدیم که این رویکرد فواید ویژه ای
". برای انتقال فناوری در زمینه ی کاربرد سوسپانسیون های کلوییدی گرافن به همراه خواهد داشت
سوسپانسیون های کلوئیدی اکسید گرافن به شدت احیاشده در " یافته های این گروه تحقیقاتی در مقاله ای تحت عنوان
به چاپ خواهد رسید. این مقاله را آقایان Nano Letters در شماره ی ماه آوریل مجله ی " طیف وسیعی از حلال های آلی
سانجین پارک، جینهو آن، اینهوا جانگ، ریچارد پینر، سان جین آن، ژسونگ لی، آرونا ولمکانی و راف (همگی از دانشکده
مهندسی مکانیک دانشگاه تگزاس آستین) مشترکاً نوشته اند.
توسط پارک و راف (که از شاخص ترین صاحب نظران " روش های شیمیایی تولید گرافن " همچنین مقاله ای تحت عنوان
منتشر خواهد شد. این مقاله Nature Nanotechnology علمی در زمینه ی گرافن هستند) در شماره ی 29 مارس مجله ی
علاوه بر مرور روش های شیمیایی گوناگون ساخت گرافن، سوسپانسیون های کلودیدی گرافن و چگونگی ساخت آنها را نیز
مورد بحث قرار می دهد.
گرافن و تولید سوئیچ میکروویو
دانشمندان رومانیایی و فرانسوی می گویند می توان از گرافن برای ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سریع استفاده
کرد. این ابزارها را می توان جایگزین سوئیچ هایی کرد که به طور گسترده ای در کاربردهای
ارتباطی همانند اینترنت و گوشی های موبایل استفاده می شوند.
گرافن به دلیل دارا بودن قابلیت های زیاد برای ساخت ابزارهای الکترونیکی جدید یکی از
موضوعات داغ در زمینه فیزیک و علم مواد به شمار می آید. این ماده اعجاب انگیز در عین
حالی که بسیار نازک و نیمه رساناست، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد، زیرا الکترون ها
٥٥
به صورت پرتابه ای و با سرعت بسیار بالا درون آن حرکت می کنند .دلیل حرکت بسیار سریع الکترون ها درون گرافن این است
که آنها همانند ذرات نسبیتی با جرم ساکن صفر رفتار می کنند. این ویژگی و ویژگی های فیزیکی غیرمعمول دیگر گرافن باعث
می شود که این ماده به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در قطعات الکترونیکی آینده مطرح باشد.
بخارست رومانی به همراه دانیلا دراگومان از دانشگاه بخارست و همکارانشان از IMT حال میرسیا دراگومان از
در فرانسه نشان داده اند که فلس های گرافنی می توانند انتشار میدان های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا CNRS-LAAS
تا 60 گیگاهرتز را با استفاده از اعمال یک ولتاژ مستقیم فعال یا غیرفعال کنند. زمان کلیدزنی بسیار کوتاه و کمتر از 1 نانوثانیه
است که یکی از کوتاه ترین زمان های کلیدزنی برای این نوع از ابزارها محسوب می شود.
میکروویو است که از یک موجبر هم صفحه و آرایه ای از ورقه های گرافن فلزی که روی آن معلق NEMS این ابزار یک سوئیچ
است، تشکیل شده است. موجبر ذکر شده از سه باریکه فلزی طلا تشکیل می شود که روی یک بستر سیلیکونی نیمه عایق با
ضخامت 500 میکرومتر رسوب داده شده اند .باریکه مرکزی طلا امواج میکروویو را منتشر کرده و دو باریکه دیگر به عنوان
الکترود اتصال با زمین عمل می کنند. بنابر گفته محققان، فلس های گرافنی به لطف نیروهای وان در والسی روی موجبر معلق
باقی می مانند، اما آنها همچنین می توانند از طریق اتصالات فلزی متصل شوند.
میرسیا دراگومان می گوید سوئیچ گرافنی بسیار ساده تر و کاراتر از سوئیچ هایی است که از مواد معمولی همچون سیلیکون
ساخته می شوند. در این ابزار، میدان الکترومغناطیسی به سادگی و با اعمال یک ولتاژ مستقیم روشن و خاموش می شود .او
این سوئیچ ویژگی های خوبی دارد. زمانی که خاموش است میدان الکترومغناطیسی را دفع می کند و زمانی که " : می افزاید
" روشن است، اتلاف بسیار کمی در آن ایجاد می کند
تاکنون گرافن تنها در کاربردهای محدودی دیده شده است و اگر در بازارهای بزرگی همچون " : دراگومان توضیح می دهد
7." ارتباطات و سلامتی مورد استفاده قرار نگیرد، در سطح تحقیقات دانشگاهی باقی خواهد ماند
نخستین روش ساده برای اندازه گیری ثابت جهانی ساختار ریز به : کمک گرافن
همانگونه که می دانیم چند ثابت جهانی از قبیل سرعت نور، بار الکتریکی الکترون و … وجود دارد و ثابت ساختار ریز
1/137 ) یکی از آنها بوده و بلکه پررمز و راز ترین آنها هم به شمار می آید. اندازه گیری مقدار دقیق این ثابت ها معمولا نیازمند )
تجهیزات پیچیده و شرایط ویژه است ؛ اما اخیرا جمعی از محققان انگلیسی و پرتقالی برای نخستین بار با استفاده از گرافن و
به روشی بسیار ساده و معمولی توانستند مقدار دقیق این ثابت را اندازه گیری نمایند.
به این منظور آنها غشاهایی بزرگ و معلق از گرافن ساختند به طوریکه عبور نور از آنها را به راحتی و با چشم غیرمسلح
2 درصد) از نور مرئی را / بتوان مشاهده نمود. این محققان دریافتند که این غشاها کاملا شفاف نبوده و درصد نسبتا زیادی ( 3
جذب می کنند که با تقسیم آن بر عدد پی می توان مقدار دقیقی برای ثابت جهانی ساختار ریز یافت.
این محققان یکی از علل اساسی این پدیده را رفتار الکترونهای گرافن می دانند که در چنین حالتی مشابه ذرات بدون
جرم عمل می کنند. به این ترتیب تنها با نگاه کردن به نور عبوری از این غشاهای گرافنی و تعیین درصد شفافیت آنها می توان
به این ثابت بنیادی دست یافت.
به باور این محققان کاربرد گرافن تنها به این پدیده ختم نمی شود و با توجه به قابلیت های فوق العاده ای که این ماده
. دارد، در آینده ای نه چندان دور شاهد پیدایش فناوری های گرافنی خواهیم بود 8
٥٦
!گرافن برای آب نامرئی است!
گرافن از نظر علمی نازک ترین ماده بر رو جهان شناخته می شود ،ر واقع این نانوماده به حدی نازک است که گاهی
در سه آزمایش Rice و دانشگاه Rensselaer آب نیز متوجه وجود آن نمی گردد. محققین مرکز تحقیقات پلی تکنیک
مختلف یک قطعه از طلا، مس و سیلیکون را با یک لایه از گرافن روکش کرده و سپس یک قطره آب بر روی سطوح روکش
شده با گرافن انداخته و با کمال تعجب مشاهده کردند که لایه گرافن عملا هیچگونه تاثیری بر نحوه گسترش اب بر روی سطح
مواد بوجود نمی آورد. گفتنی است که نتایج این آزمایش می تواند کمکی برای ساخت نسل جدیدی از دستگاه های
الکترونیکی قابل انعطاف بر پایه گرافن باشد .همچنین این از دیگر مزایای این تحقیق ساخت نوع جدیدی از لوله های حرارتی
. مسی با روکش گرافنی است که می تواند برای خنک کردن تراشه های کامپیوتری مورد استفاده قرار گیرد 9
راه جدیدى براى ساخت روبا نهاى
محققان در آلمان و سوئیس راه جدیدى براى ساخت روبا نهاى گرافنى بى نهایت باریک با باندگ پهاى الکترونیکى و
پهناهاى ویژه، ارائه داده اند.
این روبا نها همچنین لب ههاى صافى دارند .لب ههاى صاف براى ساخت افزار ههاى گرافنى الکترونیکى ضرورى مى
باشند.گرافن بواسطه خواص الکتریکى بى نظیرش ممکن است در آینده جایگزین سیلیکون شود .اگرچه گرافن برخلاف
سیلیکون نیمه رسانا، بین باندهاى هدایت و ظرفیتش گپى( فاصله اى)ندارد .چنین باندگپى براى کاربردهاى الکترونیکى
ضرورى است،زیرا به یک ماده اجازه مى دهد که جریان الکترو نها را قطع و وصل کند .یکی از را ههاى ایجاد یک باندگپدر
گرافن، ساخت روبانهاى بى نهایت باریک از این ماده است.
سوئیس براى (Empa) این روش جدیدى که به وسیله ی گروهى به رهبرى رومن فاسل از آزمایشگاه هاى فدرال و
علوم و فناورى مواد کلاوس مولن از موسسه ماکس پلانک ارائه شده بى نهایت است، یک فرایند ساده ى شیمیایى پایین به
ویژه bianthryl بالاىمبتنى بر سطح است .در این فرآیند ابتدا مونومرهاى حاوى هالوژن جانشین شده اى که به طور
طراحى شده اند، روى سطوح طلا و نقره تحت خلاء بالا، قرار داده مى شوند، در مرحله بعد این مونومرها براى تشکیل
زنجیرهاى پلى فنیلن به هم متصل مى شوند.
این دانشمندان سپس با گرم کردن این مجموعه، اتم هاى هیدروژن را از این پلیمرها حذف کردند .این عملیات
گرمایى سبب مى شود که این زنجیرهاى پلیمرى براى تشکیل روبان هاى گرافنى آروماتیکى و مسطحى که ضخامتى برابر
فقط یک اتم، پهنایى برابر یک نانومتر و طولى برابر 50 نانومتر دارند، به هم متصل شوند .این روبان ها براى داشتن باند گپ
الکترونیکى و بنابراین خواص سویچینگ، به اندازه کافى باریک هستند .بعلاوه لبه هاى این روبان هاى گرافنى نرم و به شکل
٥٧
دسته صندلى مى باشند و شکل خود روبان هاى بسته به مونومرهایى که براى ساخت شان استفاده مى شوند، مستقیم یا
زیگزاگى است.
مدل ساختاری(چپ)و تصویر سه بعدی میکروسکوپ تون لزن پیمایشگر از یک نانوروبانگرافنی زیگزاگی شکل.
. این محققان نتایج خود را در مجله ى منتشر کرده اند 10 Nature
فولاد سبک تر و غیر متراکم تر
محققان دانشگاه سیدنی موفق به ساخت ماده ای شده اند که از فولاد سبک تر و غیر متراکم تر بوده و در عین حال
سخت تر و مقاوم تر از فولاد است. در صورتی که ویژگی های این ماده جدید با نیازهای دانشمندان همخوانی داشته باشد، این
ماده می تواند در علم مواد تحولی بزرگ ایجاد کند.
این برگه گرافنی از گرافیت دگرگون شده توسط واکنش های شیمیایی ساخته شده و به تک لایه ای از کربن 6 وجهی تبدیل
شده است که ضخامت آن به اندازه یک برگه کاغذ بوده و به شدت مقاوم است.
2 برابر سخت تر، 10 برابر nbsp&، به گفته محققان این برگه نسبت به فولاد 6 برابر سبک تر، پنج تا 6 برابر غیر متراکم تر
کشسان تر و 13 برابر استحکام خمیدگی بالاتری دارد.
این ماده در راستای مقاوم سازی مواد، انعطاف پذیری و کشسانی مواد تحولی بزرگ به شمار می رود و از آنجایی که جنس این
ماده از گرافن است، ویژگی های الکتریکی، حرارتی، و مکانیکی جالب توجهی را به همراه دارد.
بر اساس گزارش گیزمگ، با این همه بهترین ویژگی این ماده ساده و کم هزینه بودن فرایند تولید است و از این رو
می تواند در صنعت هوانوردی و تولید خودرو نیز تاثیر چشمگیری داشته باشد.
گاغذ ضد باکتری ساخته شده از گرافن
مطابق با کار جدید انجام شده توسط محققان در آکادمى علوم چین
در شانگهاى، مى توان از گرافن براى ساخت کاغذ ضدباکترى استفاده کرد .
صفحات دو بعدى این ماده به طور موثرى رشد باکترى هاى را بدون داشتن
بشرى متوقف مى کنند. E. Col سمیت براى سلول هاى
چونهاى فان و همکارانش کاربرد دیگرى به مجموعه کاربردهاى در
حال رشد گرافن اضافه کرده اند .این محققان متوجه شده اند که مشتقات
گرافن، از قبیل اکسید گرافن و اکسید گرافن احیاء شده مانع رشد میکروبى
مى شوند.
فان مى گوید که این یک یافته مهم است، زیرا مطالعات قبلى نشان داده اند
شرح شماتیکى از قرار دادن نانو صفحات گرافنى iloC .E در معرض
٥٨
که گرافن و بویژه اکسید گرافن،زیست سازگار هستند و سلول هاى زیستى مى توانندروى بسترهاى گرافنى به خوبى رشد
کنند ، در حالى که دیگر نانوذراتى مانند نقره که بعنوان مواد ضدباکترى شناخته شده اند، اغلب براى سلول ها سمى مى
باشند ، در حالى که دیگر نانوذراتى مانند نقره که بعنوان مواد ضدباکترى شناخته شده اند، اغلب براى سلول ها سمى مى
باشند.
این دانشمندان براى ساخت کاغذ گرافنى، ابتدااکسید گرافن احیاء شده در آب تولید کردند .آنها مى توان سپس این
محلول را در سرتاسر یک کاغذ صافى تحت خلاء فیلتر کردند .در نهایت یک کاغذ اکسید گرافن و اکسید گرافن احیاء شده
اى از این فیلترکاغذى جدا شد.
دادند که غشاء هاى سلولى باکترى هاى قرار داده شده روى E. Coli تصاویر میکروسکوپ الکترونى عبورى نشان
این صفحات گرافنى به شدت تخریب شدند .طبق گفته این دانشمندان، این تخریب به این دلیل اتفاق مى افتد که گرافن
واردایندوزوم سیتوپلاسم این سلول ها مى شود و آن رابه بیرون سلول هل مى دهد .تقریباً 99 درصد این سلول ها فقط بعد
از دو ساعت تماس با یک محلول 85 گرم بر میلى لیتر از اکسید گرافن در دماى 37 درجه سانتى گراد تخریب شدند .در
مقابل این نانوصفحه ها براى سلول هاى پستانداران تحت همان شرایط غیررسمى بودند. 11
. Nano این محققان نتایج خود را در مجله ى منتشر کرده اند ACS
گرافن اکتشاف نفت خام را آسان تر می کند
دانشمندان در موسسه پلی تکنیک رنسلار با کمک روکش گرافنی نانومهندسی شده، روش جدیدی برای جمع آوری
انرژی از آب روان ابداع کرده اند. این کشف به تسریع در ساخت میکروحسگرهای خودتوان دهنده جهت اکتشاف موثرتر،
کم هزینه تر و دقیق تر نفت خام، کمک می کند.
این محققان به رهبری نیخیل کوراتکار، این موضوع را بررسی کرده اند که چگونه جریان آب روی سطوح روکش داده شده با
0/ گرافن می تواند مقادیر کمی الکتریسیته تولید کند. این گروه تحقیقاتی شرح داد که از یک صفحه گرافن به اندازه ی 03
0 میلی متر توانی برابر با 85 نانووات تولید می شود. / میلی متر در 015
این محققان با استفاده از یک صفحه کوچک روکش گرافنی که با یک وصله آبی تیره متصل به تماس های طلا نشان داده
شده است، تولید توانی برابر با 85 نانووات را شرح دادند.
٥٩
طبق گفته کوراتکار، این مقدار انرژی برای توان دادن به حسگرهای ریزی که به داخل آب یا سیال دیگر وارد می شوند
و به داخل یک چاه نفت خام بالقوه پمپ می شوند، کافی است. همچنانکه آب تزریق شده به صورت طبیعی در بین سنگلاخ ها و
عمق شکاف ها در زمین حرکت می کند، این افزاره ها حضور هیدروکربن ها را شناسایی می کنند و می توانند به کشف چاه های
پنهان شده نفت خام و گاز طبیعی کمک کنند. در مدت زمانی که آب روی این افزاره های روکش داده شده با گرافن جریان
می یابد، آنها باید قادر به تهیه منبع قابل اطمینانی از توان باشند .این توان جهت تقویت اطلاعات جمع آوری شده و ارسال آنها
به سطح، برای این حسگر ها ضروری است.
کوراتکار گفت: توان دادن به این حسگره بوسیله باتری ای مرسوم غیرممکن است، زیرا این حسگرها بسیار کوچک هستند.
بنابراین ما یک روکش گرافنی ساختیم که به ما اجازه می دهد که انرژی را از حرکت آب روی این حسگرها جمع آوری کنیم.
در حالی که مشابه این اثر برای نانولوله های کربنی مشاهده شده است، چنین مطالعه ای با گرافن برای اولین بار است .قابلیت
جمع آوری انرژی گرافن حداقل چندین ده برابر بیشتر از نانولوله های کربنی بود. بعلاوه، مزیت دیگر صفحه های گرافنی
انعطاف پذیر این است که آنها را می توان پیچاند و تقریبا هر هندسه یا شکلی به آنها داد.
اکتشاف نفت خام یک فرآیند گران است که شامل حفاری عمیق در زمین برای شناسایی حضور نفت خام و گاز طبیعی است.
شرکت های نفتی و گازی تمایل دارند که با فرستادن تعداد زیادی حسگر نانومقیاس و میکرومقیاس به داخل چاه های
حفاری شده موجود و جدید، این فرآیند را تکمیل کنند. کشف این محققان برای چالش اصلی رهاسازی این میکروحسگرهای
خود گردان که باید خودشان توان مورد نیازشان را تامین کنند راه حل بالقوه ای است. با پوشش دهی این میکروحسگرها با یک
روکش گرافنی، آنها می توانند هنگامی که آب روی سطحشان جریان می یابد، انرژی را جمع آوری کنند.
منتشر کرده اند. Nano Letters این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
با نانوحفره های گرافنی DNA تعیین توالی
گروهی از محققان با استفاده از افزاره های نانوحفره ای
شدند. DNA موفق به تعیین توالی
پژوهشگرانی از دانشگاه صنعتی دلفت از نوع جدیدی از افزاره
های نانوحفره ای خبر می دهند که می تواند به طور قابل
و برای مثال DNA ملاحظه ای روش غربال مولکول های
خواندن توالی آنها را تحت تاثیر قرار دهد .
آنها تکنیک تازه ای برای ساخت حفره های ریز در لایه ای از
گرافن گزارش کرده اند که می تواند در آشکارسازی حرکت
منفرد در حین عبور آنها از چنین نانوحفره DNA مولکول های
هایی مفید باشد .
رقابت جهانی شدیدی برای توسعه روش های سریع و ارزان
یعنی خواندن محتوای ژنی آنها، ، DNA جهت تعیین توالی
وجود دارد .
در این پژوهش از گرافن استفاده شده است، زیرا این ماده دارای خاصیت ویژه ای است که می تواند به صورت ورقه های تک
لایه ای با ضخامت یک اتم ساخته شود .
بسیار کوچک است و در حدود نیم نانومتر است . DNA فاصله دو باز
٦٠
نیاز به افزاره ای است که کوچک تر از نیم نانومتر باشد .و اینجاست که چنین غشاءهای گرافنی DNA برای خواندن هر باز
نازک اتمی می توانند حیاتی باشند .
کاری که این محققان انجام دادند، ایجاد حفره های نانومتری به نام نانوحفره، در غشاء گرافنی بود که چنین افزاره ایده آلی را
ارائه می داد .
در آب می توانند از طریق این نانوحفره ها بیرون کشیده شوند و مهمتر از آن DNA آنها نشان دادند که مولکول های منفرد
در حین عبور از حفره می تواند آشکارسازی شود . DNA اینکه مولکول
تکنیک آشکارسازی بسیار ساده است: با اعمال یک ولتاژ الکتریکی در عرض این نانوحفره، یون های داخل محلول شروع به
حرکت در طول حفره می کنند و یک جریان الکتریکی آشکارسازی می شود .
از حفره عبور می کند باعث مسدود شدن حرکت یون ها می شود و در نتیجه جریان کاهش DNA هنگامی که یک مولکول
می یابد .
را آشکارسازی کرد . DNA بنابراین با چنین افت جریانی می توان عبور
به صورت باز به باز از این نانومنفذ عبور می کند. از لحاظ اصولی، با چنین نانوحفره گرافنی نازک اتمی می توان DNA مولکول
را به صورت باز به باز قرائت کرد . DNA توالی
هنگام عبور آنها از نانوحفره ها قبلاً استفاده شده است، ولی این نانوحفره های گرافنی DNA روش تعیین توالی مولکول های
فرصت های جدید بسیاری ایجاد می کنند. گروه های زیادی در سطح جهان سعی در عملی ساختن نانوحفره های گرافنی
منتشر کرده اند. Nano Letters داشته و دارند .این محققان نتایج خود را در مجله
استراق سمع سلول ها با ترانزیستورها گرافنی
یکپارچه سازی سامانه های زیستی و مخصوصاً سامانه های پیچیده زیستی با قطعات الکترونیکی یکی از چالش های اصلی
در مسیر بیوالکترونیک یا بیونیک به شمار می رود. به طور کلی قطعات الکترونیکی و زیستی در سه سطح با یکدیگر ارتباط برقرار
می کنند: مولکولی، سلولی و اسکلتی. برای هر ماده بیونیکی کاشته شده درون بدن، برهمکنش های اولیه در سطح
زیست مولکولی تعیین کننده عملکرد درازمدت آن است. با وجودی که بیونیک اغلب با بهبود عملکرد در سطح اسکلتی در
ارتباط است (مانند ماهیچه های مصنوعی)، ارتباط الکترونیکی با سلول های زنده از منظر بهبود نتایج مهندسی بافت یا عملکرد
ایمپلنت هایی همچون گوش یا چشم بیونیکی دارای اهمیت بالایی است.
محققان برجسته ای همچون پیتر فرامهرز از موسسه بیوشیمی ماکس پلانک در آلمان بیش از 20 سال است که روی ایجاد
ارتباط میان نورون ها و ابزارهای سیلیکونی کار می کنند. آنها نورون ها منفرد از بخش های مختلف مغز را کشت داده و تلاش
می کنند شبکه های نورونی خارج از بدن را ایجاد نمایند. هدف از این کار تحریک نورون ها با سیگنال های الکتریکی و مشاهده
نحوه واکنش شبکه زنده و تغییر آن است. از نتایج این تحقیق می توان در تولید پروتزهای عصبی برای تقویت یا بازیابی
بخش های آسیب دیده شبکه عصبی بهره برد.
٦١
برای این کار محققان باید دو کار را انجام دهند: تحریک سامانه عصبی و ثبت فعالیت آن. آنها برای رسیدن به این
هدف روی تولید ایمپلنت های مغز روی بسترهای انعطاف پذیر کار می کنند؛ این بسترها می توانند فعالیت های شیمیایی و
الکتریکی نورون ها را با حساسیت بالا ثبت نمایند.
در حال حاضر بسیاری از ایمپلنت ها بر مبنای الکترودهای فلزی کار می کنند. این الکترودها علاوه بر مشکلاتی که در زمینه
زیست سازگاری و پایداری در شرایط دشوار زیستی دارند، از عملکرد الکترونیکی محدودی نیز برخوردار هستند. استفاده از
عملکردهای الکترونیکی بیشتری را امکان پذیر می سازد. خوزه آنتونیو گاریدو یکی از محققان (FET) ترانزیستورهای اثر زمینه
تاکنون در بیشتر کارهایی که در این زمینه صورت گرفته است، از " : موسسه والتر شاتکی در دانشگاه فنی مونیخ می گوید
استفاده شده است. با این حال این فناوری دارای مشکلاتی است که اجرای (Si-FET) ترانزیستورهای اثر زمینه سیلیکونی
آن را در کاربردهای عملی با مشکل مواجه می سازد. یکی از این مشکلات نویز بسیار بالای ابزارهای سیلیکونی است. مشکل
دوم سخت بودن یکپارچه سازی فناوری سیلیکون با بسترهای انعطاف پذیر است. به علاوه، سیلیکون تحت شرایط زیستی پایدار
" نیست
بنابراین علاقه زیادی به استفاده از مواد دیگری که این مشکلات را نداشته باشند، وجود دارد .نانولوله های کربنی و گرافن
گزینه های مناسبی برای این کار به شمار می روند.
می توان در ساخت آرایه ای از CVD حال گاریدو و همکارانش برای اولین بار نشان داده اند که از گرافن رشدیافته با روش
ترانزیستورها بهره برد که قابلیت شناسایی فعالیت الکتریکی سلول های الکتروژنیک (سلول های فعال الکتریکی) را دارند. به
علاوه آنها نشان داده اند که نویز الکتریکی این ابزار جدید در حد ابزارهای سیلیکونی با نویز بسیار پایین قرار دارد .گاریدو
لازم به ذکر است که فناوری سیلیکون در طول چندین دهه توسعه یافته است، در حالی که به طور قطع ابزارهای " : می افزاید
منتشر شده است. Advanced Materials جزئیات این کار در مجله " گرافنی ما در چند سال آینده پیشرفت قابل ملاحظه ای خواهند یافت
ساخت تراشه های رایانه ای سریع
گرافن نوعی ساختار کربنی یا گرافیتی بسیار نازک با ضخامتی در حد چند دهم نانومتر است به طوری که محققان آن
را واقعاً به عنوان یک بلور دوبعدی قلمداد میکنند.که در آن اتمهای کربن به صورت شبکه های شش گوشی شبیه به توری
مرغداری ها کنار هم قرار گرفته اند.
این ماده با توجه به قابلیت های بسیار زیادی که دارد سیلیکون جدید نام
گرفته است. از جمله خواص جالب توجه گرافن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
تحریک پذیری بسیار بالا و قابلیت عبور سریع الکترون ها از آن (که •
مشخصه ی بسیار خوبی برای ابزارهای الکترونیکی سریع به شمار می رود)؛
خاصیت مغناطیسی آن و امکان کنترل اسپین الکترون ها، و دستیابی به •
الکترونیک اسپینی یا اسپینترونیک؛
تغییر بسیار زیاد خواص آن در هنگام تماس با مواد دیگر (قابلیت بسیار خوبی برای ساخت حسگرهای •
شیمیایی است.)
محققان دانشگاه اوهایو با ابداع روشی راهی را برای تولید سریع و انبوه تراشه های رایانه ای با استفاده از صفحات گرافنی
یافته اند. آنها امیدوارند با استفاده از این روش بتوان در آینده انواع جدیدی از ابزارهای الکترونیکی را تولید نمود. به عقیده ی
آنها گرافن با داشتن خواص کوانتومی ویژه ای که دارد، می تواند کلید دستیابی سریع به الکترونیک کوچک و ساخت ابزارهای
جدید الکترونیکی محسوب شود .
پیش از این محققان تک ابزارهای گرافنی ظریفی را روی زیرلایه هایی از اکسید سیلیسیوم تولید کرده بودند؛ اما امکان کنترل و
تعیین دلخواه محل قرار گیری آنها روی این زیرلایه وجود نداشت و آزمایش این ابزارها مستلزم اتصال تک تک آنها به دیگر
ابزارهای الکترونیکی بود و امکان اتصال و تست همزمان چند ابزار با هم وجود نداشت .
٦٢
حال اگر تنها بتوان میلیون ها از این ساختارهای گرافنی را با استفاده از الگوی دقیق به شکل دقیقی روی مکان های از پیش
تعیین شده و به طور متناوب الگودهی کرد، فناوری چندین ده ساله ی ساخت تراشه برای صنایع مختلف تامین می گردد و این
محققان با آزمایش خود امکان پذیری این امر را نشان داده اند .مزیت این روش (که گزارشی از آن در شماره ی 26 مارس
منتشر شده است)، انطباق آن با همان روش های معمولی و استاندارد ساخت تراشه هاست. Advanced Materials نشریه
آنها در این مقاله توضیح داده اند که چگونه می توان روشی را برای مهرزنی همزمان تعداد زیادی از صفحات گرافنی روی یک
زیرلایه در محل دقیقی اعمال کرد که از پیش تعیین شده بود .
محققان دانشگاه اوهایو در این روش گرافن را به اشکال مختلفی حکاکی کرده، آن را روی سطوحی از اکسید سیلیسیوم قرار
دادند. با انجام شبیه سازی های رایانه ای، معلوم شد که واکنش این گرافن ها با سطح اکسید سیلیسیوم آنقدر شدید بود که
موجب تضعیف پیوندهای شیمیایی بین لایه های گرافنی و در نهایت جدا شدن لایه ی پایینی می گردید. آنها ابتدا توانستند
نوعی از صفحات گرافنی به ضخامت ده لایه یا بیشتر را روی سیلیکون و در محل دلخواه مهر بزنند که طبعاً با تکرار این
مهرزنی امکان تولید انبوه هم فراهم شده است. آنها با استفاده از سه نوع میکروسکوپ (میکروسکوپ الکترونی روبشی،
میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ نیروی اتمی) توانستند ارتفاع این لایه ها را اندازه گیری کرده، از اینکه دقیقاً روی زیرلایه قرار
گرفته اند، مطمئن شوند. با اینکه در شبیه سازی های رایانه ای این نکته به روشنی مشخص است که هر ماده به شکل کاملاً
متفاوتی با گرافن برهم کنش می کند، محققان امیدوارند بتوان با این روش لایه های باریکی به ضخامت یک یا دو لایه را به
روش مهرزنی روی مواد دیگری غیر از اکسید سیلیسیوم هم قرار دهند . 12
ساخت غشای گرافنی برای تصفیه آب و تقطیر الکل
یک تیم بین المللی از دانشمندان به همراه برنده نوبل فیزیک سال 2010 موفق به ساخت غشاهای مبتنی بر گرافن
شده اند که برای تقطیر الکل قابل استفاده هستند.
از دانشگاه " کنستانتین نووسلوف " که به همراه " آندره گیم " ،( به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا
موفق به کسب نوبل فیزیک 2010 برای کشف ماده گرافن شده است، با همکاری دیگر محققان دست به ساخت " منچستر "
این غشا با استفاده از اکسید گرافن زده اند که قادر به توقف مسیر گازها و مایعات بسیار بوده، اما به آب اجازه عبور می دهد.
گرافن به گونه ای از کربن گفته می شود که در آن لایه مسطحی از اتم های کربن در یک چیدمان شانه عسلی دو بعدی قرار
دارند.
به دلیل نازکی آن، این ماده کاملا شفاف است. از لحاظ رسانایی برق، کیفیت اجرایی این ماده مانند مس و رسانایی حرارتی آن
مانند دیگر مواد شناخته شده است.گیم و دیگران اکنون توانسته اند ورقه هایی از اکسید گرافن نازک بسازند که نتایج آن در
مجله ساینس منتشر شده است.
این غشاها صدها بار از موی انسان باریکتر بوده اما از قدرت، انعطاف و کنترل خوبی برخوردار است. زمانی که یک محفظه
فلزی با این غشا پوشیده می شود، حتی حساس ترین تجهیزات نیز قادر به شناسایی هوا یا هر نوع گاز از جمله هلیوم نیستند.
٦٣
این در حالیست که تنها آب قابلیت نفوذ در این ماده را دارد. مولکول های آب در میان غشاهای اکسید گرافن با چنان سرعتی
تجزیه می شوند که سرعت بخار شدن مشابه باز و بسته شدن محفظه است.
از دانشگاه منچستر که سرپرستی این تحقیقات را برعهده دارد، چیدمان لایه های اکسید گرافن به " راهول نیر " به گفته دکتر
گونه ای است که جای کافی برای قرار گرفتن یک ردیف مولکول آب وجود دارد؛ در صورتی که یک اتم یا مولکول دیگر قصد
ورود داشته باشد، مویرگ های گرافن یا در اثر رطوبت پایین فشرده شده یا با مولکول های آب مسدود می شوند.
اگرچه هنوز کاربرد خاصی برای این ماده پیشنهاد نشده؛ اما پروفسور گیم، از کاربردهایی مانند تصفیه، تفکیک یا غشای مانع
نام برده است.
در پژوهش دیگری که در مجله ساینس منتشر شده، تیم دیگری از محققان موفق به ساعت غشایی مبتنی بر کربن الماس
مانند شده اند که به روغن اجازه عبور می دهد. از این ماده می توان برای تصفیه آلاینده های سمی از آب یا پالایش مواد
شیمیایی صنعتی استفاده کرد. منبع: ایسنا
حافظه گرافنی، حافظه ی برتر
گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس در آمریکا، موفق به ساخت قطعه ای نواری شکل از جنس گرافیت به ضخامت 10
اتم شدند که مبنای نوع جدیدی از حافظه های رایانه ای خواهد بود.
این حافظه ی جدید قابلیت ذخیره ی حجم انبوهی از اطلاعات را دارد و می توان از آن در انواع رایانه ها، دستگاه های
صوتی-تصویری کوچک جیبی، تلفن های همراه و دوربین های دیجیتال استفاده نمود. مزایای بسیار زیاد این نوع حافظه که در
مقایسه با حافظه های فلش مدرن کنونی و دیگر فناوری ها کارایی به مراتب بهتری دارد، توجه بسیاری از صنایع را به خود
جلب کرده و هم اکنون محققان سرگرم تهیه ی مقدمات تولید آن هستند .
در این ابزار حالت جامد از مزیت خواص رسانشی گرافن استفاده شده است .استفاده از گرافن با توجه به خواص رسانشی جالب
توجه آن، موجب شده تا میزان ذخیره ی اطلاعات در یک آرایه ی دوبعدی 10 نانومتری از این ماده، در مقایسه با مدارهای
454 نانومتری تراشه ی حافظه های فلش کنونی تا پنج برابر افزایش یابد. مزیت دیگر این قطعه ها آن است که برخلاف
دستگاه های امروزی به جای سه ترمینال، دوترمیناله هستند و همین ویژگی در توانایی ذخیره ی اطلاعات آنها تاثیرگذار بوده و
موجب چند برابر شدن آن در هر لایه از آرایه های گرافنی شده است .
مکانیکی بودن این ابزارها برق مصرفی آنها را به میزان بسیاری کاهش داده و حتی داده های آنها در حالت خاموش بودن
دستگاه دست نخورده باقی می ماند .محققان علت این پدیده را باقی ماندن چیزی مثلاً حدود یک دهم جریان الکتریکی حالت
روشن در این وضعیت می دانند که به لحاظ صنعتی بسیار حائز اهمیت است .
این محققان با کنار هم گذاشتن تعداد زیادی از این حالت های خاموش، وضعیتی مانند حالت روشن ایجاد کردند. نکته ی بسیار
جالب توجه دیگر آن است که با این روش گرمای بسیار ناچیزی تولید می شود. این محققان کارکرد این قطعه را در دماهای
منهای 75 تا 200 درجه سیلسیوس مورد آزمایش قرار داده، دریافتند که در تمام این محدوده ی دمایی، این ابزار به خوبی کار
٦٤
می کند و به این ترتیب این حافظه های گرافنی حتی در نزدیکی پردازشگرهای داغ هم قابل استفاده است. همچنین با توجه به
نفوذناپذیری آن در مقابل تشعشات خارجی، می توان از آن برای شرایط بحرانی هم استفاده نمود. به گفته ی محققان، این
سوئیچ های نوین بسیار محکم و سریع هستند به طوری که حتی با 20000 بار خاموش و روشن شدن هیچ تغییری در عملکرد
آنها مشاهده نشد؛ لذا پیش بینی می شود طول عمر بسیار زیاد و به مراتب بیشتری را نسبت به حافظه های فلش موجود داشته
باشند .مزیت دیگر این نوع حافظه ها فراوانی ماده اولیه ی آن (یعنی گرافیت و آسان بودن تولید) است؛ به طوری که لایه نشانی
آن روی سیلیکون یا هر ماده ی پایه ی دیگری به روش رسوب دهی شیمیایی بخار و به کمک سایر روش های موجود رشد،
13. " به صورت آنلاین قابل دسترسی است Nature Materials گفتنی است گزارش این تحقیق در نشریه ی ". امکان پذیر است
ساخت سوئیچ های الکترونیکی پرسرعت
پژوهشگران ایرانی، با طراحی نانواتصالات گرافنی با قابلیت ایجاد مقاومت دیفرانسیل منفی (قطع و وصل کردن جریان)،
امکان ساخت سوئیچهای پرسرعت را در چیپهای الکترونیکی بر پایه صفحات گرافینی ، نوید دادند.
طراحی قطعات الکترونیکی در مقیاس نانومتری با " ، دکتر حسین چراغچی
هدف از این پژوهش، یافتن " : را، حائز اهمیت دانست و افزود " کارایی بالا
سازوکاری برای طراحی نانوقطعهای الکترونیکیاست که در منحنی جریان-ولتاژ آن،
مقاومت منفی دی ده میشود؛ یعنی با افزایش ولتاژ، جریان عبوری از قطعه کاهش
مییابد. این پدیده منجر به طراحیسوئیچهای الکترونیکی پرسرعت، با قابلیت قطع و
" وصل کردن جریان شده است
در این پژوهش، پدیده شارژ الکترونی که در اثر پتانسیلهای " : وی در ادامه گفت
الکتروستاتیکی حاصل از برهمکنشالکترونها با یکدیگر و نیز با بارهای تصویری
" درون الکترودها رخ میدهد، بهعنوان منبع تشدیدکننده این پدیده درنظر گرفتهشدهاست
دکتر چراغچی، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، درمورد چگونگی انجام این پژوهش گفت :
روشکار براساس فرمولبندی تابع گرین غیرتعادلی و بهصورت محاسبات خودسازگار انجام گرفته است بهگونهای که پس از "
طیچند مرحله خودسازگاری، بهازای هر ولتاژ ، با استفاده از توزیع بار و پتانسیل همگرا شده، ضریب عبور و جریان عبوری
ازسیستم محاسبه گردید. این محاسبه کاملاً عددی است و روی اتصالات نوارهای گرافنی اعمال میشود.
گرچه برای توضیح این پدیده بنیادی، از اتصالات نوارهای گرافنی استفاده شدهاست اما این رخداد، منحصر به این
14"". سیستمخاص نیست؛ این پدیده در اتصالات نانولوله کربنی نیز میتواند رخ دهد
استفاده از گرافن در تسریع سرعت انتقال اطلاعات
محققان موسسه فتونیک دانشگاه وین از گرافن به منظور تسریع سرعت انتقال اطلاعات استفاده کرده و موفق به
محاسبه سرعت تبدیل نور به سیگنال های الکتریکی در گرافن شدند.
گرافن ماده ای از جنس کربن است که ساختار کندو عسلی دارد. این ماده دارای ضخامت یک اتم با ویژگی های منحصربه فرد
است. محققان موسسه فتونیک در دانشگاه وین به خواص نوری و الکترونیکی این ماده علاقه مند هستند. آنها اکنون می دانند
که چگونه گرافن می تواند نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل کند. این کار می تواند تبادل اطلاعات میان رایانه ها را بهبود
بخشد.
زمانی که اطلاعات به صورت پالس های نوری است (برای مثال در فیبرهای نوری) این پالس ها باید دوباره به سیگنال های
الکتریکی تبدیل شده تا توسط رایانه قابل پردازش شوند. این تبدیل نور به جریان الکتریکی با استفاده از اثر فتوالکتریک
٦٥
امکان پذیر است. این اثر اولین بار توسط آلبرت انشتین توضیح داده شد. در برخی مواد، نور می تواند موجب حرکت الکترون از
موقعیت آن شده و در نهایت الکترون می تواند در طول آن ماده به حرکت درآید، این کار موجب جریان الکتریکی می شود.
الکساندر اولریچ می گوید: مدت هاست که شناساگرهای نوری با قابلیت تبدیل نور به سیگنال الکتریکی ابداع شده اند، اما این
مبدل های گرافنی بسیار سریع تر عکس العمل نشان می دهند.
الکساندر اولریچ به همراه استاد توماس مولر و کارل اونتراینر از دانشگاه صنعتی وین روی بررسی خواص نوری و الکترونیکی
گرافن تحقیق می کنند.
این محققان سال قبل نشان دادند که گرافن قادر است نور را با سرعت بالا به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند؛ اما آنها
نتوانستند سرعت این واکنش را محاسبه کنند زیرا اثر فتوالکتریکی بسیار سریع اتفاق می افتد. اکنون با یک ترفند علمی
می توان این کار را انجام داد.
برای این کار پالس لیزر روی شناساگر نوری گرافن تابیده می شود، در نتیجه جریان ایجاد شده اندازه گرفته می شود. اگر زمان
تاخیر میان پالس لیزر تغییر کند، فرکانس ماکزیمم شناساگر می تواند به دست آید. با این کار می توان فهمید که شناساگر مورد
استفاده در فرکانس 262 گیگا هرتز می تواند به کار گرفته شود. این عدد معادل حد بالای نظری انتقال اطلاعات با استفاده از
شناساگر نوری گرافنی بیش از 30 گیگابایت اطلاعات در ثانیه است.
یکی از دلایل اصلی این که چرا گرافن می تواند در چنین فرکانس های بالایی کار کند، طول عمر کوتاه حمل کنندگان بار در
گرافن است. در واقع الکترون برای حرکت از یک نقطه مشخص و رسیدن به مقصد تنها چند پیکوثانیه زمان نیاز دارد .
کاربرد گرافن در ساخت نوع جدیدی از ابرخازن ها
طبق اعلام اتحادیه انرژی بادی آمریکا، نصب توربین های بادی در آمریکا در سال 2007 حدود 45 درصد رشد
داشته است که در صورت ادامه یافتن این روند کل تولید انرژی فقط از طریق توربین های بادی ظرف 20 سال آینده چیزی
معادل کل تولید برق تمام منابع تولید برق در سال 2007 خواهد بود؛ اما آنچه این روند را با چالش روبه رو می کند چگونگی
ذخیره برق تولید شده است.
همینک ذخیره برق به دو شیوه عمده انجام می شود: یکی استفاده از باتری های
قابل شارژ و دیگری ابرخازن ها. با توجه به مزایای فراوان ابرخازن ها؛ از قبیل قابلیت
بیشتری که در ذخیره برق دارند؛ سبکی و طو ل عمر بیشتر؛ محدوده دمایی گسترده تر؛
انعطاف پذیری بیشتر در بسته بندی و نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری، کاربرد گسترده ای در
ذخیره و تولید انرژی دارند. از این دستگاه ها یا مستقیماً استفاده شده و یا اینکه به عنوان
منبع تغذیه های اولیه و یا همراه با باتری و پیل های خورشیدی مورد استفاده قرار
می گیرند .
در همین مسیر دانشمندان دانشگاه تگزاس آمریکا به دستاوردی جدید در زمینه ذخیره انرژی الکتریکی در این ابرخازن ها
دست یافتند. آنها موفق شدند با استفاده از ساختارهای گرافنی میزان ذخیره انرژی الکتریکی را در ابرخازن های معمولی تا دو
برابر افزایش دهند و به این ترتیب امکان استفاده گسترده از منابع تجدیدپذیر مثل باد و انرژی خورشیدی در تولید برق که
سابق بر این به دلیل مشکل ذخیره انرژی امکان پذیر نبود فراهم می شود .
در این شیوه جدید جریان ": پروفسور راد روف، استاد مهندسی مکانیک و متخصص شیمی فیزیک، در این باره می گوید
الکتریکی ایجادشده، بر اثر ذخیره و رها شدن سریع بارها روی صفحات گرافنی می تواند تا دو برابر جریان تولیدشده در
". شیوه های معمولی ذخیره انرژی افزایش یاد
آنها با تهیه نوع کاملاً اصلاح شده ای از گرافن و استفاده از چندین نوع الکترولیت معمولی، موفق به ساخت پیل های ابرخازنی
٦٦
گرافنی شدند. این روش به گونه ای طراحی شده بود که تمام سطح کربنی با الکترولیت در تماس باشد، همچنین مساحت
500 پوند از ماده جمع شده باشد)، به معنای آن است / تقریباً به اندازه سطح یک زمین فوتبال که در 1 m2/g( سطح 2630
که بیشتر شدن بارهای مثبت و منفی در الکترولیت می تواند لایه ای را روی صفحات گرافنی تشکیل داده، منجر به ایجاد
ذخیره باری استثنایی شود .
به کمک این فناوری کارایی و عملکرد خودروها، اتوبوس ها، قطارهای شهری و بین شهری هیبریدی و برقی بهبود می یابد.
حتی وسایل مصرفی روزانه ادارات مانند دستگاه های تکثیر یا تلفن های همراه نیز از این فناوری بی بهره نخواهند بود .
این محققان امیدوارند به زودی توربین های بادی زیادی در آمریکا و سایر نقاط جهان کار گذاشته شده، از آنها در تامین انرژی
. منتشر شد 15 Nano Letters الکتریکی استفاده شود .گفتنی است نتایج یافته های این دانشمندان درشماره 8 اکتبر نشریه
ساخت الکترودهای شفاف و انعطاف پذیر گرافنی
محققان در دانشگاه رایس با ساخت الکترودهای مبتنی بر گرافن، توانسته اند الکترونیک شفاف و انعطاف پذیر را یک قدم به واقعیت
نزدیک تر کنند. این محققان فیلم های نازکی ساخته اند که می توانند در نمایشگرهای دارای صفحه نمایش لمسی، پیل های خورشیدی و
انقلابی ایجاد کنند. (LEDs) دیودهای گسیلنده نور
است. اکسید قلع ایندیوم، محصول تجاری (ITO) فیلم گرافنی هیبریدی این محققان جایگزین باالقوه مناسبی برای اکسید قلع ایندیوم
است که بصورت گسترده بعنوان روکش رسانای شفاف استفاده می شود. این ماده در همه نمایشگرهای صفحه تخت از قبیل صفحه
ها، یک عنصر ضروری است و بخشی از دیودهای گسیلنده نور آلی iPad نمایش های لمسی روی گوشی های تلفن همراه هوشمند و
و پیل های خورشیدی است . (OLEDs)
یک ماده هیبریدی که از ترکیب یک توری آلومینیومی ریز با لایه ی گرافنی به ضخامت یک اتم، ساخته شده است؛ در مقایسه با
مواد معمول در صفحه های نمایش لمسی و پیل های خورشیدی عملکرد بهتری دارد. این الکترودهای انعطاف پذیر شفاف توسط محققان
دانشگاه رایس ساخته شده اند.
اکسید قلع ایندیوم در همه این کاربردها به خوبی کار می کند، اما چندین عیب دارد .ایندیوم عنصری بسیار کمیاب و گران است.
این ماده همچنین شکننده است که خطر شکستن صفحه نمایش را هنگامی که گوشی تلفن همراه هوشمند به زمین می افتد، افزایش
می دهد و ساخت نمایشگرهای انعطاف پذیر را غیرممکن می کند .
فیلم نازک این محققان از ترکیب صفحه تک لایه ی گرافنی بسیار رسانا با شبکه ظریفی از نانوسیم های فلزی، ساخته شده است. این
محققان ادعا می کنند که کارایی این ماده از کارایی اکسید قلع ایندیوم و دیگر مواد مشابه بالاتر است و بعلاوه شفافیت آن بهتر و
مقاومتش در برابر جریان الکتریکی کمتر است .
٦٧
جیمز تور، یکی از این محققان گفت: "تعداد زیادی از دانشمندان روی جایگزین های اکسید قلع ایندیم به ویژه آن دسته که انعطاف پذیر
هستند، کار می کنند. دانشمندان تاکنون درپی استفاده از گرافن خالص بوده اند. گرافن خالص ممکن است بصورت تئرری کار کند، اما
موقعی که روی یک بستر گذاشته شود؛ در حالتی که شفافیتش به اندازه کافی بالا باشد، رسانایی آن به اندازه کافی بالا نخواهد بود. این
مشکل باید به طریقی حل شود ".
یو زو، یکی دیگر از این محققان توضیح می دهد که ترکیب شبکه ای از نانوسیم های فلزی و گرافن، جایگزین مناسبی برای اکسید قلع
ایندیوم است. این شبکه نانوسیمی استحکام گرافن را افزایش می دهد و گرافن فضاهای خالی بین این شبکه را پر می کند .
. منتشر کرده اند 16 ACS Nano این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
کاربرد گرافن در شیمی آلی
گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس موفق به یافتن یک روش جدید با کنترل پذیری بالا برای اتصال مولکول های آلی به
گرافن دست نخورده شده اند؛ بدین ترتیب می توان از این ماده جادویی در کاربردهای مختلفی بهره برد.
محققان آزمایشگاه جیمز تور، شیمی دان دانشگاه رایس بر مبنای یافته های قبلی خود در دستکاری گرافن، یک روش
دومرحله ای برای تبدیل این ماده به یک ابرشبکه برای استفاده در شیمی آلی ابداع کرده اند. از نتایج این تحقیق می توان در
ساخت حسگرهای شیمیایی، ابزارهای ترموالکتریکی و متامواد با استفاده از گرافن بهره برد.
گرافن به تنهایی در بسیاری از واکنش های آلی شرکت نکرده و به عنوان یک شبه فلز، شکاف باندی ندارد؛ این ویژگی کاربرد آن
را در الکترونیک محدود می کند. اما پروژه ای که توسط ژنگ زونگ سان و کری پینت در آزمایشگاه جیمز تور انجام شده است،
نشان می دهد که می توان این ماده را برای انواع جدیدی از واکنش های شیمیایی مناسب سازی کرد.
تور می گوید تاکنون هیچ روشی برای اتصال مولکول ها به صفحه اصلی گرافن وجود نداشته است. او می افزاید:
مولکول ها بیشتر به سمت لبه های گرافن حرکت کرده و به بخش های داخلی آن متصل نمی شوند. حال با استفاده از این "
روش دومرحله ای می توانیم گرافن را هیدروژنه کرده و الگوهای خاصی روی آن ایجاد نماییم؛ سپس مولکول های مورد نظر را به
نقاطی که هیدروژن حضور دارد، متصل کنیم. ساخت حسگرهای شیمیایی که در آنها به عنوان مثال پپتیدها، نوکلئوتیدهای
یا ساکاریدها در نقاط مورد نظر به صورت عمودی از سطح حسگر به سمت بیرون کشیده شده اند، می تواند مفید باشد. DNA
." واکنش پذیری این نقاط نسبت به مولکول هایی که تنها در لبه ها قرار گرفته اند، بسیار بیشتر است
اولین مرحله از این کار استفاده از لیتوگرافی برای ایجاد الگوهایی روی شبکه کندویی سطح گرافن به منظور اتصال اتم های
هیدروژن است. بدین ترتیب گرافن به یک ابرشبکه دوبعدی نیمه رسانا به نام گرافان تبدیل می شود. اتم های هیدروژن با استفاده
از یک رشته داغ و با بهره گیری از روشی تولید شدند که توسط رابرت هاگ، یکی دیگر از محققان این کار توسعه یافته است.
این پژوهشگران توانستند با خالکوبی گرافن و الگودهی دقیق آن با جزایر گرافانی، جغد خوش یمن و معروف دانشگاه رایس را
با عرض سه برابر قطر موی انسان ایجاد نموده و سپس آن را با استفاده از روکش دهی چرخشی با یک فلوئوروفور روکش دهی
٦٨
کنند. گرافن به طور معمول فعالیت مولکول های فلورسانس را فرومی نشاند، اما گرافان اینگونه نیست؛ در نیتجه زمانی که این
مشاهده شد، الگوی جغدی شکل به روشنی (FQM) الگوی ایجاد شده توسط روش جدید میکروسکوپی فرونشانی فلوئورسانس
دیده شد.
منتشر شده است. 17 Nature Communications جزئیات این کار در مجله
مشاهده شکاف باندی در گرافن چندلایه
محققان دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید دریافته اند که گرافن چندلایه ای می تواند بسته به نوع قرار گرفتن لایه ها روی یکدیگر،
فلزی یا عایق باشد. این یافته در تضاد با محاسبات تئوری قرار دارد که پیش بینی می کند گرافن چند لایه ای بدون توجه به شرایط آن
فلزی خواهد بود و نشان می دهد که می توان ویژگی های الکترونیکی این ماده را با یک تغییر ساده در نحوه انباشته شدن لایه های مختلف
آن کنترل کرد. این قابلیت در تولید ابزارهای کاربردی مهم خواهد بود.
گرافن به دلیل ویژگی های الکترونیکی، حرارتی و مکانیکی جالبی که دارد، ماده نویدبخشی برای تولید ابزارهای الکترونیکی
مولکولی در آینده به شمار می رود. اخیراً توجه محققان به گرافن چندلایه معطوف شده است، زیرا انتظار می رود به دلیل برهمکنش های
الکترونیکی قوی که میان لایه های تشکیل دهنده این ساختار وجود دارد، ویژگی های حتی جذاب تری در آن مشاهده شوند.
تفاوت این دو ساختار تنها در این است که در دومی لایه بالایی تنها به .ABC و ABA : گرافن سه لایه ای دارای دو آرایش متفاوت است
اندازه فاصله یک اتم کربن نسبت به لایه دیگر جابه جا شده است (شکل بالا). در سامانه های چندلایه ای نحوه انباشته شدن لایه ها تاثیر
بسیار زیادی روی ویژگی های الکترونیکی این ساختارها دارد. انتظار می رود این تاثیر در گرافن سه لایه ای شدیدتر باشد؛ پیش بینی می شود
یک ماده نیمه رسانا ABC یک ماده شبه فلز با همپوشانی باندی قابل تنظیم، و گرافن سه لایه ای با آرایش ABA گرافن سه لایه ای با آرایش
با شکاف باندی قابل تنظیم باشد.
حال جینی لائو و همکارانش با اندازه گیری ویژگی های انتقالی گرافن چندلایه به نتایج غیرقابل انتظاری دست یافته اند؛ آنها نشان داده اند
عایق است. محاسبات تئوری پیش بینی می کنند که هر دو آرایش رسانا ABC فلزی بوده و گرافن سه لایه ای ABA که گرافن سه لایه ای
باشند.
اندازه گیری رسانایی
این محققان با نشاندن الکترودهایی روی ابزارهای گرافنی که یا روی یک بستر قرار گرفته بودند و یا به صورت معلق در یک حفره درون
تا Vs/2cm برای ابزارهای غیرمعلق بین 210 (μ) 2 قرار داشتند، رسانایی آنها را اندازه گرفتند. تحرک پذیری اثر زمینه Si/SiO بستری از
بود. Vs/2cm تا 280000 Vs/2cm و برای ابزارهای معلق بین 5000 Vs/2cm1900
دارای یک شکاف باندی ذاتی است که احتمالاً از برهمکنش های ABC بنابر گفته محققان این نتایج نشان می دهند که گرافن سه لایه ای
الکترونیکی قوی در سیستم چندلایه ای آن نشات می گیرد. وجود یک شکاف باندی هرچند کوچک برای ساخت ابزارهای الکترونیکی از
. گرافن ضروری است؛ گرافن به طور معمول فاقد این شکاف باندی است 18
منتشر شده است. Nature Physics جزئیات این کار در مجله
فیلم هاى گرافنى شفاف انعطاف پذیر
جنوبى فیلم هاى گرافنى شفاف انعطاف پذیرى تولید کرده است که به گفته آنها توان بالقوه ى بالایى براى گونه
جدیدى از پیل هاى خورشیدى دارد.
چانگوو ژو، استاد مهندسى برق در دانشگاه کالیفرنیاى جنوبى، توضیح داد" :پیل هاى بواسطه آسانى ساخت،
فوتوولتائیک آلى سبکى و سازگارى شان با بسترهاى انعطاف پذیر بعنوان وسیله اى براى رسیدن به انرژى ارزان (OPV)
پیشنهاد شده اند ".این دانشمندان پیل فوتوولتائیک آلى جدیدى را شرح داده اند که مزایاى برجسته اى بویژه در زمینه
انعطاف پذیرى فیزیکى دارد.
٦٩
نکته مهم در هر افزاره ى الکترونیک نورىِ فوتوولتائیک آلى، یک الکترود رساناى شفاف است که در سرتاسر آن نور
مى تواند براى ایجاد الکتریسیته با مواد فعال جفت شود .در این کار جدید نشان داده شده است که گرافن توان بالقوه بالایى
در ایفاى این نقش دارد.
این محققان براى اولین بار با ترسیب اتم هاى کربن از گاز متان به شکل فیلم هاى گرافنى روى یک ورقه نیکلى،
صفحات گرافنى بسیار نازکى ایجادکردند .آنها سپس روى این لایه گرافنى یک لایه محافظ از ترموپلاستیک ایجاد کردند و
نیکل تحتانى را در حمام اسید حل کردند .در مرحله نهایى آنها این گرافن محافظت شده به وسیله ی پلاستیک را به یک
صفحه پلیمرى بسیار انعطاف پذیر متصل کردند.
این مجموعه سپس مى تواند در یک پیل فوتولتائیک آلى یکپارچه شود.
جریانی از مخلوط گازی هیدروژن و متان، اتم های کربن را به شکل گرافن روی یک ورقه نیکلی ترسیب م یکند .
سپس این لایه گرافنی به یک صفحه به یک صفحه پلاستیکی منتقل می شود و یک پیل فوتوولتائیک آلی یکپارچه می
. (OPV) شود
این دانشمندان مى گویند که با وجود راندمان پایین تر این پیل هاى خورشیدى فوتوولتائیک مبتنى بر گرافن در
مقایسه با پیل هاى سیلیکونى، آنها مى توانند به طور بالقوه ارزان تر ساخته شوند و انعطاف پذیرى فیزیکى بیشترى دارند.
منتشر شده است . 19 ACS Nano نتایج این تحقیق در مجله
افزایش حساسیت حسگرهای گرافنی با استفاده از نقص های ساختاری
محققان دانشگاه ایلینویز دریافته اند که افزایش نقص های ساختاری در گرافن می تواند عملکرد آن را به عنوان یک
حسگر شیمیایی بهبود بخشد.
این دقیقاً برعکس " : اریک پاپ، استادیار مهندسی برق و رایانه و یکی از اعضای این گروه تحقیقاتی میان رشته ای می گوید
چیزی است که به عنوان مثال در مورد ترانزیستورها صدق می کند. فهمیدن اینکه با افزایش نقص ساختاری عملکرد آن بهتر
." می شود، در ابتدا متناقض به نظر می رسید
هدف این کار درک عوامل محدود کننده " : امین صالحی و دیوید استرادا نویسندگان اصلی مقاله مربوط به این کار می گویند
حساسیت رزیستورهای شیمیایی گرافنی دوترمینالی ساده و مطالعه این امر در ابزارهای ارزانی است که توسط رسوب دهی
این محققان دریافتند که پاسخ این رزیستورهای شیمیایی به شکل این نقص ها بستگی دارد. ." شیمیایی بخار ساخته می شوند
گرافنِ تقریباً بی نقص حساسیت کمی نسبت به مولکول های مورد آنالیز دارد، زیرا این مولکول ها روی " : صالحی می گوید
٧٠
نقص های نقطه ای جذب می شوند که در اطراف آنها مسیرهای با مقاومت کم وجود دارد. در نتیجه، جذب سطحی این
مولکول ها روی نقص های نقطه ای اثر بسیار کمی روی مقاومت کلی ابزار دارد. از سوی دیگر، نقص های خطی با اندازه
میکرومتری یا خطوط پیوسته از نقص های نقطه ای متفاوت هستند؛ در اطراف این خطوط مسیرهای رسانایی ساده ای وجود
استرادا ." نداشته و در نتیجه جذب مولکول های ماده مورد آنالیز روی این خطوط اثر زیادی روی مقاومت کلی ابزار دارد
این ویژگی می تواند در تولید حسگرهای گازی ارزان برای کاربردهای مختلفی همچون انرژی، امنیت و تشخیص " : می گوید
." پزشکی به کار رود
بنابر گفته محققان، طبیعت دو بعدی رزیستورهای شیمیایی دارای نقص که توسط رسوب دهی شیمیایی بخار تولید شده اند،
آنها را از رزیستورهای شیمیایی ساخته شده از نانولوله های کربنی متفاوت می سازد. می توان حساسیت این ابزارها را با بریدن
صفحات گرافنی به روبان های گرافنی با عرض های قابل مقایسه با عرض خطوط نقص (در این مطالعه میکرومتری) افزایش داد.
چیزی که فهمیدیم این بود که گازهای مورد حسگری ما تمایل دارند به نقص ها متصل شوند. نقص های " : پاپ می گوید
سطحی گرافن به یکی از سه شکل نقطه ای، چین و چروکی یا خطی هستند. ما دریافتیم که نقص های نقطه ای در حسگری
." اهمیت زیادی نداشته و نقص های خطی از بالاترین اهمیت برخوردارند
این کار به صورت مشترک توسط محققان مهندسی شیمی و مهندسی برق و رایانه دانشگاه ایلینویز و همچنین پژوهشگرانی از
منتشر شده Advanced Materials صورت گرفته است. جزئیات این کار در مجله Dioxide Materials شرکت نوپای
. است 20
گرافن چندلایه ای برای افزاره های الکترونیکی جدید
عدم توانایی گرافن در تشکیل یک باندگپ، مشکل اصلی این ماده برای استفاده در افزاره های الکترونیکی جدید است.
وجود باندگپ جهت ساخت افزاره هایی از قبیل ترانزیستورها، تراشه های کامپیوتری و پیل های خورشیدی ضروری است. اکنون
راهی برای تولید مقادیر قابل توجهی از گرافن به شکل دو یا سه (MIT) گروهی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست
لایه ای پیدا کرده است. موقعی که این لایه ها بدرستی مرتب شوند، این ساختارها، گرافنی با باندگپ بسیار مطلوب می دهند.
گرافن چندلایه ای برای افزاره های الکترونیکی جدید
عدم توانایی گرافن در تشکیل یک باندگپ، مشکل اصلی این ماده برای استفاده در افزاره های الکترونیکی جدید است.
وجود باندگپ جهت ساخت افزاره هایی از قبیل ترانزیستورها، تراشه های کامپیوتری و پیل های خورشیدی ضروری است. اکنون
راهی برای تولید مقادیر قابل توجهی از گرافن به شکل دو یا سه (MIT) گروهی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست
لایه ای پیدا کرده است. موقعی که این لایه ها بدرستی مرتب شوند، این ساختارها، گرافنی با باندگپ بسیار مطلوب می دهند.
و یکی از این محققان، می گوید: این یک تحول در فناوری گرافن است. MIT میکائیل استرانو، در
موقعی که ترکیبات برم یا کلر (ارائه شده به رنگ آبی) وارد قطعه ای از گرافیت )نشان داده شده به رنگ سبز) می شوند، این
اتم ها راه شان را برای ورود به این ساختار در بین هر سه صفحه پیدا می کنند. بنابراین فاصله بین این صفحه ها افزایش می یابد
و مجزا کردن آنها آسان تر می شود .
اگرچه گرافن در سال 2004 کشف شده است، اما تولید انبوه آن تاکنون یک چالش بوده است. با این حال، روش جدید این
محققان را می توان در مقیاس بزرگ انجام داد .طبق گفته استرانو با استفاده از این روش که کاربردهای عملی و واقعی گرافن
است که در A-B را ممکن می سازد، می توان ترتیب دقیقی از لایه ها ایجاد کرد. ترتیب این لایه ها معروف به پشته های
فضاهای بین آنها اتم هایی است که منجر به خواص الکترونیکی مطلوب می شوند .
نکته کلیدی در این فناوری استفاده از تکنیکی است که در دهه های 50 و 60 میلادی ارائه شده است :ترکیبات برم
وکلر به یک قطعه از گرافیت وارد شده و راه خود را بصورت طبیعی به داخل این ماده پیدا می کنند – به طور منظم در بین
لایه ها، یا در بعضی از حالت ها بین هر سه لایه قرار می گیرند و طی این فرآیند فاصله بین لایه ها را اندکی بیشتر می کنند .
٧١
استرانو و همکارانش متوجه شدند که موقعی که این گرافیت در محلول قرار داده می شود، بصورت طبیعی از مکان هایی
که اتم ها وارد شده اند، مجزا شده و ورقه های گرافنی دو یا سه لایه ای تشکیل می شود. استرانو می گوید: "بدلیل اینکه این
فرآیند پراکندگی می تواند بسیار ملایم باشد، ما به ورقه های بسیار بزرگ تر از ورقه های ساخته شده با دیگر روش ها می رسیم.
گرافن یک ماده ی بسیار آسیب پذیر است، بنابراین نیاز به یک فرآیند ملایم دارد."
منتشر کرده اند . Nature Nanotechnology این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
اثر هیدروژن در توسعه گرافن
هیدروژن نه تنها در توسعه گرافن نقش دارد، بلکه قادر است شکل و اندازه آن را نیز کنترل کند .این رویکرد جدید
باعث مى شود که دانشمندان با مشکلاتى که در مسیر تولید گرافن پیش رو داشتند مواجه نشوند.مدیر این پروژه تحقیقاتى
مى گوید :گرافن هاى تولیدشده با این روش داراى شکل هگزاگونال هستند و ساختار بلورى بى نقصی دارند .در سالهاى
اخیر رشد گرافن به واسطه تجزیه گازهاى حاوى کربن مانند متان روى فویل مس تحت درجه حرارت بالا انجام مى گرفت .
این روش به اصطلاح روش رسوب بخار شیمیایى نام دارد .این روش جدید فرایند تولید گرافن را به طور کلى متحول کرده
است.
این روش براى تولید فیلمهاى گرافنى باکیفیت نیز مورد استفاده قرار مى گیرد.دانشمندان بتازگى به نقش حیاتى
هیدروژن در رشد وتوسعه گرافن پى برده اند. محققان با استفاده از دستورالعمل جدید موفق به سنتز گرافن در مقیاس
بزرگ شد هاند .آنها امیدوارندکه بتوانند با استفاده از تکنیک هاى کنترل سایز شبکه ها و مرز آن ها عملکردترانزیستورها،
مواد نیمه رسانا و صدها ابزار متفاوت الکترونیکى را بهبود بخشند.
ارائه روش تولید نانوروبان های گرافنی ''h
یک گروه تحقیقاتی بین المللی برای تولید
نوارهایی از گرافن معروف به نانوروبان ها ، روش
جدیدی ارائه کرده است.
آن ها با استفاده از هیدروژن، بازشدن
نانولوله های کربنی تک جداره را تحت کنترل
درآورده اند. این روش همچنین برای تولید نانو
روبان های گرافن (نسخه اصلاح شده و نویدبخشی از
گرافن) راهی باز می کند.
با ساخت گرافن به شکل نوارهایی با پهنای
متغیر، معروف به نانوروبان ها، این امکان وجود دارد که خواص گرافن را بطور قابل توجهی بهبود داد. یکی از روش های تولید
نانوروبان ها، بازکردن نانولوله های کربنی با استفاده از عملیات اکسیژنی است. با این حال این روش باعث باقی ماندن اتم های
اکسیژن روی گوشه های نانوروبان ها می شود که همیشه مطلوب نیستند.
گروه تحقیقاتی مذکور در این مطالعه نشان داده است که این امکان نیز وجود دارد که نانولوله های کربنی تک جداره را
با استفاده از یک واکنش با هیدروژن مولکولی باز کرد. نانوروبان های تولید شده با این روش اتم های هیدروژن بر روی
گوشه هایشان خواهند داشت که این می تواند برای بعضی از کاربردها مزیتی باشد.
آلکساندر تالیزین، فیزیکدان دانشگاه اوما در سوئد، یکی از این محققان و کسی که سال ها در زمینه چگونگی
واکنش های هیدروژن با فولرین ها تحقیق کرده است، می گوید: اصلاح نانولوله های کربنی با هیدروژن توسعه منطقی تحقیق
قبلی مان بود. تجربه های قبلی مان کمک بزرگی به این کار کرده است.
٧٢
نانولوله ها بوسیله کلاهک های نیمه کروی که شبیه نصفه های فولرین هستند، بسته می شوند. این محققان قبلا نشان
داده اند که مولکول های فولرین را می توان بوسیله هیدروژناسیون بسیار قوی به طور کامل تخریب کرد.
بنابراین، آن ها برای کلاهک های انتهایی نانولوله ها نتایج مشابهی انتظار داشتند و سعی کردند که با استفاده از
هیدروژناسیون نانولوله ها را باز کنند. محققان مذکور این اثر را در نتایج خود واقعا دیدند و اثرات مهیج دیگری نیز مشاهده
کردند .جالب ترین نتیجه این بود که بعضی از نانولوله های کربنی درنتیجه واکنش با هیدروژن بصورت نانوروبان های گرافنی باز
شدند.نکته جالب دیگر این است که در اکثر موارد باز شدن نانولوله با هیدروژن متصل به دیواره های کناری می تواند منجر به
تولید گرافن هیدروژن دار شده(گرافان) شود.
تا کنون تلاش می شد که گرافان بوسیله واکنش هیدروژن با گرافن تولید شود .به نظر می رسد که روش مرسوم تولید
گرافان بسیار مشکل باشد، بویژه اگر گرافن روی بستری بوده و فقط یک طرف آن برای واکنش قابل دسترسی باشد.
با این حال، هیدروژن خیلی آسان تر با سطح منحنی شکل نانولوله های کربنی واکنش می دهد.
منتشر شده است. ACS Nano جزییات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله
برهم کنش متفاوت نور با گرافن
گروهی از دانشمندان در آمریکا کشف کرده اند که گرافن هنگامی که در معرض نور قرار گیرد، مانند یک نیمه رسانای
متداول رفتار نمی کند، بلکه در عوض "حامل های داغی" ایجاد می کند که تولید جریان نوری می کنند. این یافته می تواند برای
خلق انواع جدیدی از آشکارساز های نوری پربازده و فوق سریع و نیز افزاره های استحصال انرژی مانند سلول های خورشیدی
مفید باشد.
به گزارش سرویس علم و فن آوری پایگاه اطلاع رسانی صبا به نقل از نانو، هنگامی که یک نیمه رسانای متداول با نور تحریک
می شود، جفت های الکترون -حفره پرانرژی تولید می شوند. سپس این حامل های بار یک جریان نوری تولید می کنند .تاکنون،
پژوهشگران معتقد بوده اند که گرافن نیز در واکنش با نور اینچنین عمل می کند؛ اگرچه بعضی از دانشمندان به این امر مظنون
بودند که فرآیندهای ترموالکتریک می توانند در این ماده نقش بازی کنند. این پژوهش جدید که توسط پابلو جاریلو- هریرو و
همکارانش در موسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه هاروارد انجام شده است، بدون هیچ ابهامی برای اولین بار تایید می کند
که فرآیندهای ترموالکتریک واقعا مسئول تولید فوتوجریان در گرافن هستند.
برحسب تابعی از چگالی بار. این الگوی شش- برابری p-n نمودار ولتاژ نوری اندازه گیری شده در یک اتصال گرافنی
نشان می دهد که یک فرآیند فوتوترموالکتریک مسئول آن است و نه یک فرآیند فوتوولتائیک که الگوی دو -برابری ایجاد
می کند .
گرافن که در p-n این پژوهشگران نتایج خود را با اندازه گیری های اپتوالکترونیکی زیادی روی افزاره های پیچیده اتصال
گرافن، p-n 850 روی اتصالات nm آزمایشگاه ساخته بودند، بدست آوردند .بویژه، آنها با تاباندن نور لیزر با طول موج
اندازه گیری های میکروسکوپ تحریک -نوری با وضوح فضایی دقیق و انتقال الکترونی انجام دادند. سپس آنها جریان نوری
٧٣
تولید شده در این افزاره ها را با پیمایش نور لیزر روی نمونه ها، اندازه گیری کردند .
تولید می شود که با افزایش توان باریکه لیزر افزایش p-n گروه مذکور مشاهده کرد که یک جریان نوری قوی در تماس
5در دماهای پایین بود، مقداری که شش برابر بیشتر از موارد mA/W می یابد .بیشترین جریان نوری ضبط شده دارای مقدار
مشاهده شده در افزاره های اپتوالکترونیکی گرافنی قبلی است .
با توجه به اظهارات این پژوهشگران، چنین مقادیر بالایی نتیجه اثر فوتوترموالکتریک است. جاریلو- هریرو توضیح می دهد:
"هنگامی که شما نور را به گرافن می تابانید، الکترون های ماده گرم شده و داغ می مانند درحالیکه شبکه کربنی زیر آن سرد
باقی می ماند. این الکترون های داغ هستند که تولید جریان می کنند ".
منتشر کرده اند. Science این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
برتری یافتن گرافن بر نانولوله ها (در استحکام و مقاومت در برابر ترک )
سه مطالعه از محققان در موسسه پلی تکنیک ونسلار شرح می دهند که چرا گرافن باید نانوماده انتخابی برای مواد
کامپوزیتی مستحکمی باشد که می توانند در هر چیزی از توربین های باد گرفته تا بال های هواپیما استفاده شوند. طبق این
مطالعه ها کامپوزیت های ساخته شده با گرافن در مقایسه با کامپوزیت های ساخته شده با نانولوله های کربنی یا دیگر نانوذرات،
مستحکم تر، سخت تر و کمتر شکننده می باشند. این بدین معنی است که گرافن در توسعه مواد نانوکامپوزیتی نسل آینده
می تواند نقش اساسی بازی کند .
ورقه های گرافنی که این محققان از گرافیت توده ای استخراج کرده اند .
نیکهیل کوراتکار، رهبر این گروه تحقیقاتی می گوید: ما برای 10 سال است که
در زمینه نانوکامپوزیت ها کار می کنیم و گرافن بهترین ماده ای است که تاکنون
در زمینه بهبود خواص مکانیکی دیده ایم. گرافن در زمینه انتقال خواص
مکانیکی و استحکامی استثنایی اش به یک ماده ی میزبان، از نانولوله های کربنی
یا هر نانوپرکن شناخته شده ی دیگری، بسیار بهتر است.
کامپوزیت های پیشرفته به طور فزاینده ای به عنوان جزء کلیدی در طراحی
هواپیم اها، تیغه های آسیاب بادی جدید و دیگر کاربردهایی که نیاز به مواد بسیار
مستحکم و فوق العاده سبک دارند، استفاده می شوند. مواد کامپوزیتی اپوکسی بی نهایت سبک هستند، اما می توانند شکننده
باشند و به راحتی شکسته شوند. این محققان با استفاده از دسته ها یا ورقه هایی از گرافن نانوکامپوزیت های پیشرفته ای ساختند.
هر ورقه ضخامتی به اندازه ی فقط چند نانومتر داشت. آنها همچنین با نانولوله های کربنی نانوکامپوزیت های اپوکسی ساختند.
نانوکامپوزیت های اپوکسی ساخته شده با گرافن، عالی ترین عملکرد را از خود نشان دادند. در حقیقت اضافه کردن
گرافن به اندازه یک دهم درصد وزنی کامپوزیت، جهت افزایش استحکام و سختی اپوکسی، معادل اضافه کردن نانولوله های
کربنی به اندازه یک درصد وزنی کامپوزیت، است. این نانوپرکن گرافنی همچنین مقاومت ماتریس اپوکسی در مقابل پیشرفت
ترک و شکسته شدن را نزدیک صد برابر افزایش داد. اگرچه گرافن و نانولوله های کربنی خواص مکانیکی و شیمیایی نزدیک به
همدارند، اما گرافن خواص خود را خیلی بهتر از نانولوله های کربنی به ماتریس پلیمری منتقل می کند.
این محققان می گویند که صنایع هواپیمایی و انرژی باد، در جستجوی مواد جدیدی هستند که بتوانند با آنها تیغه های
توربین بادی و موتورهای بادوام تر و قوی تری بسازند. آنها با تحقیقات بیشتر، تلاش خواهند کرد که بفهمند چگونه گرافن
٧٤
می تواند در این زمینه سودمند باشد. گرافن در این زمینه بسیار نوید بخش است، زیرا می تواند از گرافیت که قابل دسترسی و
ارزان است، تولید شود و این بدین معنی است که تولید انبوه آن امکان پذیراست.
منتشر کرده اند. Applied Physics Letters وACS Nano ، Small این محققان نتایج خود را در مجله های
فلزات مستحکم با ساختار نانو در اتومبیل
بدنه اتومبیل هاى امروزى متشکل از حدود 193 فلز گوناگون است .فلزات به کار رفته در اتومبیل به دقت انتخاب و بهینه
مى شوند .اینکه کدام نوع فلز مناسب کدام بخش است به تخصص و مهارت زیادى نیاز دارد و این انتخاب پس از طى
مراحل پیچیده و آزمایش هاى گوناگون انجام مى شود که نیازمند تجهیزات پیشرفته و دانش و مهارت زیادی است .یکى از
مهمترین ویژگى هایى که باید در انتخاب تمامی فلزات در نظر گرفته شود، جرم کم یا به اصطلاح سبک بودن آن است .
علاوه بر این لازم است فلزات به کار رفته در برخى قسمت ها از استحکام بالایى برخوردار باشند تا مسافران را از صدمات
احتمالى هنگام تصادف محافظت کنند .
محققان بتازگى موفق به ساخت فلزاتى با ساختار نانو شده اند که از
استحکام بسیار بالایى برخوردارند(گرافن) به طورى که هیچ ماده اى
از نظر استحکام، توان رقابت با آ نها را ندارد .این فلزات نه تنها باعث
کاهش جرم اتومبیل و افزایش شتاب آن مى شوند، بلکه مسافران را
در مقابل تصادفات خطرناک و مرگبار مصون نگه می دارند. علاوه بر
ساخت این فلزات، تکنولوژى جدیدى نیز ابداع شده است که راه
استفاده از این فلزات را هموار مى کند .تکنولوژى مذکور قادر است
کاربرد عملى نانوفلزات مستحکم را تسریع کند.
اولین مرحله، تعیین ثبات فلزات جدید با ساختار نانو است .علاوه بر استحکام فلزات، میزان نرم بودن آن ها نیز مورد ارزیابى
قرار
مى گیرد .در این آزمایش، این فرایند در دماى پایین انجام مى شود، زیرا ذرات میکروسکوپى فلزى پایدار نیستند و این امر
ذهن دانشمندان را مشغول کرده است.
یک ساختار اید ه آل، متشکل از ذرات فلزى بسیار ریز است .مرز بین ذرات مى تواند به راحتى حتى در دماى اتاق نیز جابه
جا شود؛ در همین زمان استحکام نانو ذرات کاهش مى یابد.
کار ارزشمندى که محققان انجام داده اند این است که مرز ذرات میکروسکوپى را ثابت نگه داشته اند و به قول خودشان این
حاضر محققان با یک شرکت دانمارکى قرارداد بسته اند تا ( lock) حدود را قفل کرد هاند تا این مشکل حل شود.در حال
. از این قابلیت در ساخت آلومینیو م هاى فوق سبک استفاده کنند 21
ایجاد ورقه های اتمی از گرافن سفید
گروهی از دانشمندان آمریکایی و ژاپنی موفق شدند ورقه های اتمی از گرافن سفید را ایجاد و از آن در تهیه یک دی
الکتریک مطلوب استفاده کنند .
به گزارش خبرگزاری مهر، ماده گرافن از یک لایه تک اتمی کربن تشکیل شده است که پنج سال قبل کشف شد و از
آن زمان عنوان یکی از مولکولهای مورد توجه فیزیکدانان و مهندسان الکترونیک قرار گرفت. این ماده کاملا سیاه رنگ از
پتانسیل بالایی برای جایگزینی با سیلیکون در ساخت نیمه رساناها برخوردار است .
اکنون گروهی از محققان دانشگاه رایس و موسسه علوم و فناوریهای صنعتی پیشرفته ژاپن موفق شدند ورقه های اتمی
از گرافن سفید را ایجاد کرده و از آن یک "دی الکتریک" مطلوب به دست آورند. گرافن سفید ترکیبی 6وجهی از نیترید بور
است . (h-BN)
٧٥
تاکنون از گرافن سفید به عنوان بخش سرامیکی که حرکت الکتریسته را بهبود می بخشد استفاده می شد. این محققان
نشان دادند که از این ماده می توان برای تهیه یک ورقه تک مولکولی ایجاد و خواصی که در حال حاضر در گرافن وجود دارد
را تقویت کرد .
به این ترتیب این دانشمندان با استفاده از تکنیکی ورقه های گرافن سفید را ایجاد کردند که روی یک زیرلایه مسی
قرار گرفته بود. این ورقه ها از یک تا 5 اتم تشکیل شده اند و می توانند در کنار هم یک ساختار سه بعدی از گرافن سفید را
بر روی یک ورقه گرافن سیاه یا بر روی یک زیرلایه سیلیکونی تشکیل دهند .
براساس گزارش سافت پدیا، به گفته این محققان از ترکیب گرافن سیاه و گرافن سفید در سطح میکروسکوپی می توان
ترانزیستورها، حسگرها و خازنهای در ابعاد نانویی ایجاد کرد .
کاربرد گرافن در ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سریع
دانشمندان رومانیایی و فرانسوی می گویند می توان از گرافن برای ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سریع استفاده
کرد. این ابزارها را می توان جایگزین سوئیچ هایی کرد که به طور گسترده ای در کاربردهای ارتباطی همانند اینترنت و
گوشی های موبایل استفاده می شوند.
گرافن به دلیل دارا بودن قابلیت های زیاد برای ساخت ابزارهای الکترونیکی جدید یکی از موضوعات داغ در زمینه فیزیک و علم
مواد به شمار می آید. این ماده اعجاب انگیز در عین حالی که بسیار نازک و نیمه رساناست، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد،
زیرا الکترون ها به صورت پرتابه ای و با سرعت بسیار بالا درون آن حرکت می کنند .دلیل حرکت بسیار سریع الکترون ها درون
گرافن این است که آنها همانند ذرات نسبیتی با جرم ساکن صفر رفتار می کنند. این ویژگی و ویژگی های فیزیکی غیرمعمول
دیگر گرافن باعث می شود که این ماده به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در قطعات الکترونیکی آینده مطرح باشد.
CNRS-LAAS بخارست رومانی به همراه دانیلا دراگومان از دانشگاه بخارست و همکارانشان از IMT حال میرسیا دراگومان از
در فرانسه نشان داده اند که فلس های گرافنی می توانند انتشار میدان های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا تا 60 گیگاهرتز را با
استفاده از اعمال یک ولتاژ مستقیم فعال یا غیرفعال کنند. زمان کلیدزنی بسیار کوتاه و کمتر از 1 نانوثانیه است که یکی از
کوتاه ترین زمان های کلیدزنی برای این نوع از ابزارها محسوب می شود.
میکروویو است که از یک موجبر هم صفحه و آرایه ای از ورقه های گرافن فلزی که روی آن معلق NEMS این ابزار یک سوئیچ
٧٦
است، تشکیل شده است. موجبر ذکر شده از سه باریکه فلزی طلا تشکیل می شود که روی یک بستر سیلیکونی نیمه عایق با
ضخامت 500 میکرومتر رسوب داده شده اند. باریکه مرکزی طلا امواج میکروویو را منتشر کرده و دو باریکه دیگر به عنوان
الکترود اتصال با زمین عمل می کنند. بنابر گفته محققان، فلس های گرافنی به لطف نیروهای وان در والسی روی موجبر معلق
باقی می مانند، اما آنها همچنین می توانند از طریق اتصالات فلزی متصل شوند.
میرسیا دراگومان می گوید سوئیچ گرافنی بسیار ساده تر و کاراتر از سوئیچ هایی است که از مواد معمولی همچون سیلیکون
ساخته می شوند. در این ابزار، میدان الکترومغناطیسی به سادگی و با اعمال یک ولتاژ مستقیم روشن و خاموش می شود. او
این سوئیچ ویژگی های خوبی دارد. زمانی که خاموش است میدان الکترومغناطیسی را دفع می کند و زمانی که " : می افزاید
". روشن است، اتلاف بسیار کمی در آن ایجاد می کند
تاکنون گرافن تنها در کاربردهای محدودی دیده شده است و اگر در بازارهای بزرگی همچون " : دراگومان توضیح می دهد
" ارتباطات و سلامتی مورد استفاده قرار نگیرد، در سطح تحقیقات دانشگاهی باقی خواهد ماند
یکی از مشکلات اصلی پیل های خورشیدی گرافنی این است که امکان ساخت ساختارهای گرافنی قابل کنترل از نظر
اندازه، بزرگ به اندازه کافی، پایدار و قابل فرآوری، وجود ندارد. اکنون نقاط کوانتومی گرافنی ساخته شده بوسیله محققان
دانشگاه ایندیانا در ایالات متحده ممکن است راه حلی برای این مشکل پیشنهاد کنند. این محققان روش ساختی ابداع کرده اند
که در صورت ترکیب با شیمی کربن پیشرفته، آنها را قادر می سازد که در سرتاسر شیمی محلول نقاط کوانتومی سیاه، قابل
فرآوری در محلول و با اندازه یکنواخت بسازند .آنها همچنین شرح داده اند که این نقاط کوانتومی گرافنی می توانند به عنوان
حساس کننده ها برای پیل های خورشیدی استفاده شوند.
لیانگ- شی لی، یکی از این محققان می گوید: طبق اطلاعات ما، اینها بزرگ ترین صفحات گرافن پایدار هستند و حتی
از صفحات ساخته شده با روش پایین به بالا، نیز بزرگ تر هستند.
، ساختار مولکولی نقطه کوانتومی گرافنی 1 b ، اتصال 5،3،1 – تری آلکیل فنیل به گوشه گرافن a
پیکربندی این نقطه کوانتومی 1 که از نظر تئوری حداقل انرژی را دارد c
این محققان برای کاهش تمایل نانوساختارهای گرافنی به تجمع و تشکیل ذرات بزرگ تر نامحلول، راهبردی برای
محافظت از صفحات گرافن با محصور کردن آنها در سه بعد، توسعه داده اند .
لی توضییح می دهد: ما با اتصال کوالانسی بخش هایی از 5،3،1 – تری آلکیل فنیل چندگانه(در موضع 2) به گوشه های گرافن ها
به این راهبرد رسیدیم. این تجمع روی گوشه ها به گروه های فنیل فرعی برای پیچیدن اطراف صفحه گرافنی نیرو وارد می کند.
در نتیجه این نیرو، زنجیرهای آلکیل در مواضع 1 و 3 خارج این صفحه توسعه می یابند و زنجیره آلکیل در موضع 5 نیز از پهلو
توسعه می یابد .این روش یادآور درج اتم ها یا مولکول ها در گرافیت است که انرژی پیوندی بین لایه ای را به شدت کاهش
می دهد.
گروه جانبی این پوشش، شامل یک حلقه کربنی شش گوشه و سه دم دراز خاردار ساخته شده از کربن و هیدروژن، می باشد.
بدلیل اینکه صفحه گرافنی سخت است، این حلقه جانبی مجبور به یک چرخش 90 درجه ای نسبت به سطح گرافن است، ولی
سه دم خاردار آزاد هستند .
این دانشمندان کارایی نقاط کوانتوم گرافنی خود را در پیل های خورشیدی به عنوان جاذب نور، بررسی کردند. آنها توانستند
یک چگالی جریانی برابر 200 میکروآمپر بر سانتی متر مربع و یک ولتاژ مدار باز برابر 48 /. ولت، ایجاد کنند. این نقاط کوانتومی
گرافنی توانستند مقدار قابل توجهی از نور در محدوده نور مرئی تا نور نزدیک به مادون قرمز را جذب کنند
٧٧
رشد گرافن بر روی بلورهای مس
ژوزف لیدینگ و اریک پاپ، از محققان دانشگاه ایلینو با بررسی و به کارگیری فناوری های تصویربرداری دریافتند که
کیفیت گرافن به ساختار بلوری سابستریت مس بستگی دارد.
گرافن از جمله موادی است که در صنایع الکترونیک کاربرد فراوان دارد به طوری که آینده ی این صنعت به گرافن
بستگی دارد. کیفیت گرافن از جمله مسایل حل نشده در فناوری نانو است.
سابستریت مس برای رشد گرافن مناسب است زیرا ارزان قیمت بوده و همچنین رشد گرافن تک لایه را تسریع
می بخشد. محققان حدس می زنند که زبری سطح سابستریت مس در رشد گرافن تاثیر دارد ولی دانشمندان دانشگاه ایلینو
معتقدند که ساختار بلوری مس نیز در این فرآیند، بسیار با اهمیت است.
ورقه های مس دارای ساختارهای بلوری متفاوتی هستند. زمانی که گاز متان به سطح آنها برخورد می کند شکل های
بلورهای مس در تشکیل گرافن از اتم های کربن، بسیار تاثیرگذار است. شکل های بلوری مس با ضرایب عددی نشان داده
می شوند و محققان دانشگاه ایلینو با به کارگیری فناوری های تصویربرداری دریافتند که شکل های بلوری مس که دارای ضرایب
عددی بالاتری دارند، گرافن های با کیفیت پایین تری تولید می کنند. این محققان ضریب عددی 100 و 111 را شناسایی
کرده اند که به ترتیب دارای ساختار مکعبی و شش وجهی متراکم هستند.
تولید تک بلورهای مس، بسیار گران قیمت و مشکل است زیرا درصدی از بلورهای با ضریب عددی 111 نیز به عنوان
ناخالصی حضور دارد و محققان را در تولید گرافن های با کیفیت بالا و عاری از هرگونه عیب و نقص دچار مشکل می سازد.
دانشمندان بر روی مواد دوبعدی از قبیل عایق ها برای بهبود کارآیی تجهیزات گرافن، مطالعه و تحقیق می نمایند.
به چاپ رسیده است. Nano Letters نتایج تحقیقات انجام شده در مجله ی
تلفن همراهی که می توان آن را تا زد و با چکش کوبید !
یک شرکت در نظر دارد در بهار سال 2012 تلفن همراه قابل انعطافی را
عرضه کند که می توان به راحتی آن را به هر زاویه ای تا زد و حتی با چکش بر
روی آن کوبید .شرکت سامسونگ در دورانی که به نمایش گذاشتن
نمایشگرهای قابل انعطاف به یکی از اصلی ترین بخشهای نمایشگاه های
تکنولوژی به شمار می رود، موفق شده قدمی بزرگ را در زمینه تحقق بخشیدن به ایده ای رویایی به جلو بردارد.
٧٨
به گزارش پایگاه خبری فناوری اطلاعات برسام و به نقل از مهر، این تلفن همراه که ظاهری مانند گوشی های
"گلکسی" ا دارد به اندازه ای قابل انعطاف است که می توان آن را به راحتی به شکل لوله درآورده و یا تا زد.
خود را با ابعاد 4٫5 اینچ و ضخامت 0٫3 AMOLED این شرکت در ماه ژانویه سال جاری نمایشگرهای قابل انعطاف
میلیمتر به نمایش گذاشت و بر اساس گزارشات جدیدی که از محصولات این شرکت ارائه شده، تلفنهای همراه مجهز به این
تکنولوژی در سه ماهه دوم سال آینده در بازارها عرضه خواهند شد .
این تکنولوژی بر اساس صفحات کربنی به ضخامت یک اتم که گرافن نامیده می شوند، ابداع شده است، این لایه های
باریک بر روی یکدیگر قرار می گیرند و سپس لایه ای از
کریستال مایع به عنوان محافظ کل این لایه ها را پوشش می
دهد. سامسونگ تصاویری از طرح اولیه این تلفن همراه با نام
"گلکسی اسکین" را منتشر کرده است.
تلفنهای همراهی که در ساخت آنها از گرافن استفاده شود
عملا نشکن خواهند بود، ویژگی که موجب محبوبیت فوری و
بی چون و چرای این تلفنهای همراه نسبت به دیگر مدلهای
موجود در بازار خواهد شد.
بر اساس آنچه از محصول جدید سامسونگ منتشر شده،
گوشی های جدید و قابل انعطاف این شرکت از نمایشگری
قابل انعطاف با وضوح 800 در 480 برخوردار است، دوربینی
هشت مگاپیکسلی داشته و حافظه داخلی آن یک گیگابایت
در نظر گرفته شده است.
بر اساس گزارش دیلی میل، این ویژگی ها در کنار پردازشگر
1٫2 گیگاهرتزی به گوشی کنونی سامسونگ که در بازارهای
جهانی موجود است شباهت زیادی دارد. 22
تولید گرافن که به نازکی کاغذ و محکم تر از استیل است
این گرافن کاغذی که از گرافیت اصلاح شده توسط فرآیندهای شیمیایی به شبکه های تک لایه شش ضلعی کربنی
ساخته شده و به نازکی کاغذ در آمده، بسیار مستحکم است .
این گرافن کاغذی در مقایسه با استیل پنج برابر سبکتر بوده و از پنج تا شش برابر تراکم کمتری برخوردار است. این
ماده همچنین از دو برابر استحکام بیشتر، 10 برابر مقاومت کششی بیشتر و 10 برابر استحکام خمشس بالاتر نسبت به استیل
برخوردار است .
این مساله نه تنها یک پیشرفت چشمگیر در ویژگی های استیل، بلکه گامی به جلو در استحکام کلی مواد است. از
آنجایی که این ماده گرافن است، با چند ویژگی جالب الکتریکی، حرارتی و الکترونیکی نیز اشباع شده است .
بهترین ویژگی این ماده سخت و پرهزینه نبودن آن برای تولید بوده و از این رو می توان از آن در صنعت خودرو سازی و
. هوانوردی استفاده کرد 23
٧٩
فناوری کامپیوتری برای رفع بوی بد پا
گرافن، ماده ای جدید است که رسانایی و انعطاف پذیری زیادی دارد. اکسید آن هم بسیار
باکتری کش خوبی است! با این که هنوز مشخص نیست اکسید گرافین چه طور باکتری ها را
می کشد، اما این ماده می تواند شما را از بوی…
گرافن به عنوان ابرماده جدید زمان ما شناخته می شود .استحکام و انعطاف پذیری گرافن
باورنکردنی است و در عین حال، بسیار رسانا است و استفاده از آن در شبه رساناهای
انعطاف پذیر ، فناوری رایانه ای را قدرتمند تر ساخته است. با این همه، اگر هنوز هم احساس
می کنید که این ابرماده تاثیر چندانی روی زندگی شما ندارد، شاید این خبر برایتان جالب باشد که استفاده از این لایه نازک
کربنی که ضخامتی در حد قطر یک اتم دارد، می تواند شما و کفش هایتان را از شر بوی بد پا خلاص کند .
اما چه طور یک ابرماده رسانا و انعطاف پذیر که عمده ترین کاربردش هم در صنعت رایانه سازی است، به کفش و جوراب و
بوی پا ربط پیدا می کند؟ دلیل بوی بد کفش ها، باکتری ها هستند. بر اساس گزارش نیوساینتیست، ورقه های اکسید گرافن در
کشتن باکتری ها خیلی خیلی موثرند .
محققین دانشگاه علوم چین واقع در شانگهای اولین شواهد مربوط به باکتری کش بودن اکسید گرافین را در آزمایشگاه
خود به دست آورده اند. به گفته این محققین ، به خوبی روشن نیست که این فرایند چه طور و چرا اتفاق می افتد. مثل بسیاری از
دانسته های دیگر ، ما فقط می دانیم که این اتفاق می افتد ! خب، شاید همین قدر برای این که کاربردهای تازه ای برای
اکسیدگرافن پیدا کنیم کافی باشد، بعد به چگونگی آن هم خواهیم پرداخت. به هر حال یکی از پیشنهادهای محققن برای
کاربردهای احتمالی اکسید گرافن در آینده، رفع بوی بد کفش است. همچنین به اعتقاد آن ها ممکن است در آینده بتوان با
استفاده از این ماده، بسته بندی هایی برای مواد غذایی درست کرد که غذای تازه را برای مدت زمان طولانی تر نگه دارد ، بدون
این که غذا فاسد بشود .
کشف خواص جدید گرافن برای توسعه دستگاههای الکترونیکی آینده
فیزیکدانان آمریکایی موفق شدند خواص جدیدی از ماده گرافن را پیدا کنند که با کمک آنها می توان دستگاههای
الکترونیکی آینده را توسعه داد .
به گزارش خبرگزاری مهر، ماده گرافن از یک لایه تک اتمی کربن تشکیل شده است و در سالهای اخیر به عنوان یکی
از مولکولهای مورد توجه فیزیکدانان و مهندسان الکترونیک قرار داشته است. این ماده از پتانسیل بالایی برای جایگزینی با
سیلیکون در ساخت نیمه رساناها برخوردار است .
اکنون گروهی از دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و لابراتوار ملی لارنس برکلی دریافتند درصورتیکه که گرافن در
شرایط کشش قرار گیرد نانو حبابهایی را شکل می دهد که در آنها الکترونها همانند زمانی که در یک میدان مغناطیسی واقع
شده اند رفتار می کنند .
نتایج این تحقیقات گامی مهم در شناخت این ماده و امکان استفاده از آن در ساخت سیستمهای نیمه رساناها است .
دانشمندان این خاصیت جدید را با ساخت یک ورقه گرافن بر روی سطح یک بلور پلاتین کشف کردند به این ترتیب
توانستند یک ساختار سه بعدی بدشکل شده را به دست آورند که به سه جهت مختلف کشیده می شد .
این محققان تشکیل حبابهای نانویی از 4 تا 10 نانومتر را در این ماده مشاهده کردند که در اطراف آنها الکترونها به
روش عجیبی رفتار می کردند به طوری که در داخل این حبابها الکترونها به جای اینکه همانند آن چیزی که در گرافن نرمال
رخ می دهد در باندهای انرژی در کنار هم قرار گیرند در سطوح کوانتومی انرژی تشکیل گروه دادند .
٨٠
تصویر گرافن در حالت بدشکل شده
این محققان در این خصوص اظهار داشتند: "درصورتیکه الکترون در یک مسیر مدور در یک میدان مغناطیسی بسیار
شدید تا 300 تسلا قرار گیرد سطوح انرژی با سطوحی که الکترون اشغال می کند یکسان می شود که این میدان مغناطیسی
30 برابر میدانی است که در دستگاههای روزنانس مغناطیسی به کار می رود. به طوری که اسکنرهای روزنانس مغناطیسی در
میدان مغناطیسی با شدت کمتر از 10 تسلا عمل می کنند درحالی که میدان مغناطیسی زمین در سطح خاک برابر با 31
میکروتسلا است ".
براساس گزارش ساینس، به اعتقاد این محققان، رصد این پدیده راه جدیدی برای درک چگونگی کنترل حرکت
الکترونها در گرافن و در نتیجه درک چگونگی تغییر دادن خواص الکتریکی از طریق بدشکل کردن آن است .
کشف روشی جدید برای ساخت نانوسیمها از گرافن
فیزیکدانان آمریکایی روش جدیدی را کشف کردند که می تواند با استفاده از ماده جدید گرافن تحولی در تولید
نانوسیمها ایجاد کند.
به گزارش خبرگزاری مهر، دانشمندان مدرسه فیزیک موسسه تکنولوژی جورجیا با استفاده از تکنیک جدیدی به نام
موفق شدند نانوسیمهای جدیدی را از ماده گرافن به دست آورند . " (TCNL) "نانو لیتوگرافی ترموشمیایی
در این فرایند، این فیزیکدانان اکسید گرافن عایق را با یک میکروسکوپ الکترونیکی نیروی اتمی گرم کردند و به این
ترتیب موفق شدند نانوسیمهایی به قطر 10 نانومتر به دست آورند .
نتایج این تحقیقات یک گام رو به جلو در توسعه کابردهای الکترونیکی نانومدارات گرافنی است گرافن مهترین گزینه
برای جانشینی نیمه رساناها است .
براساس گزارش ساینس، این تکنیک با اشکال مختلفی از گرافن کار می کند و می تواند تضمینی برای توسعه آینده
مدارات الکترونیکی برپایه گرافن باشد .
این محققان در این خصوص اظهار داشتند: "ما نشان دادیم که با گرم کردن محل به محل اکسید گرافن عایق با
استفاده از میکروسکوپ الکترونیکی نیروی اتمی قادر خواهیم بود نانوسیمها را تولید کنیم و بتوانیم خواص الکترونیکی را برای
رسانایی الکتریکی این ماده تنظیم و کنترل کنیم ".
٨١
گرافن ماده ای است که از یک لایه اتمهای کربن ساخته شده است این ماده به دلیل رسانایی بسیار بالایی که دارد می
تواند تحولی در علم مواد به خصوص در ساخت نیمه رساناهای جدید، پانلهای خورشیدی فتوولتائیک و تراشه های رایانه ای
ایجاد کند.
گرافن و ساخت تراشه های رایانه ای جدید
گروهی از دانشمندان اروپایی در بررسیهای خود دریافتند که ماده ای به نام "مولیب دنیت" خاصیت نیمه رسانایی دارد
و می تواند در ساخت تراشه های رایانه های آینده مورد استفاده قرار گیرد .
به گزارش خبرگزاری مهر، دانشمندان اروپایی به سرپرستی "آندارس کیس" از لابراتوار الکترونیک و ساختارهای نانویی
پلی تکنیک فدرال اکوله در لوزان سوئیس و با بودجه کمیسیون اروپا دریافتند که تراشه های الکترونیکی آینده می توانند از
سیلیکون و یا گرافن ساخته نشوند بلکه ماده ای به نام "مولیب دنیت" در تولید این تراشه ها به کار رود .
نتایج تحقیقات این پژوهشگران که در مجله علمی "نیچر نانو تکنولوژی" منتشر شده است نشان می دهد که "مولیب
دنیت" یک نیمه رسانای بسیار موثر است که می تواند برای ساخت ترانزیستورهای کوچکتر، موثرتر و کم مصرف تر استفاده
شود .
"مولیب دنیت" یک ماده معدنی در دسترس در طبیعت است و درحال حاضر به عنوان ماده اولیه در ساخت آلیاژهای
فولادی استفاده می شود، اما تاکنون پناسیل این ماده به عنوان یک نیمه رسانا کشف نشده بود .
این دانشمندان کشف کردند که "مولیب دنیت" به خاطر یک شکاف 1.8 الکترون ولتی یک ماده نیمه رسانای عالی
است .
ساختار دو بعدی "مولیب دنیت"، این ماده را از نظر الکتریکی بسیار موثرتر از سیلیکون می کند و بنابراین مصرف
انرژی ترانزیستورهای "مولیب دنیتی" در حالت آماده به کار 100 هزار برابر کمتر از ترانزیستورهای سنتی است .
٨٢
این دانشمندان در این خصوص اظهار داشتند: "این یک ماده دو بعدی بسیار نازک است که به راحتی در نانوتکنولوژی
و پیلهای خورشیدی LED ، مورد استفاده قرار می گیرد. مولیب دنیت پتانسیل بالایی در ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک
دارد. در یک ورقه از مولیب دنیت با قطر 0.65 نانومتر الکترونها می توانند به همان راحتی حرکت کنند که در یک ورق
سیلیکون با قطر 2 نانومتر در جریانند. این درحالی است که امروز ساخت یک ورقه سیلیکون نازک مثل یک ورق تک لایه ای
مولیب دنیت امکانپذیر نیست ".
به گفته این محققان، خواص و مزایای مولیب دنیت برابر با خواص و مزایای گرافن است. با این تفاوت که گرافن در
طبیعت موجود نیست و فرایند تولید آن بسیار پرهزینه است .
براساس گزارش کوردیس، "تئوری باند" در فیزیک روشی برای نشان دادن انرژی الکترونها در یک ماده است. در نیمه
رساناها در میان این باندها فضاهای آزادی برای حرکت الکترونها وجود دارد که به این فضاها "شکاف باند" گفته می شود .
اگر شکاف چندان کوچک و یا وسیع نباشد بعضی از الکترونها می توانند از روی آنها پرش کنند به این ترتیب سطح
کنترل رفتار الکتریکی ماده به حداکثر می رسد و بنابراین می توان آنها را به راحتی روشن و خاموش کرد .
وجود این شکاف در "مولیب دنیت" موجب شده است که این ماده نسبت به گرافن یک مزیت پیدا کند. به طوریکه به
اعتقاد این دانشمندان، این ماده در آینده جایگزین سیلیکون خواهد شد. در حقیقت شبه فلز گرافن شکاف ندارد و تولید این
شکافها بر روی این ماده به صورت مصنوعی بسیار دشوار و پرهزینه است .
ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وبسیار سریع با استفاده از گرافن
گروه تحقیقاتی دانشگاه منچستر یک ترانزیستور گرافنی یک نانومتری ساخت که ضخامت آن یک اتم و قطرش برابر ده
اتم بود. عده ای پیش بینی کرده بودند که ترانزیستورهای مذکور که از مشتقات گرافن بودند روزی جای سیلیکون را به عنوان
پایه ی محاسبات آینده بگیرد.
به مدت چهل سال، یک قانون کلی به نام قانون مور بر محاسبات حکمفرما
بوده است. این قانون پیش بینی می کند که تقریباً هر دو سال، تعداد
ترانزیستورهای مورد استفاده روی تراشه ها دو برابر خواهد شد.با این وجود،
سیلیکون که تا به حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زیر ده نانومتر
ساختارهای پایداری ندارد. جدیدترین تراشه های امروز تنها چهل و پنج نانومتر
ابعاد دارند. بنابراین وجود جایگزینی برای سیلیکون احساس می شود.
گرافن ها از خواص رسانشی فوق العادهای برخوردارن و به همین دلیل نامزد نسل آینده ی ترانزیستورهای سرعت بالا
هستند. شرکت هایی مانند آی بی ام و نوکیا هم به آینده گرافن امید بسته اند. آی بی ام یک ترانزیستو 150 گیگاهرتزی تولید
کرده است؛ در حالی که سریع ترین ترانزیستور سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس 40 گیگاهرتز کار می کند.
به گفته دکتر یو مینگ لین از آی بی ام، "در ___________مورد سرعت ترانزیستورها، در حال حاضر هیچ مرزی برای حد نهایی
سرعت آنها وجود ندارد. هرچند به مشکلاتی برخورده ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی کنم که مشکلی با خواص گرافن
داشته باشیم"
ذخیره بسیار متراکم داده ها
یک نمونه حافظه شبیه حافظه های فلش کنونی ساختند که مبتنی بر گرافن Rise گروهی از پژوهشگران دانشگاه
طراحی شده بود و علاوه بر این که از چگالی و تراکم بیشتری برخوردار بود، اتلاف حافظه کمتری داشت.
٨٣
ذخیره انرژی
کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تلاش ها برای استفاده از
این ماده جهت ساخت خازن های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتقال جریان
الکتریسیته آغاز شده است .هم اکنون نیز بعضی از شرکت هایی که در ساخت
محصولات الکترونیکی ویژه از نانولوله های کربنی استفاده می کنند، در حال روی
آوردن به گرافن هستند. نمونه ای از این محصولات الکترونیکی ویژه، لباس هایی
هستند که می توان آن ها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آن ها شارژ کرد. همچنین از ترکیب گرافن و آب
برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. آب،سبب خیس نگهداشتن گرافن )به شکل ژل) می شود ویک نیروی دافعه میان
ورقه های منفرد ایجاد کرده و با جلوگیری از اتصال دوباره این ورقه ها به یکدیگر، امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای
واقعی ایجاد می کند. کارایی ژل گرافنی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره سازی و هم از نظر زمان
رهایش این بار بسیار بهتر از فناوری دیگرِ مبتنی بر کربن بود.
دکتر دان لی، استاد دانشکده مهندسی مواد دانشگاه موناش به همراه همکارانش روی گرافن کار کرده اند؛ این ماده
اگر بتوانیم این ماده را " : می تواند مبنایی برای تولید نسل بعدی سامانه های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد.وی می گوید
" به درستی دستکاری کنیم، به طور مثال آیفون شما می تواند در عرض چند ثانیه و یا حتی کمتر شارژ شود
تجهیزات نوری، سلول های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر
گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اصلی گرافن در این است که می تواند نور و الکتریسیته را
از خود عبور دهد. این ویژگی ها در کنار مزایایی مانند استحکام و انعطاف پذیری باعث می شود تا استفاده از آن به افزایش بازده
بیانجامد، مضاف بر این که در ساخت تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای LED سلول های خورشیدی و لامپ های
لمسی، نوریاب ها و لیزرهای فوق سریع نیز سودمند خواهد بود.
سامسونگ با همکاری دانشگاه سانگ کیون کوان کره جنوبی، بیشترین
سرمایه گذاری را بر روی تحقیقات گرافن انجام داده است. این شرکت توانسته یک
نمایشگر لمسی انعطاف پذیر 25 اینچی را با استفاده از همین فناوری تولید کند و
قصد دارد طی پنج سال آینده ده ها محصول تجاری دیگر با استفاده از گرافن تولید
کند
استفاده از گرافن در تولید نازک ترین جامه نامرئی
جامه نامرئی یکی از فناوری های است که می تواند در حوزه های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران دریافته اند
که با استفاده از گرافن، می توان این البسه را تا حد بسیار زیادی نازک کرد. با این کار طیف کاربرد این فناوری افزایش
محسوسی می یابد.
محققان دریافتند که حتی یک لایه اتمی از گرافن می تواند خواص فوق الذکر را داشته باشد. برای این کار از سطوح
دارای فرکانس مناسب، یعنی سطوح رسانا با الگوهای مناسب، استفاده شد که با این کار مقاومت موثر سطح به کار گرفته
می شود. یکی دیگر از مزایای جامه گرافنی آن است که می توان مقاومت سطح موثر آن را در لحظه تنظیم کرد. با این کار
می توان جامع قابل سوئیچ و قابل تنظیم تولید نمود .
٨٤
افزایش شارژ باطری های قابل شارژ با استفاده از گرافن
محققان در دانشگاه استانفورد با پیچاندن ذرات ریز گوگرد در صفحه های گرافنی، ماده کاتدی نویدبخشی برای
باتری های قابل شارژ گوگرد – لیتیوم ساخته اند .این باتری ها را می توان در مقیاس بزرگ برای نیرو دادن به وسائل نقلیه
الکتریکی استفاده کرد. این کاتدهای جدید گوگرد – گرافن موقعی که با آندهای مبتنی بر سیلیکون ترکیب شوند، می توانند
منجر به باتری های قابل شارژی شوند که چگالی انرژی بسیار بالاتری از آنچه هم اکنون ممکن است، دارند.
یکی از بزرگ ترین چالش های پیش روی وسائل نقلیه الکتریکی که از باتری ها توان می گیرند، چگالی های توان و انرژی
پایین باتری های لیتیوم قابل شارژ است. نقطه ضعف این باتری ها مواد کاتدی کنونی آنها است که ظرفیت های ویژه شان بسیار
کمتر از ظرفیت های ویژه مواد آندی است.
مراحل تولید یک کامپوزیت گوگرد – گرافن که می توان آن را بعنوان ماده کاتدی برای باتری های قابل شارژ گوگرد –
لیتیوم با چگالی انرژی بالا استفاده کرد.
محققان دانشگاه استانفورد بمنظور رفع این مشکل، از گوگرد استفاده کرده اند که ظرفیت ویژه تئوری برابر با 1672
میلی آمپر ساعت بر گرم (حدود 5 برابر ظرفیت ویژه مواد کاتدی مرسوم) دارد .اگرچه گوگرد مزایای دیگری از قبیل هزینه کم
دارد، اما معایبی نیز دارد .برای مثال، گوگرد رسانای ضعیفی است، در طی تخلیه منبسط می شود، و پلی سولفیدها در
الکترولیت حل می شوند. این مشکل ها سبب عمر چرخه کم، ظرفیت ویژه پایین و راندمان انرژی پایین می شوند.
این محققان برای حل این مشکل ها راهبردی ارائه کردند. آنها ذرات ریز گوگرد را برای بدام اندازی پلی سولفیدها و
روکش دهی کردند. این روکش پلیمری انعطاف پذیر همچنین با (PEG) جلوگیری از حل شدن شان، با پلی اتیلن گلایکول
اصلاح انبساط حجمی ذرات گوگرد در طی تخلیه هر چرخه، عمر چرخه را بهبود می دهد. سپس این محققان ذرات گوگرد
روکش داده شده را در صفحه های گرافن تزئین شده با نانوذرات دوده، پیچاندند. نانوذرات دوده رسانایی گوگرد را بهبود
می دهند.
محققان مذکور شرح دادند که کاتد گوگرد – گرافن منتج می تواند برای بیش از 100 چرخه، ظرفیت ویژه بالایی بین
500 تا 600 میلی آمپر ساعت بر گرم داشته باشد. این مواد کاتدی جدید را می توان برای ساخت باتری های قابل شارژی با
چگالی انرژی بالاتری از چگالی دیگر باتری های قابل شارژ امروزی استفاده کرد. طبق گفته این محققان افت ظرفیت برای 100
چرخه فقط 10 تا 15 درصد است که بسیار عالی است.
منتشر کرده اند. Nano Letters این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
٨٥
فیزیک ذرات پرانرژی
رانیز خشنود CERN گرافن ماده ای است که پژوهشگران مرکز تحقیقاتی
خواهد کرد. زیرا استفاده از این ماده، مطالعه ذرات کوانتومی در سرعت های بالا را
ساده تر خواهد کرد. با توجه به این که گرافن فقط دو بعد دارد، الکترون ها می توانند
تقریباً بدون وجود مقاومت در ساختار مشبک آن حرکت کنند.
اظهارات متخصصان و پژوهشگران حاکی از آن است که محصولات گرافنی تا
صنعتی شدن فاصله زیادی ندارند. به هر حال، همگام با افزایش نیازهای علمی و محاسباتی مواد جدیدی پا به عرصه می گذارند
که استفاده از آن ها می تواند بین عرضه و تقاضا تعادل ایجاد کند.
گرافن دسترسی به اینترنت پرسرعت را افزایش می دهد
دانشمندان برای گرافن کاربردی جدید یافتند، آنها موفق به کشف
شیوه ای شده اند که با استفاده از آن نازک ترین ماده روی زمین می تواند
نور بیشتری جذب و تبدیل کند، ویژگی که امکان دسترسی به اینترنت
پرسرعت را افزایش می دهد.
به گزارش مهر، این تیم که دو برنده نوبل فیزیک سال گذشته، "اندره
گایم" و "کستیا نووسلوف" نیز در آن حضور دارند، دریافته است که با
ترکیب کردن گرافن با نانوساختارهای فلزی می توان میزان ذخیره سازی نور و تبدیل آن به برق را در گرافنها 20 برابر افزایش
داد.
گرافن شکلی از کربن است که ضخامت آن تنها یک اتم کربنی است و با وجود این ضخامت کم هنوز 100 برابر
قدرتمند تر از فولاد است. همچنین مطالعات پیشین نشان داده بودند که با قرار دادن دو رشته فلزی بالای لایه ای از گرافن و
تاباندن نور بر روی این مجموعه می توان یک سلول خورشیدی ساده به وجود آورد.
محققان می گویند با وجود تحرک و سرعت بالای الکترونها در گرافن، ابزارهایی که با استفاده از این ماده ساخته می
شوند از سرعت شگفت انگیزی برخوردار خواهند بود، به بیانی دیگر سرعت آنها 10 تا صدها برابر بالاتر از سرعت ارتباطات در
سریعترین کابلهای اینترنتی رایج خواهد بود.
تنها نکته منفی در به کار گرفتن این ماده، کارایی پایین آن است. مشکل اینجا است که گرافن مقدار کمی نور جذب
می کند و بقیه نور بدون مشارکت در ایجاد انرژی برق به هدر می رود. از این رو تیم نووسلوف با همکاری محققان دانشگاه
های کمبریج و منچستر دریافتند می توانند با ترکیب نانوساختارهای فلزی مشهور به "نانوساختارهای پلاسمونیک" با گرافن
این مشکل را حل کنند.
با استفاده از این نانوساختار فلزی میزان جذب نور گرافن بدون قربانی شدن میزان سرعت این ماده، 20 برابر افزایش
پیدا کرد و به گفته دانشمندان می توان این کارایی را بیش از این نیز افزایش داد.
دانشمندان می گویند انتظار این بهبود در کارایی گرافن را با استفاده از نانوساختارهای فلزی داشته اند اما شگفتی
خوشایند دیگری که محققان در این کشف با آن مواجه شدند این است که این بهبود در کارایی می تواند بسیار بیشتر از این
باشد. به اعتقاد محققان گرافن همراه طبیعی پلاسمونیکها است.
بر اساس گزارش نیچر، این ابداع می تواند کاربرد گرافن را در صنایع نوری و توسعه ابزارهایی که می توانند نور را
هدایت یا کنترل کنند افزایش خواهد داد.
٨٦
ساخت عضله مصنوعی از نانو روبان اکسید گرافن
این عضله به هنگام گرم شدن الکتریکی قادر است 1.6 درصد مقدار اولیه خود منقبض یا منبسط شود. از این عملگر
می توان در تولید سیستم های الکترومکانیکی، میکرو سیالات یا حتی نانوربات ها استفاده کرد. ظرفیت کار ماکزیمم آن 49 ژول
بر کیلوگرم است که بسیار شبیه به عضله طبیعی بوده و قابل مقایسه با عملگرهای الکتروشیمیایی موجود در بازار است .
میخائیل کوزلو و همکارانش با استفاده از باز کردن نانولوله های کربنی چند جداره، نانوروبان های اکسید گرافن ساختند.
با این روش می توان نانوروبان هایی کم عرض با اندازه های بسیار یکنواخت تولید کرد. با فیلتر کردن نانوروبان های متفرق در
خلاء، آنها نانوروبان ها را به هم متصل کرده و یک سطح کف پوش مانند ایجاد کردند. این گروه تحقیقاتی با استفاده از گرم
کردن الکتریکی این عملگر، عملکرد خوب آن را مورد ارزیابی قرار دادند .
مطالعات الگوی پراش نشان داد که در اثر گرم کردن نانوروبان ها، تغییرات قابل بازگشتی در فاصله بین صفحه ای این
نانوروبان ها بوجود آمده است. این تغییرات ابعادی موجب می شود که فرآیند جذب و دفع مولکول های آب بین لایه های
نانوروبان اکسید گرافن اتفاق افتد. این گروه تحقیقاتی معتقد است که ورود و خروج مولکول های آب در ساختار نانوروبان
مسوول حرکت های بوجود آمده در عملگر است .
استفاده از نانوروبان های اکسید گرافن که با گرما حرکت می کنند، موجب می شود که نسل جدیدی از مواد به عنوان
مواد مستعد برای استفاده در عضله های مصنوعی معرفی شوند. به اعتقاد یکی از محققان این پروژه، بعد از بهینه کردن ساختار
و خواص مکانیکی آن، این عملگرها قادرند به صورت تجاری در بازار عرضه شوند .
و به همراه ترانزیستورهای گرافنی به عنوان مکملی در ظهور الکترونیک MEMS این عملگرها می توانند در راه اندازی
گرافنی موثر باشند. زمانی که ادوات الکترونیکی عاری از الکترولیت منقبض و منبسط می شوند، نیروی کافی تولید می کنند تا
بتوانند میکروگریپر را کنترل کرده و یا قطعات را در ادوات میکرو اپتو الکترومکانیکی حرکت دهد و یا در سیستم های
میکروسیالی دریچه ها را باز کند. این ادوات می تواند در تولید قطعات حرکت کننده(مانند بازو یا پا) در نانوربات ها استفاده
شود .
به چاپ رسیده است. این گروه پیش از این پروژه ای روی Chemical Physics Letters نتایج این تحقیق در نشریه
نانوکامپوزیت های رسانای الاستومیریک برای حسگرهای فشاری به انجام رسانده اند .
٨٧
محدودیت های پژوهش
1. عدم همکاری مسولین آزمایشگاه در زمینه در اختیار قرار دادن آزمایشگاه
2. عدم در اختیار بودن استاد مربوط به موضوع پژوهش
3. کمبود منابع ترجمه شده یا فارسی جدید در ارتباط با موضوع پژوهش.
٨٨
نتیجه گیری :
گرافن ماده ایست با پایه کربنی که انقلابی بزرگ در عرصه تکنولوژی ایجاد خواهد کرد و دنیای
آینده را هر چه باهوش تر ، سریعتر و دقیقتر می کند .گرافن ماده ای بسیار ارزشمند از لحاظ
علمی و بشدت اقتصادی می باشد که با ورود آن به عرصه زندگی و صنعت باعث تغییرات
چشمگیر و خیره کننده ای در روند زندگی در آینده نزدیک بشر خواهد شد .
امید است با پیشرفت های بیشتر کشور عزیزمان ایران در این زمینه بتوانیم قدم بلندی در زمینه
علمی و اقتصادی برداشته باشیم .
٨٩
منابع :
١. ""A.Hirsch, M.Brettreich, Fullerenes: Chemistry and Reactions, Willey VCH
Verlag GmbH, 2005.
2. P.Holister, C.Roman, T.Harper, Fullerenes, Cientifica Ltd., 2003.
3. http://www.sussex.ac.uk
4. L.K.Panina, V.E.Kurochkin, E.V.Bogomolova, A.A.Evstrapov, N.G.Spitsyna,
""Doklady Biological Science 357, 1997, page 53.
٢. www.nanoclub.ir
٣. http://www.knowclub.com/paper/
٤. Nature Nanotechnology, Vol. 4, April 2009
٥. http://www.physorg.com/news157717683.html
نتایج این تحقیق در . ٦ J. Appl. Phys. .منتشر شده است
٧. http://www.nanosat.ir/
٨. http://www.knowclub.com/paper/
٩. http://www.nanosat.ir/
١٠. http://physicsworld.com
١١. http://www.nanowerk.com http://nanotechweb.org
١٢. http://www.physorg.com/partners/the-ohio-state-university/
١٣. http://www.physorg.com/news146497821.html
جزئیات این پژوهش که بهعنوان بخشی از پایاننامه دکتر حسین چراغچی و با راهنمایی پرفسور کیوان . ١٤ "
اسفرجانی (دانشیاردانشگاه صنعتی شریف) انجام شده، در مجله PHYSICAL REVIEW B ؛ ( جلد 78
( 85 ؛ سال 2008 – منتشرشدهاست صفحات 123 .""
منبع . . ١٥ : http://www.physorg.com/news140787110.html
سایت نانو . ١٦
١٧. http://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111129123540.htm
سایت نانو . ١٨
١٩. http://viterbi.usc.edu
٢٠. .http://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111129112323.htm
مجله نانو تکنولوژی . ٢١
٢٢. www.tebyan.com
٢٣. www.tebyan.com__

فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 1
مقدم ه ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2
پیشگفتار …………………………………………………………………………………………………………………………………… 3
فصل اول: کلیات پژوهش
اهمیت و ضرورت پژوهش و اهداف آن ………………………………………………………………………………………. 5
سوال های پژوهش ……………………………………………………………………………………………………………………. 5
فرضیه های پژوهش …………………………………………………………………………………………………………………… 5
معرفی نانو تکنولوژ ی ………………………………………………………………………………………………………………….. 6
کربن ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 8
فولر ن ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 10
فصل دوم : معرفی گرافن
گرافن پایه ساختارهای مهم کربنی ………………………………………………………………………………………………… 14
کایرالیتی ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 21
ویژگی نانو لوله های کربنی ………………………………………………………………………………………………………… 26
هدایت حرارتی نانو لوله های کربنیو گراف ن ……………………………………………………………………………………. 29
هدایت حرارتی …………………………………………………………………………………………………………………………. 31
صنعت میکرو الکترونیک و نانو لوله های کربنی …………………………………………………………………………….. 33
نانو تیوپ های کربن ی ………………………………………………………………………………………………………………….. 36
روشهای شیمیایی تولید گرافن …………………………………………………………………………………………………….. 39
فصل سوم : کاربردهای گرافن
گرافن،ماده ای که دنیا را دگرگون می کند ……………………………………………………………………………………… 49
کاربردهای اجمال ی ………………………………………………………………………………………………………………………. 49
کشف خواص غیر عادی نانو نوارهای گرافن ی ………………………………………………………………………………… 53
گرافن ونیمه رسانای ی …………………………………………………………………………………………………………………… 53
ابداع روشی برای دیسپرس کردن گراف ن ………………………………………………………………………………………… 54
گرافن و تولید سویچ میکروویو…………………………………………………………………………………………………….. 54
روش اندازه گیری ثابت جهانی ساختار ریز به کمک گرافن …………………………………………………………… 55
گرافن برای آب نامرئی است ………………………………………………………………………………………………………. 56
راه جدیدی برای ساخت روبانها ………………………………………………………………………………………………….. 56
فولاد سبک تر و غیر متراکم تر ……………………………………………………………………………………………………. 57
کاغذ ضد باکتری ساخته شده از گرافن ……………………………………………………………………………………….. 57
گرافن اکتشافات نفت را آسان تر می کند ……………………………………………………………………………………… 58
با نانو حفرههای گرافنی ………………………………………………………………………………….. 59 DNA تعیین توالی
استراق سمع سلول ها با ترانزیستورهای گرافنی …………………………………………………………………………….. 60
ساخت تراشه های رایانه ای سریع ………………………………………………………………………………………………. 61
ساخت غشای گرافنی برای تصفیه آب و تقطیر الکل …………………………………………………………………….. 62
حافظه گرافنی حافظه برتر …………………………………………………………………………………………………………… 63
ساخت سوئیچ الکترونی پر سرع ت ……………………………………………………………………………………………….. 64
استفاده از گرافن جهت تسریع سرعت انتقال اطلاعات …………………………………………………………………… 64
کاربرد گرافن در ساخت نوع جدیدی از ابر خازن ه ا ………………………………………………………………………. 65
ساخت الکترودهای شفاف و انعطاف پذیر گرافنی ………………………………………………………………………….. 66
کاربرد گرافن در شیمی آل ی ………………………………………………………………………………………………………….. 67
مشاهده شکاف باندی در گرافن چند لایه …………………………………………………………………………………….. 68
فیلم های گرافنی شفاف انعطاف پذیر …………………………………………………………………………………………… 68
افزایش حساسیت حسگرهای گرافنی با استفاده از نقص ساختاری ………………………………………………….. 69
گرافن چند لایه برای افزاره های الکترونیکی جدید ……………………………………………………………………….. 70
اثر هیدروژن در توسعه گراف ن ………………………………………………………………………………………………………. 71
ارائه روش تولید نانو روبانهای گرافن ی …………………………………………………………………………………………… 71
برهمکنش متفاوت نور با گراف ن ……………………………………………………………………………………………………. 72
برتری گرافن بر نانو لوله ها …………………………………………………………………………………………………………. 73
فلزات مستحکمبا ساختار نانو در اتومبی ل ……………………………………………………………………………………….. 74
ایجاد ورقه های اتمی از گرافن سفید …………………………………………………………………………………………… 74
کاربرد گرافن در ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سری ع …………………………………………………………….. 75
رشد گرافن بر روی بلورهای مس ……………………………………………………………………………………………….. 77
تلفن همراهی که می توان آنرا تا زد و با چکش کوبید ……………………………………………………………………. 77
تولید گرافن به نازگی کاغذ و محکم تر از استیل …………………………………………………………………………… 78
فناوری کامپیوتر برای رفع بوی بد پا ……………………………………………………………………………………………. 79
خواص جدید گرافن برای توسعه دستکاهای الکترونیکی آینده ……………………………………………………….. 79
روشی برای ساخت نانو سیمها از گرافن ………………………………………………………………………………………. 80
گرافن و ساخت تراشه کامپیوتری جدید ………………………………………………………………………………………. 81
کاربردگرافن در ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وسریع …………………………………………………………. 82
ذخیره انرژ ی ………………………………………………………………………………………………………………………………. 83
افزایش شارژ باطری های قابل شارژ با استفاده از گراف ن ………………………………………………………………….. 58
فیزیک ذرات پرانرژ ی ………………………………………………………………………………………………………………….. 85
گرافن دسترسی به اینترنت پر سرعت را افزایش می دهد ………………………………………………………………… 85
ساخت عضله مصنوعی از نانو روبان اکسید گرافن………………………………………………………………………….. 86
محدودیتهای پژوهش ………………………………………………………………………………………………………………. 87
نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………………………………… 88
منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………. . …. 89
١
چکیده:
گرافن به دلیل داشتن ویژگى هاى عالى مکانیکى، الکتریکى، دمایى، اُپتیکى، مساحت سطحى بسیار بالا،غیر متراکم
بودن و …. چشم بسیاری از دانشمندان جهان را مورد توجه قرار داده است در این پژوهش به معرفی ، کاربردها صنعتی و علمی
و روشهای تولید آن می پردازیم .
کلید واژه : معرفی گرافن ، کاربردهای گرافن ، تحقیقات گرافن ، تولید گرافن
٢
مقدمه :
بعد از گذشت دوران صنعتی شدن که تکان بزرگی به صنعت جهان داد.با توسعه فناوری های نوین و پیدایش کامپیوتر
شاهد تحول چشمگیری در کلیه زمینهای جهان شدیم اما در 60 سال اخیر با شروع تحول علمی جهان توسط ریچارد فاینمن
روبرو شده ایم که آنرا فناوری نانو نهاده اند و با پیشرفت آن شاهد تغییرات بزرگی در زندگی جهان خواهیم شد. این پیشرفت
ها در زمینه های پزشکی ، کشاورزی ، کامپیوتر و . . . ایجاد شده است.
آینده محتمل نانو را پیش بینی نموده " آن پایین جاى زیادى وجود دارد " پروفسور ریچارد فاینمن، در جمله معروف
من نمى توان ببینم که چه چیزى اتفاق مى افتد، اما به جرات مى گویم که هنگامى که ما بر روى آرایش اجزاء در " بود
مقیاس کوچک کنترل داشته باشیم به محدوده بسیار وسیع ترى از خواص قابل پیش بینى اجزا دست خواهیم یافت و
او این جمله را در دسامبر 1959 بیان کرد که : ما شاهد کاهش رویایى مقیاس " کارهاى مختلفى مى توانیم انجام دهیم
اجزاى الکتریکى از مقیاس ماکرو(درآن زمان) تا مقیاس هاى میکرو و نانو، مقیاس اتم ها و مولکول هاى منفرد خواهیم بود .
از آن زمان به بعد، تلاش هاى زیادى به منظور درک و بهره بردارى از مواد در سطح اتمى با استفاده از خواص نانومقیاس
انجام گرفته است. امروزه از یک سو توانایى هاى سیلیکون به محدودیتهاى خود رسیده و از سوى دیگر، به طور هم زمان
کشف گرافن با خواص منحصربه فرد خود در مقیاس نانو، مسیر موجود براى تولید جایگزین هاى ممکن براى نسل جدید
قطعات الکترونیکى سریعتر و کوچکتر در قرن 21 را هموار کرده است .ویژگى هاى جذاب گرافن، باعث شده است که
اعتبارات و حامیان مالى فراوانى براى تحقیقات در این زمینه پیدا شود و ما شاهد افزایش نمایى در تعداد مقالات مرتبط با
گرافن باشیم.ما نیز در این پژوهش، به معرفی گرافن و روند تحقیقات در مورد گرافن را مطالعه نموده و آینده آن را بررسی
می کنیم. امید است با بضاعت کم این حقیر و محدودیت ها بسیار ذهن خوانندگان را به این موضوع و جذابیتهای آن جلب
نمائیم .
1390/11/ ابراهیم محبی 1
٣
پیشگفتار :
در مطالب ارائه شده ابتدا به توضیح مفاهیم پایه ای نانو پرداخته سپس به آلوترپهای دیگر کربن می پردازیم تا خوانندگان
محترم با آنها نیز آشنایی مقدماتی پیدا کرده تا بتوانند تفاوت های گرافن با گونه های دیگر چون نانولوله های کربنی و… را به
خوبی متوجه شوند و در انتها به توصیف اعجوبه نانو ((گرافن)) می پردازیم و کاربردهای آن را نیز بیان می کنیم.
٤
فصل اول
کلیات پژوهش
٥
اهمیت و ضرورت پژوهش و اهداف آن :
با توجه به اینکه فناوری نانو جزء فناوری های نوین بوده و معمولاً دانشجویان با آن آشنایی کمتری دارند و کشفیات
جدید نانو نیز برای آنها غریب می باشد و گرافن نیز که گل سرسبد آن است از یک طرف چون پایه بسیاری از ترکیبات آلی و
نانو لوله ها است و از طرف دیگر بخاطر ویژگیهای الکترونی غیر عادی توجه بسیاری از دانشمندان و دانشجویان جهان را به
خود جلب نموده است و با توجه به خلاء آن میان دانشجویان پیام نور اهواز احساس میشد به معرفی آن در قالب یک پژوهش
پرداخته شود .
فرضیه های پژوهش :
برای تولید گرافن از هرمنبع حاوی کربن رابطه معنی داری وجود دارد. 
برای تولید فلزاتی که از فولاد مستحکم تر و مقاومتر باشند درعین حال بسیار نازک باشند می توان از گرافن استفاده 
نمود.
میان رسانایی الکتریکی بالای گرافن و مشخصات آن رابطه معنی داری وجود دارد 
از گرافن با فوق العاده استحکام بالا و سبک می توان برای تولید هواپیماها و خودروها و . . . که برای سرنشینان آنها 
امنیت بالایی ایجاد می نمایید بهره جست
از گرافن با رسانایی بالای خود و ضریب انتقال حرارت فوق العاده برای تولید تراشه های کامپیوتری با سرعت و 
قدرت بیشتر استفاده نمود که باعث شکستن محدودیدهای حال حاضر می گردد
سوالهای پژوهش :
گرافن چیست ؟ و دارای چه ساختاری است ؟ 
چه روشهایی برای تولید گرافن وجود دارد ؟ 
آیا گرافن با رسانایی ویژه خود تا چه حد قادر به تحول در زمینه الکترونیک و سایر صنایع خواهد بود ؟ 
تفاوت گرافن با نانو لوله های کربنی چیست ؟ و دارای چه ویژگیهای متفاوتی می باشند ؟ 
گرافن با دارا بودن کوچکترین سطح در جهان و مستحکم و غیر متراکم چه کاربردهایی می تواند داشته باشد؟ 
آیا با وارد شدن گرافن به صنایع واقعاًجلوی مصرف گرایی در جهان گرفته شده و فاصله غنی و فقیر گاهش می یابد ؟ 
(به علت استحکام اشیاء در برابر خرابی و خوردگی و …… )
٦
تعریف نانو تکنولوژی
نانو تکنولوژی محدوده ای از تکنولوژی است که در این محدوده انسان می تواند انواع ترکیبات ، آلیاژها ، وسایل و
ابزارها به طور کلی،سیستم هاو سازه های گوناگون را در مقیاس اتمی و مولکولی و در ابعاد نانومتری (یک میلیاردم متر)
طراحی کرده و به مرحله ساخت برساند.روش ساخت در اکثر موارد، بصورت جابجا نمودن اتمها و مولکلها و قرار دادن آنها در
موقعیت های مناسب می باشد. همچنین می توان نانو تکنولوژی را بر اساس اجزا تشکیل دهنده این نامگذاری،یعنی نانو و
تکنولوژی ، تعریف نمود. تکنولوژی در کل به معنی ساخت ابزارهای کاربردی با استفاده از قوانین علمی می باشد؛ همانطور که
گفته شد،یک نانومتر به معنی یک میلیاردم متر است. محدوده ابعادی مورد بحث در نانو تکنولوژی عبارت است از ابعادی بین
گرفته تا فیزیک X 1تا 100 نانومتر. اما این محدوده،بخش زیادی از محدوده ابعادی علوم مختلف، از کریستالوگرافی با اشعه
اتمی و مباحث شیمی و… را شامل می شود، لذا برای مشخص کردن محدوده کاری فرض می کنیم که نانو تکنولوژی تنها
شامل ساخت و تولید در محدوده تعریف شده با استفاده از وسایل مخصوص می باشد. بطور خلاصه نانو تکنولوژی شامل
دستکاری مواد در حوزه اتم ها بوده؛ که شامل قرار دادن اتم ها در جای خاص خود می باشد و اجازه می دهد تا موادی
سبکتر،محکم تر،ارزان تر، تمیزتر و بادقت ابعادی بالاتر ساخته شوند. به زبان ساده تر می توان گفت که اجسام و مواد
نانومتری، تعداد زیاد ولی قابل شمارشی از اتم ها و مولکول ها را دارا می باشند.
نانوتکنولوژی چیست ؟
تعریفی را برای فناوری نانو ارائه می دهد که در NNI ، در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد
برگیرنده هر سه تعریف ذیل باشد.
1. توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی ، مولکولی و یا ماکرومولکولی در مقیاس اندازه ای 1 تا 100 نانومتر.
2. خلق و استفاده از ساختارها و ابزار وسیستمهایی که به خاطر اندازه کوچک یا حد میانه آنها، خواص و عملکرد
نوینی دارند
3. توانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی
تاریخچه نانو تکنولوژی
با بیان "فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد"، ایده فناوری نانو توسط ریچارد فاینمن مطرح شد. وی این
نظریه را ارایه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم. مثلا می توان 24
را بر روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن را باید 25 هزار مرتبه کوچکتراز ابعاد " دایره المعارف بریتانیکا " جلد
٧
واقعیش کرد. همچنین دوتایی کردن اتم ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها از دیگر موارد مطرح شده توسط وی بود. (در آن زمان
ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند، اما وی احتمال می داد که ابعاد آن ها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای
1 اینچ / کنونی نیز کوچکتر کرد). وی در پایان سخنرانیش 1000 دلار برای اختراع اولین الکتروموتوری که ابعادش حداکثر 64
مکعب باشد، پیشنهاد داد و جایزه ای برای اولین کسی که بتواند ابعاد یک صفحه کتاب را به اندازه ابعاد اصلیش کوچک کند،
تعیین کرد. ابعاد این صفحه کتاب می بایست به اندازه ای باشد که بتوان آن را به کمک یک میکروسکوپ الکترونی خواند این
ایده ها در سال های 1960 و 1985 تحقق یافتند و جایزه های آنها نیز پرداخت شد
" موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو " : در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان
بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در
توسعه داد. " نانوسیستم ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها " کتابی تحت عنوان
آینده نانو تکنوژی
فناوری نانو در آینده ای نزدیک به یک کلمه کاملاً کاربردی مبدل خواهد شد. این فناوری یکی از جدیدترین
فناوری ها بوده که به طور حتم بسیاری از بخش های تولیدی و صنعتی را در بلند مدت تحت تاثیر خود قرار می دهد. فناوری
نانو با فناوری هایی نظیر الکترونیک، زیست فناوری، شیمی، رباتیک و هوافضا ادغام می شود.
نتیجه این فناوری ایجاد راه های جدید برای برطرف کردن مشکلات در محصولات، با استفاده از میکرو اجزای نانو
ساختار خواهد بود. طی چند سال، رشد چشم گیر فناوری نانو را در پوشش نانو ساختار، مواد شیمیایی خاص، پارچه ها، نسوج
و… مشاهده کرده ایم. حتی استفاده های گسترده تر فناوری نانو را نهایتاً به صورت تجاری مشاهده خواهیم کرد. در هر حال،
باورهای کاربردی در زمینه پتانسیل کاربردهای فناوری نانو هنوز سال های مدیدی را انتظار می کشد تا به عرصه ظهور
بپیوندد.
٨
کربن
و عدد اتمی 6. کربن عنصری غیر فلزی و C کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی است، با نشان •
فراوان، چهارظرفیتی ودارای سه آلوتروپ می باشد:
الماس (سخت ترین کانی شناخته شده) •
گرافیت(یکی از نرم ترین مواد) •
orbitals are of chemical interest only 1Covalend bound sp •
فولریت (فولرین ها، مولکولهایی در حد بیلیونیوم متر هستند که در شکل ساده آن، 60 اتم کربن یک لایه گرافیتی با
ساختمان 3 بعدی منحنی، شبیه به روروئک (روروئکی که قسمت جلوی آن مانند چوب اسکی خم شده)، تشکیل می دهند .
دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده. این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل
ساختمان آن همسانگرد (ایزوتروپیک) است. چنین کربنی همسانگرد و مانند شیشه محکم است. لایه های گرافیت آن مانند
کتاب مرتب نشده اند، بلکه مانند کاغذ خرد شده می باشند.
الیاف کربن شبیه کربن شیشه ای می باشند. تحت مراقبتهای ویژه (کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) می توان لایه های
صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد. هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمی گیرد . نتیجه الیافی با
استحکام بیشتر از فولاد می باشد . کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه شیمی آلی را تشکیل می دهد .همچنین این
غیرفلز ویژگی جالبی دارد که می تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند (تشکیل دهنده بیش از ده
میلیون ترکیب).در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن می کند که برای رویش گیاهان، حیاتی می باشد.در صورت
ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود می آورد که به شکل سوختهای فسیلی ، در صنعت بسیار
بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد ،گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را
14 به طور متداول در سن C- می سازند که برای حیات و استر، که طعم دهنده بسیاری از میوه ها است، ضروری است.ایزوتوپ
یابی پرتوزایشی کاربرد دارد.
اشکال
کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از ن رم ترین (گرافیت ) و یکی از سخت ترین
(الماس) مواد شناخته شده توسط انسان می باشد. افزون بر این، کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله
اتمهای دیگر کربن، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود می آورد. این خصوصیات باعث شکل
گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است .ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می سازند و چرخه کربن – نیتروژن
قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تامین می کند. ==تولید کربن کربن در اثر مهبانگ (انفجار
بزرگ آغازین) حاصل نشده، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله ای ذرات آلفا (هسته اتم هلیم ) دارد.
جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بو د. به هر حال، کربن درون
قرار دارند، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن H-R ستارگانی که در رده افقی نمودار
تبدیل می کنند، تولید شد.
کاربردها
کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که می دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد
داشت(به برتر پنداری کربن مراجعه کنید).عمده ترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربنها می باشد که قابل توجه ترین آنها
سوختهای فسیلی، گاز متان و نفت خام است.نفت خام در صنعت پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهم ترین
آنها بنزین، گازوئیل و نفت سفید بکار می رود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاهها بدست می آیند. از نفت خام مواد اولیه
بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آنها در مجموع پلاستیک نامیده می شوند، شکل می گیرد.
٩
دیگر کاربردها :
14 که در 27 فوریه 1930 کشف شد در سن یابی کربن پرتوزا مورد استفاده است. C- ایزوتوپ •
گرافیت در ترکیب با خاک رس به عنوان مغز مداد بکار می رود. •
الماس جهت تزئین ونیز در مته ها و سایر کاربردهایی که سختی آن مورد استفاده است کاربرد د ارد. •
برای تولید فولاد، به آهن کربن اضافه می کنند. •
کربن در میله کنترل در واکنشگاه های اتمی بکار می رود.
گرافیت به شکل پودر و سفت شده به عنوان ذغال چوب برای پخت غذا ،در آثار هنری و موارد دیگر مورد •
استفاده قرار می گیرد.
قرصهای ذغال چوب در پزشکی که به صورت قرص یا پودر وجود دارند برای جذب سم از دستگاه گوارشی •
مورد استفاده اند.
خصوصیات ساختمانی و شیمیایی فولرن به شکل ریزتیوب کربن، کاربردهای بالقوه امیدوار کننده ای در رشته در حال
شکل گیری نانوتکنولوژی ذارد.
تاریخچه
به معنی زغال چوب ) در دوران پیشاتاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آن را از carbo کربن (واژه لاتین
سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید می کردند، آشنا بود.(تولید [زغال چوب]]).مدت طولانی است که [الماس] به عنوان
ماده ای زیبا و کمیاب به حساب می آید. فولرن ،آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه 80 به عنوان محصولات جانبی
آزمایشات پرتو مولکولی کشف شدند.
نمودار فازی کربن
دگرگونه ها (آلوتروپها)
تاکنون چهار شکل گوناگون از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف)، گرافیت، الماس و فولرن .
کربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد .این شکل کربن،
بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ (دوده) را تشکیل می دهد . در فشار و دمای
اتاق کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقه های شش وجهی – درست مثل
هیدروکربنهای معطر – به هم متصل شده اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی
که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها می باشد. گرافیتهای طبیعی
شامل بیش از 30 % نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می باشند . نوع آلفا از طریق فرآوری
مکانیکی می تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر می گردد.
هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه های آن که اغلب به وسیله اتمهای pi گرافیت به سبب پراکندگی ابر
دیگر تفکیک شده اند، تنها به وسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیده اند به گونه ای که به راحتی یکدیگر را کنار می زنند.
١٠
در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد .الماس
در (BN) ساختار مکعبی همانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور هم الکترون
کنارهم بوده و سخت ترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به شمار می رود. تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اتاق به
متبلور می شود که مشابه (lonsdalite) قدری کند است که محسوس نیست. در برخی شرایط کربن به شکل لونسدالیت
الماس ولی شش ضلعی است. فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما بجای بخش های تماما" شش ضلعی، حاوی پنج ضلعیها
(یا احتمالا" هفت ضلعیهای) اتمهای کربن نیز می باشند که ورقه را به شکل کره، بیضی یا استوانه بوجود می آورند . ویژگیهایی
هم نامیده می شوند هنوز بخوبی بررسی نشده اند. اینگونه (buckminsterfullerene) از فولرین با نام فولرین باکمینستر
هم نامیده اند. کل نامگان فولرین برگرفته از نام باکمینست ر (buckyballs) ساختار را به گونه کوتاه شده، گلوله های باکی
توسعه دهنده گنبد میله ای می باشد که از ساختار گلوله های باکی تقلید کرد. ،(Buckminster Fuller) فولر
فولرن ها؛ ساختار، خواص و کاربرد
ساختار فولرن ها
کربن در طبیعت دارای پنج آلوتروپ الماس، گرافیت، نانولوله، کربن بی
شکل و فولرن است، که همگی جامد می باشند. (شکل 1). در الماس که از سخت
ترین اجسام طبیعی است، هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند دارد و هیبریداسیون اتم های کربن در این ساختار، به
می باشد. در گرافیت شش ضلعی های منتظم کربنی لایه هایی را ایجاد کرده اند که بر روی یکدیگر انباشته شده sp شکل 3
و هر لایه از طریق پیوندهای ضعیف وان در والس به لایه زیرین متصل است. هنگامی که لایه های گرافیتی در هم پیچیده
شوند، نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند.
شکل 1. آلوتروپ های مختلف کربن در طبیعت
در واقع نانولوله، گرافیتی ست که به شکل لوله در آمده باشد. فولرن، نخستین مولکول کربن کروی شناخته شده با
کربن های مرتب شده، در قالب کره ای به شکل توپ فوتبال می باشد .
پایه ی فولرین ها صفحات موجود در گرافیت می باشد با این تفاوت که در ساختار اتمی فولرین ها به جای شش ضلعی
های منظم موجود در صفحات گرافیت، یک سری شش ضلعی و پنج ضلعی منظم وجود دارد که به صورت یک در میان در
کنار هم قرار گرفته و کره فولرن را تشکیل داده اند. قرارگیری این پنج ضلعی و شش ضلعی ها در کنار هم برای شکل دادن
یک ساختار کروی ضروری است. در حقیقت بدون حضور پنج ضلعی ها در ساختار گرافین نمی توان از صفحات گرافین
ساختارهای کروی به دست آورد .
١١
فولرن ها را با توجه به تعداد اتم های موجود در ساختمان شان شناسایی می کنند. برای نامگذاری فولرن ها از یک
تعداد اتم های کربن موجود در C استفاده می شود که بیانگر اتم کربن موجود در ساختار آن هاست. بعد از حرف C حرف
دارای 60 اتم کربن است. تعداد اتم ها در فولرن های تولید شده C واحد شبکه ی کروی فولرن ذکر می شود. مثلاً مولکول 60
( تاکنون از 28 عدد تا صدها اتم کربن است (شکل 2
شکل 2. انواعی از فولرن ها
کشف فولرن ها
در سال 1966 دانشمندی به نام دالس برای اولین بار در مورد توانایی تولید ساختارهای کروی بسته ای از اتم های
کربن بحث نمود. در ابتدا این پیشنهاد مورد توجه دانشمندان وقت قرار نگرفت. چهار سال بعد در سال 1970 دانشمندی به
را با ساختاری شبیه توپ C نام اوساوا در تحقیقاتش راجع به ساختارهای کربنی موجود در طبیعت، یک مولکول کربنی 60
در آزمایشگاه مشاهده ، Cn فوتبال متصور شد. تا این که در سال 1984 در اثر تبخیر لیزری گرافیت، خوشه های بزرگ کربنی
مقادیری بین 30 تا 90 دارد. (n شد
کشف اصلی فولرن در سال 1985 رخ داد. در این سال سه دانشمند به نام های کروتو، اسمالی و کارل بر روی فرایندی
برای تولید کلاسترهای کربنی ستاره ای شکل مطالعه می کردند. این روش به وسیله متمرکز کردن لیزر روی یک گرافیت
انجام شد. بعد از انجام این آزمایش ها و طی انجام یک سری آزمایش های طیف سنجی روی محصولات تولید شده، مولکول
در مواد تولید شده کشف شدند (شکل 3 .(این مولکول به علت شباهتی که با ساختار توصیف شده توسط معمار C های 60
معروف، باک مینسترفولر داشت، به این اسم نامیده شد. دانشمندان مذکور به خاطر این کشف در سال 1996 جایزهء نوبل
سال را دریافت نمودند .
در طیف سنجی مواد تولید شده توسط C شکل 3 .مشاهده سیگنال 60
روش تبخیر لیزری
خواص و کاربردهای فولرن ها
شکل زیبا و بی سابقهء فولرن ها و خواص شگفت انگیز این مولکول ها توجه بسیاری از دانشمندان را به خود معطوف
هستند. بنابراین بیشتر خواص ذکر شده در مورد فولرن ها C و 70 C کرده است. پایدارترین و فراوان ترین فولرن ها انواع 60
نیز روی این دو نوع متمرکز شده است. برخی از خواص فیزیکی این دو مولکول در جدول 1 ارائه شده است.
١٢
C و 70 C جدول 1. برخی از خواص فیزیکی 60
استحکام مکانیکی؛ به عنوان تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها
فولرن ها از نظر مکانیکی مولکول های بیش از حد قوی هستند و تحمل فشارهای بسیار زیاد را دارند، به طوری که
پس از تحمل فشاری حدود 3000 اتمسفر به شکل اولیهء خود (ساختار کروی فولرن) برمی گردند. اخیراً از این خاصیت در
تولید نانوکامپوزیت ها استفاده شده است. به این ترتیب که فولرن ها را به عنوان ماده پرکننده وارد مادهء زمینه کرده و به این
ترتیب تنش تسلیم کامپوزیت ها را بهبود می بخشند.
خاصیت روان سازی بالا؛ روان کاری در مقیاس نانومتری
مولکول های فولرن به وسیله پیوندهای ضعیفی که ناشی از نیروهای واندروالس بین آن هاست به هم می چسبند. این
نیروهای نگهدارنده فولرن ها در کنار هم مشابه نیروهای موجود بین لایه های گرافیت است. بنابراین برخی از خواص فولرن ها
مشابه خواص گرافیت می باشد. به عنوان مثال اخیراً از فولرن ها به جای گرافیت در کاربردهای روان کاری در مقیاس
نانومتری استفاده شده است .
حساس در برابر نور؛ کاربردهای فوتونیک
فولرن ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند.
بنابراین کاربردهای فوتونیک زیادی برای این مواد در آینده متصور شده است .
ساختار توخالی؛ مکانی برای قرارگیری عناصر
می توان درون مولکول های توخالی فولرن ها را توسط عناصر دیگر پر کرد. به عنوان مثال با قرار دادن برخی عناصر
فلزی درون فولرن ها خواص الکتریکی آنها بهبود یافته است. اخیراً از چنین ساختارهایی در تولید دستگاه های تصویربرداری
در پزشکی استفاده شده است. (MRI) تشدید مغناطیسی
خواص زیست سازگاری؛ دارورسانی
درون فولرن ها می توان برخی آنزیم ها و یا داروها و هورمون های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانو
پزشکی می توان از این مواد استفاده نمود. در یکی از جدیدترین کاربردهای فولرن ها برای مبارزه با ویروس ایدز، آنزیم ضد
این ویروس درون فولرن ها قرار داده شده و وارد بدن شده است .مداوای بیماری ایدز با چنین روشی امیدوار کننده بوده است.
دارند و به علاوه می توانند در مبارزه HIV علاوه بر این کشف شده که احتمالاً فولرن ها برهم کنش های بیولوژیکی با ویروس
. با این ویروس به آنزیم های دیگر کمک کنند 1
کمیت(واحد( مقدار
C برای 60
مقدار
C برای 70
(cm حجم مولکولی( 3 87.1
× 22-10 42.7
اولین انرژی یونیزاسیون
(ev)
58.7 61.7
انرژی پیوند اتم های
(ev) کربن 40.7 42.7
متوسط فاصلهء بین اتم
(A°) های کربن 41.1 43.1
١٣
فصل دوم
معرفی گرافن
١٤
گرافن پایه ساختارهای مهم کربنی
همانطور که می دانید، اتم های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری
شرکت دارند و پایه و اساس فناوری های مختلفی هستند. این اتم ها علاوه بر ترکیب
شدن با عناصر دیگر، می توانند با اتم های کربن نیز پیوند دهند. اتم های کربن از نظر
1 هستند. بنابراین چهار s22s22p ترتیب پر شدن اوربیتالها، دارای ساختار الکترونی 2
الکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتم ها مهیا می سازد.
پیوندهایی که این اتم ها تشکیل می دهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی
دیده می شود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد می کند. این اتم ها در ساختار الماس
چهار پیوند یگانه ی کوالانس ایجاد می کنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر
پیوند می دهد. بنابراین از تمام 4 ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. در ساختار گرافیت، نانولوله و فولرن نیز
پیوندهای یگانه ای بین اتم های کربن وجود دارد.
دگر شکل های کربن حالت
sp الماس • الماس شش ضلعی 3
sp کربن شیشه ای • (نانولوله های کربنی، فولرن باکمینستر)فولرن ها • گرافین • گرافیت 2
sp کربن خطی
با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها
اتم کربن یکی از ظرفیت های خود را مصرف نمی کند. این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است، به شکل یک
پیوند آزاد در خارج از صفحه ای که دیگر اتم ها در آن قرار دارند، قرار می گیرد. این پیوند آزاد یا معلق می تواند در شرایطی با
گروه های عاملی یا دیگر اتم های رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد می گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و
چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولوله های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر،
نحوه ی چینش اتم ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره ها، نقص های ساختاری و گروه های عاملی موجود بر روی نانولوله از جمله
خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص نقش دارند. در این مقاله و مقاله ی بعدی به نحوه ی چینش اتم ها در
نانولوله های کربنی می پردازیم. برای این منظور نانولوله های کربنی را بر اساس ظاهر فیزیکی دسته بندی می کنیم. این قبیل
دسته بندی ها، موجب سهولت بررسی این مواد می گردد.
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمی آید، یک استوانه ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است . طول هر نانولوله
می تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله ی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیواره ی آن در
راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم های کربن به نام گرافن به دست می آید. در این قسمت به بررسی شکل ظاهری
نانولوله ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز می کنیم.
گرافن
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن تشکیل می شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن
120 است. در 􀀀 دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن ها با یکدیگر مساوی و برابر با
این حالت، اتم های کربن در وضعیتی قرار می گیرند که شبکه ای از شش ضلعی های منتظم را ایجاد می کنند (شکل 1). البته
این ایده آل ترین حالت یک صفحه ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می کند که در آن
پنج ضلعی ها و هفت ضلعی هایی نیز ایجاد می شود.
١٥
شکل 1- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتم های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده اند.
در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری
برخی گروه های عاملی و هم چنین اتم های هیدروژن است. پیوند بین اتم های کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم
است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می رود که نانولوله های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند.
گرافیت نیز که یک ماده ی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه های گرافن و تشکیل یک ساختار
منظم تشکیل می شود. اما همانطور که می دانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟
آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آن هاست. این پیوند بسیار ضعیف است .
بنابراین لایه های گرافن به راحتی می توانند روی هم بلغزند و به همین دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
گرافن، به عنوان یک لایه ی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولوله های
کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آن ها بستگی دارد که
در آینده به آن اشاره خواهیم کرد.
صفحه ی مختصات گرافنی:
صفحه ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را می شناسید. این صفحه، شبکه ای است که از مربع هایی با طول و عرض
هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آن ها می توان از j و i واحد تشکیل شده است. در این صفحه دو بردار یکه ی
امکان پذیر k=mi+nj رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل (m وn) نقطه ی مبدا به هر نقطه ی دیگری مثل
می گردد.
دستگاه مختصات کارتزین، یک دستگاه دو بعدی است که در آن دو بردار یکه ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر
عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاه های مختصات به این شکل نیستند. بلکه می توان دستگاه هایی را تعریف
کرد که در آن اندازه ی بردارهای یکه نابرابر و زاویه ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه ی مختصات گرافنی. برای
توصیف نانولوله های کربنی ما به یک صفحه ی دو بعدی متشکل از شش ضلعی های منتظم احتیاج داریم (صفحه ی مختصات
گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتم های کربن (به
ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.
را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، j و i در این صفحه یِ مختصات دو بعدی، دو بردار یکه ی هم اندازه ی
را C=mi+nj 60 است. برای حرکت روی این صفحه می توانیم بردار 􀀀 تعریف می کنیم. زاویه ی بین این دو بردار برابر با
تعریف نماییم.
١٦
این بردار را بردار کایرال می نامیم (بعدها می گوییم که چگونه می توانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست
کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کرده ایم.
در صفحه ی مختصات گرافنی c=i+3j و c=4i+2j شکل 4- بردارهای کایرال
را به عنوان زاویه کایرال که مشخصه ی i همچنین می توانیم زاویه ی بین بردار کایرال و محور متناظر با بردار یکه ی
راستای بردار کایرال است در نظر بگیریم. این زاویه در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که در آینده خواهیم دید، این
زاویه یکی از مشخصه های نانولوله های کربنی می باشد.
ژ i و محور مربوط به بردار یکه ی c=4i+3j شکل 5- زاویه ی کایرال بین بردار
هم اندازه و بر یکدیگر عمود هستند. j و i شکل 2- صفحه ی مختصات دکارتی؛ بردارهای یکه ی
در صفحه ی مختصات گرافنی j و i شکل 3- بردارهای یکه ی
١٧
را به دو قسمت تقسیم j و i نکته اول :هر برداری که در این دستگاه رسم می کنیم، زاویه ی 60 ° بین دو بردار یکه ی
یا هر دو را منفی انتخاب کنیم. البته n یا m می کند (شکل 1)این بردار نمی تواند خارج از این ناحیه قرار گیرد، مگر اینکه
را همواره مثبت در نظر می گیریم. این موضوع به دلیل تقارن موجود در صفحه ی مختصات n و m فرض ما این است که
گرافنی، لطمه ای به کلیت ماجرا وارد نمی کند.
را با هم عوض کنیم، شکل به m)) و (n انتخاب شده (مولفه های زوج مرتب n و m نکته ی دوم :در صورتی که جای
را k) و (h وh) و (k دست آمده به دلیل تقارن گفته شده، بر شکل قبلی منطبق خواهد بود. بنابراین می توانیم دو نانولوله ی
معادل است. برای جلوگیری از این مسئله، C2=3i+1j در شکل 2 با بردار C1=1i+3j معادل در نظر بگیریم. برای مثال بردار
باشد. با این فرض ناحیه ی انتخابی روی صفحه ی مختصات m≥n مختصات بردارها را همواره به گونه ای می نویسیم که
گرافنی بازهم محدود می شود. این ناحیه در شکل 3 با هاشور نشان داده شده است .
در صفحه ی مختصات گرافنی برابر با 60 درجه است. j و i شکل 1- زاویه ی بین بردارهای یکه ی
١٨
با یکدیگر هم ارز هستند. C و 2 C شکل 2- دو بردار 1
برقرار است. m≥n شکل 3- در ناحیه هاشور خورده از صفحه ی مختصات گرافنی، شرط
راستای ) i را در نظر بگیریم، بردار انتخاب شده از راستای بردار یکه ی m ≥ n ≥ اگر یک بردار کایرال با شرط 0
باشد، زاویه n=m باشد، زاویه برابر با صفر درجه و اگر n= افق) می تواند از صفر تا ° 30 فاصله بگیرد. یعنی چنانچه 0
برابربا° 30 خواهدبود .
نانولوله های کربنی تک دیواره از لوله کردن صفحات گرافنی به دست می آیند. البته این گفته تنها برای درک ساختار
نانولوله هاست و در عمل، ساخت نانولوله ها با روش های پیچیده شیمیایی انجام می شود. در این روش ها، نانولوله با قرار گرفتن
تک به تک اتم های کربن در کنار هم ساخته می شود و نه از طریق لوله کردن یک صفحه ی گرافن واقعی! البته برعکس این
موضوع وجود دارد. یعنی دانشمندان به تازگی توانسته اند با استفاده از واکنش های شیمیایی، نانولوله های کربنی چند دیواره را
برش دهند و صفحات کوچک گرافنی را تولید کنند. البته تولید صفحات گرافن از نظر فنی کار بسیار دشواری است و این
دستآورد جدید دانشمندان، می تواند در زمینه ی نانوالکترونیک و نانوکامپوزیت تغییرات بسیار مهمی را ایجاد کند. این مواد با
دارا بودن خواص ویژه مکانیکی و الکترونیکی، کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف دارند .انتهای نانولوله های کربنی ممکن
است باز یا بسته باشند. انتهای بسته در واقع قسمتی از یک فولرن کربنی است. از این رو برخی دانشمندان، از نانولوله های
کربنی به عنوان فولرن های کشیده شده یاد می کنند. در اینجا از صفحات گرافن برای توضیح نانولوله های کربنی استفاده
١٩
می کنیم، بنابراین انتهای بسته ی آن ها را در نظر نمی گیریم.
برای تبدیل یک صفحه ی گرافن (غیر واقعی) به یک نانولوله، ابتدا باید جهت لوله کردن صفحه را مشخص کنیم. برای
را انتخاب کنیم. سپس این بردار را رسم می کنیم. اکنون صفحه ی گرافنی را به شکلی (m و n) این کار بردار کایرال مورد نظر
هستند، روی یکدیگر قرار بگیرند و بردار کایرال در نقش C که نقاط ابتدا و انتهای بردار (m وn) لوله می کنیم که نقاط ( 0و 0) و
محیط لوله ی به وجود آمده قرار بگیرد. به این ترتیب یک نانولوله ی کربنی (اما با ابعادی بسیار بسیار بزرگتر از نانومتر!) با
به دست می آید . (m وn) اندیس کایرال
الف) کوتاهترین مسیرهای مربوط به بردارهای کایرال
ب) واحد تکرار شونده برای بردار کایرال ( 4و 4) آرمچیر
پ) واحد تکرار شونده برای بردار کایرال ( 0و 8) زیگزاگ
ت) واحد تکرار شونده برای بردار کایرال ( 3و 6) نا متقارن
شکل 4- کوتاهترین مسیرهای مربوط به بردارهای کایرال و واحدهای تکرار شونده ی آن ها
٢٠
بردارهای کایرال در دسته های مختلف قرار می گیرند و بر همین اساس نانولوله ها نیز دسته بندی می شوند. یک صفحه ی گرافنی را
C-C در نظر بگیرید. برای حرکت از روی مبداء مختصات یا نقطه ی ( 0و 0) تا نقطه ی مقصد، باید از روی خطوطی که بیانگر پیوندهای
هستند، عبور کنیم. اکنون چند بردار کایرال رسم نموده و کوتاه ترین مسیر حرکت از مبداء تا انتهای آن را رسم کنید.
نمونه ای از این کار در شکل 4 رسم شده است. در این شکل کوتاهترین مسیر ممکن برای طی مسیر مربوط به هر بردار با رنگی
شبیه به همان بردار کشیده شده است. این مسیرها از واحدهای تکرار شونده ای تشکیل شده اند که در پایین شکل 4 دیده می شوند.
دقت کنید که هر بردار کایرالی که دو مولفه ی آن با هم برابر باشند، از واحدهای تکرار شونده ای مانند شکل 4-ب
تشکیل می شود. این بردارها در دسته ی بردارهای آرمچیر یا صندلی قرار می گیرند. این نام گذاری به خاطر شکل واحد تکرار
است. هر بردار کایرالی که یکی از مولفه های آن برابر با صفر باشد، مانند armchair، شونده است. نام انگلیسی این بردارها
بردار ( 0و 8) از واحدهای تکرار شونده ای مانند شکل 4-پ تشکیل می شوند. این بردارها در دسته ی بردارهای زیگزاگ قرار
است. هر برداری که در دو zigzag ، می گیرند. این نام گذاری به دلیل شکل ظاهری این واحدها است. نام انگلیسی این بردارها
دسته ی گفته شده قرار نگیرد را در دسته ی بردارهای نامتقارن دسته بندی می کنیم. دلیل این نام گذاری، عدم وجود تقارن در
است. در واقع "کایرال" نامی عام برای helical یا chiral ، نانولوله های متناظر با این بردار است. نام انگلیسی این بردارها
تمام بردارهاست که به طور خاص برای بردارهای نامتقارن نیز به کار می رود .
اکنون می توانیم انواع بردارهای کایرال را بکشیم و نانولوله های متناظر با آنها را بسازیم. شکل ظاهری این نانولوله ها با
هم متفاوت خواهد بود. در جدول 1، سه نوع نانولوله ی کربنی را مشاهده می کنید .در صورتی که به طرز قرار گرفتن
ردیف های اتم های کربن در راستای محوری و راستای شعاعی این نانولوله ها دقت کنید، متوجه اختلاف بین آن ها می شوید .
ببه یاد داشته باشید که بر اساس آنچه گفتیم، بردار کایرال شکل ظاهری نانولوله های کربنی را تعیین می کند.
نوع
نانولوله نامتقارن (کایرال) زیگزاگ صندلی (آرمچیر)
تصویر از درون
تصویر از بیرون
مولفه های کایرال m=n≠0 m≠0, n=0 m≠n
30° زاویه ی کایرال 0 􀀀30 > θ > 0
جدول 1- دسته بندی نانولوله ها بر اساس جهت لوله شدن صفحه ی گرافن
از آنجاییکه خواص نانولوله های کربنی تابع شکل ساختاری آنهاست، بردارهای کایرال نه تنها در تعیین شکل ساختاری
نانولوله ها، بلکه در تعیین خواص مربوط به آنها نیز اهمیت فراوانی دارد. برای مثال، خواص الکترونیکی و مکانیکی نانولوله های
کربنی متاثر از بردار کایرال آنهاست. علاوه بر این، تعداد دیواره ها و چگونگی وجود نقص ها در ساختار این مواد، در تعیین
خواص آنها نقش دارند. در مقالات آینده به این مباحث می پردازیم .
٢١
کایرالیتی، اثر انگشت نانولوله های کربنی
کایرال و کایرالیتی :
کایرال از لحاظ لغوی به معنای چیزی است که تصویر آن در آیینه بر خودش قابل انطباق نباشد. به شکل 1 نگاه کنید.
این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده است. الگویی که در این تصویر نشان داده شده است،
بیانگر یک طرح کایرال است. زیرا نمی توان برای آن مرکز تقارنی پیدا کرد .بنابراین صفحه ی تقارنی نیز برای این تصویر
وجود ندارد و در تعریف کایرال می گنجد.
شکل 1- تصویری از یک الگوی کایرال
از کلمه ی یونانی (chiral) غالبا به جای کلمه ی کایرال، کلمه ی نامتقارن نیز به کار می رود. کلمه ی کایرال
به معنای دست، به وجود آمده است. چرا که هر یک از دو دست ما، تصویر آیینه ای از دست دیگر ما cheir یا ceir
است (شکل 2). همان گونه که می توانیم برای بسیاری از مولکول های موجود در طبیعت، مولکول هایی را بیابیم (با
همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه ای آن ها باشند.
٢٢
شکل 2- همان گونه که مشاهده می کنید، دست ها و پاهای ما کایرال هستند .یعنی هر یک از آن ها تصویر آیینه ای دیگری است
به طوری که بر یک دیگر منطبق نیستند.
همان گونه که در شکل 3 مشاهده می کنید، مولکول آلانین دارای دو شکل است که به هر یک از آن ها
به کلمه ی s آلانین معروف هستند. در اینجا حرف (s)- آلانین و (r)- می گوییم. این دو به نام های " انانتیومر "
به معنای راست اشاره دارد. rectus به کلمه ی لاتین r به معنای چپ و sinister لاتین
شکل 3: کایرالیتی آمینو اسید آلانین، در شکل بالا با استفاده از تصویر دست ها، بر مفهوم کایرالیتی تاکید شده است.
٢٣
هنگامی که آلانین تحت شرایط معمولی در آزمایشگاه تولید می شود، مخلوطی از این دو انانتیومر به وجود می
هستند. در شرایط تولید نامتقارن، مقدار سنتز یکی از این دو نوع (r) و نیمی از نوع (s) آید که نیمی از آن ها از نوع
بیشتر خواهد بود. یکی از روش های رسیدن به این هدف استفاده از کاتالیزگرهاست. در سال 2001 میلادی،
دانشمندانی که روی این حوزه از شیمی کار کرده بودند، توانستند جایزه ی نوبل شیمی را از آن خود کنند. در عمل، در
حضور یک کاتالیزگر غیرکایرال، یکی از دو نوع آلانین بیشتر تولید می شود .
اهمیت این بحث در این است که عملگرهای سلول ها کایرال نیستند، یا به عبارتی عملگرها تنها پذیرای یک انانتیومر
هستند و نمی توانند مولکول با تقارن آیینه ای آن را بپذیرند. بنابراین برای این که یک ترکیب خاص شیمیایی مانند
یک دارو بتواند عملیات مورد نظر را در بدن انجام دهد، باید از یک انانتیومر خاص آن استفاده شود.
هم چنین دیده می شود که در برخی موارد برای انجام یک واکنش شیمیایی، یک نوع کاتالیزگر وجود دارد که
تنها می تواند یک انانتیومر را به خوبی کاتالیز کند. مانند این که ما نیاز داریم برای هر کدام از پاهای خود، یک کفش
مجزا داشته باشیم .بنابراین برای تضمین بالا بودن نرخ واکنش، نیاز است تا آن انانتیومر در مقایسه با انانتیومر دیگر، در
مقادیر بیشتری تولید شود. در شکل 4 این موضوع به شکل شماتیک نشان داده شده است.
شکل 4: دست های سمت راست، نشان دهنده ی کاتالیزگر و دست های سمت چپ نشان دهنده ی محصول واکنش هستند.
این دو در تصویر بالایی برهم کنش بهتری دارند. هنگامی که دو نفر به هم دست می دهند، دو دست راست بهتر در هم جفت
می شوند تا یک دست راست و یک دست چپ.
نکته ی قابل توجه این است که انانتیومر های مختلف می توانند رفتارها و خواص مختلفی داشته باشند و توانایی
تولید هر یک از آن ها به طور خالص از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، مولکول لایمونن را در نظر بگیرید.
لایمونن یک مولکول کایرال است که دو انانتیومر آن شباهت بسیاری به یک دیگر دارند.
٢٤
لایمونن بوی لیمو ایجاد می کند. (s) لایمونن بوی پرتقال و انانتیومر آن یعنی : (r) شکل 5
با این که در نگاه اول تمیز دادن شکل این دو انانتیومر از یک دیگر بسیار دشوار است، اما گیرنده های بینی ما
بسیار دقیق تر عمل می کنند، چراکه یکی از این دو انانتیومر بوی لیمو و دیگری بوی پرتقال را به مشام می رساند.
نانولوله های کربنی کایرال :
در مطالب قبلی با طرز تشکیل نانولوله های کربنی با استفاده از یک لایه ی گرافن آشنا شدید. هم چنین دانستید که هر
یک از این نانولوله های تک دیواره یک زاویه ی کایرال مختص به خود دارد. بنابراین می توانیم معیاری برای سنجش
مقدار کایرالیتی آن داشته باشیم. در جدول زیر شکل نانولوله را با توجه به زاویه ی کایرال و مولفه های کایرال آن
مشاهده می کنید.
نوع سوم نوع دوم نوع اول نوع نانولوله
تصویر نانولوله
اندیس کایرال (n وm) m≠0, n=0 m=n≠0 m≠n
θ 0 زاویه 􀀀30 􀀀30 > θ > 0
جدول 1: دسته های مختلف نانولوله های کربنی بر اساس کایرالیتی
مشاهده می شود که شکل ظاهری این سه نوع نانولوله ی کربنی تفاوت های زیادی با هم دارند. این تفاوت در
نوع چیده شدن اتم های کربنی در راستای محور مرکزی نانولوله و همچنین در محیط آن دیده می شود.
با توجه به تعریفی که از مولکول های کایرال ارائه شد، و با توجه به تصاویر بالا، مشخص می شود که تصاویر
آیینه ای نانولوله های نوع اول و نوع دوم بر خود آن ها منطبق است، اما در مورد نانولوله های نوع سوم این انطباق وجود
ندارد. بنابراین زوایای ° 0 و ° 30 زوایای خاصی هستند که نانولوله های متقارن ایجاد می کنند .
٢٥
تصویر آیینه ای تصویر اصلی نوع نانولوله
نوع اول
نوع دوم
نوع سوم
جدول 2: تصاویر آیینه ای انواع نانولوله های کربنی
با توجه به جدول بالا، مشخص است که تنها تصویر آیینه ای نانولوله ی نوع سوم بر خودش قابل انطباق نیست.
بنابراین به این مدل نانولوله ی کربنی، نانولوله ی کایرال یا هلیکال، و در معنای فارسی آن، نامتقارن می گوییم. با توجه
به شکل ظاهری نانولوله های نوع اول و دوم، آن ها را به ترتیب آرمچیر (معادل نوع صندلی) و زیگزاگ می نامیم .
٢٦
ویژگی های نانولوله های کربنی
در این مطلب صرف نظر از میزان کارآیی روش ها، تنها به کلیات روش ها اشاره
شده است و تنها به این نکته که این روش ها بالقوه امکان مطالعه ی خواص
نانولوله های کربنی را دارند، بسنده می کنیم. بدیهی است که در عمل، استفاده از
این روش ها از پیچیدگی های خاصی برخوردار است و با چالش های بسیاری روبرو
می شود. اشاره به این نکته لازم است که لازمه ی مطالعه ی این مقاله، صبر و حوصله ی خواننده است. همچنین توصیه
می شود برای درک بهتر این مطالب که چکیده ای از انبوه اطلاعات موجود در این زمینه می باشند، حتما به مراجع اشاره
شده در مقاله رجوع شود.
معرفی و طرح مسئله
همان گونه که می دانیم، نانولوله های کربنی موجودات بسیار کوچکی هستند که اگر آن ها را روی هم بریزیم، مانند یک
توده ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می آیند (شکل 1). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی توانیم
نانوله ها را به شکل مجزا بینیم. از طرفی این ها آن قدر کوچک هستند که نمی توان آن ها را با استفاده از دستگاه های
متداول نگه داشت. این سوال پیش می آید که با وجود این شرایط، چگونه می توانیم خواص این موجودات جالب را بررسی
کنیم؟
شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله های کربنی
برای روشن تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته ی خواص
مکانیکی قرار می گیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر
نیروهایی که آن را از دو طرف می کشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا
پلیمرها، نمونه ای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه می کنند (مثال هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می شود).
سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره هایی قرار می دهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور
کردن آن ها از یکدیگر وارد می شود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار می گیرد و در نهایت می شکند. از طریق
محاسبه ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می توان استحکام ماده را به دست آورد.
٢٧
شکل 2- نمونه های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده اند.
اما همان طور که تاکنون متوجه شده اید، قطر نانولوله های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط
ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال های اخیر، دانشمندان توانسته اند با استفاده از روش هایی، نانولوله ها را در یک
( محل مشخص قرار دهند و خواص آن ها را بررسی نمایند (شکل 3
راه های بررسی خواص نانولوله های کربنی
شبیه سازی 
مطمئنا در زمینه ی شبیه سازی مطالبی را مطالعه نموده اید. یکی از راه های بررسی خواص نانولوله های کربنی،
شبیه سازی می باشد. بسیاری از این شبیه سازی ها را می توان با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از
زبان های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش های مختلفی وجود دارد که برخی از آن ها را به شکل مقدماتی
بررسی می کنیم.
دینامیک مولکولی 
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی
می باشد. در این روش، اتم ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای
کوچک داریم، می دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن ها بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. برای مثال می توان
( فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند (شکل 4
شکل 3- یک نانولوله ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.
شکل 4- در مواد جامد، می توان فرض کرد که پیوند بین اتم ها مانند
یک فنر عمل می کند و آن ها را در یک فاصله ی مشخص تعادلی از
یکدیگر قرار می دهد.
٢٨
با نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آن ها در هر لحظه، می توانیم
حرکت تک تک آن ها را بررسی کنیم. به این ترتیب می توانیم با استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا
حدودی به ویژگی های دنیای نانومتری پی ببریم.
روش المان محدود 
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می باشد، می توانیم پیوندهای بین اتم های کربن را به عنوان
در انگلیسی می باشد) در نظر بگیریم و beam می گویند که معادل واژه ی " تیر " میله هایی (در اصطلاح به آن
اتم های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن ها بازی می کنند.
به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله های کربنی پدید می آید. ابتدا
باید ویژگی های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی های
انواع میله ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می شناسند
و می توانند با بررسی های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون
ساختار نانولوله مانند یک سازه ی مهندسی، برای بررسی آماده است
(شکل 5) و می توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را
بررسی کرد.
روش های دیگر 
روش های مختلفی برای شبیه سازی وجود دارند که برخی از آن ها بر پایه ی اصول بسیار پیچیده ی فیزیکی استوار
هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می توان روابط بین اتم های کربن را در نانولوله و همچنین
روابط بین اتم های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.
بررسی جداگانه ی نانولوله های کربنی
AFM همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته اند نانولوله های کربنی را بین دو کاوند یا نوک میکروسکوپ
قرار متصل کنند و با کشش آن ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند. همچنین برخی محققین در یک روش بسیار
جالب، نانولوله ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف
افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن
نانولوله، به محاسبه ی استحکام آن پرداختند.
بررسی کامپوزیت های حاوی نانولوله های کربنی
همان گونه که در مطالب قبلی در مورد کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت ها مطالعه نموده اید می توانیم برای به دست
آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله ی کربنی است. محققین
با درست کردن کامپوزیت های حاوی نانولوله ها و زمینه های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته اند به ویژگی های بسیار
جالبی دست پیدا کنند .
هنگامی که یک کامپوزیت تشکیل می شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده ی افزودنی
یا پر کننده) متفاوت است .برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن
اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه ی استحکام ماده ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در
صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می افتد .بنابراین می توان این افزایش خواص را به
شکل 5- تصویری از یک نانولوله ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان
محدود
٢٩
f حضور ماده ی افزودنی نسبت داد .برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می توان رابطه ی 1 را نوشت. در این رابطه
نیز به ترتیب نماینده ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه m وr ، c نمایانگر استحکام است. اندیس های σ نماد کسر حجمی و
می باشند.
هدایت حرارتی نانولوله های کربنی
یکی از مهمترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می شود، خواص حرارتی آن
ماده است. خواص حرارتی نانولوله های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه های مختلف
فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و
شباهت های بین آن ها، دانشمندان علاقه ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در
صورت وجود این ویژگی در نانولوله های کربنی، می توان از آن به عنوان مکملی بر
ویژگی های مکانیکی و الکتریکی بی نظیر نانولوله ها یاد کرد.
دانشمندان در بررسی های تجربی و آزمایش های خود به نتایجی در زمینه ی هدایت
حرارتی نانولوله ها کربنی دست یافته اند. آن ها پیش بینی می کنند که نانولوله های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری
از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه گیری ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله ها به دست آوردند. یک
دسته، نانولوله های کربنی تک دیواره ای بودند که به صورت توده ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی
مجموعه ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله های کربنی چنددیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند.
W/mK رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از
200 را برای توده های نانولوله های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی ها، مقدار رسانایی حرارتی
به دست آمد .برای تلفیق خواص مواد مختلف و W/mK نانولوله های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از 300
بهبود ویژگی های محصولات، می توان از کامپوزیت ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت ها استفاده نمود. طبق بررسی های
انجام شده، با افزودن تنها % 1 از نانولوله های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه
شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت های نانولوله های کربنی می توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده
شوند.
هدایت حرارتی نانولوله های کربنی از منظر تئوری
وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی
نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه های توده ای از نانولوله های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله های چند
دیواره می باشد .گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله های کربنی را با روش های محاسباتی اندازه گیری
کرده اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب
کلوین برای نانولوله های تک دیواره نشان می دهد.
رابطه ی 1
قانون اختلاط کامپوزیت ها
شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده
برای یک نانولوله ی کربنی تک دیواره در دماهای
مختلف
٣٠
نشان داده شده است. از آنجایی که این کمیت در دماهای مختلف، مقادیر λ در این شکل مقدار رسانایی با
نشان داده ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی λ(T) مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل
می رسد W/mK به یک مقدار بیشینه برابر با 37000 K در نزدیکی دمای 100 λ(T) دما، مشاهده می شود که مقدار
λ(T) (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می یابد. بیشترین مقدار
که تاکنون در بررسی های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه ی الماس خاص می باشد که در دمای
نانولوله ی کربنی در λ(T) 41000 است. بنابراین مقدار W/mk 104 اندازه گیری شده است. این مقدار برابر با K
که تاکنون اندازه گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار λ(T) بیشینه اش با بیشترین مقدار
شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن
(نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت( نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده ی تغییرات میزان هدایت بر
اساس دما برای گرافیت می باشد که با دقت بیشتری نسبت به نمودار اصلی رسم شده است. به تفاوت مقیاس اعداد روی محور
عمودی نمودار داخلی و نمودار اصلی دقت نمایید.
6600 می باشد، این W/mK ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله ی کربنی بسیار بالا و برابر با
مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در
نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی
یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم خوانی باشد .
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله های کربنی می توانیم مقایسه ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله ها و دیگر
مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده ی مقایسه ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده
برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه
که مشاهده می شود، رسانایی حرارتی تک لایه ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار
270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می باشد، این اختلاف در K رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از
270 بسیار بیشتر می شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه ی دیگر K دماهای پایین تر از
دارد .
همانطور که می دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه های گرافن ساخته می شود. بنابراین بین
٣١
لایه های گرافن، برهم کنش هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم کنش های بین لایه ای، مقدار هدایت
حرارتی را به شدت کاهش می دهد. به نظر می رسد همین اتفاق در مورد دسته های نانولوله های کربنی رخ خواهد داد و
مقدار هدایت حرارتی دسته های نانولوله های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله ها کمتر باشد.
هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی :
گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته هایی از نانولوله های تک دیواره را تولید کردند که به
مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه گیری نمودند.
در نمونه هایی که قرارگیری نانولوله ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود 35
اندازه گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله ها در چنین نمونه ای به شدت در هم پیچ خورده اند، و مسیری که W/mK
انتقال حرارت در آن رخ می دهد به مقدار قابل توجهی طولانی تر از فاصله ی مستقیم بین نقاط است .برای کاهش
دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می توان نانولوله ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه ها،
200 می باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در W/mK هدایت حرارتی بالاتر از مقدار
همین دسته های منظم از نانولوله ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می گذارند. برای
مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال هایی که در بین نانولوله های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار
محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در
اینجا برای دسته های نانولوله ها به دست آمد.
هدایت حرارتی :
انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی
است. دانشمندان نظریه های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح
می کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه های کاملا متفاوتی بوده و عده ای برای تولید موادی با
هدایت حرارتی بسیار بالا و عده ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش
می کنند. هر یک از این مواد می تواند کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف داشته باشد .
امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت ها، ایده های
زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده اند.
رسانایی حرارتی بالای نانولوله های کربنی می تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند
تخلیه ی حرارت پردازنده های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی.
امروزه برای خنک کردن پردازنده های رایانه ای بعضا از سامانه های مختلفی از قبیل سامانه های آب گرد استفاده می شود.
اما ایده ای که مدت هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت
تخلیه ی حرارتی بالایی داشته باشند.
نانولوله های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت ها
-1 کامپوزیت های زمینه ی پلیمری
گروه های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت های اپوکسی / نانولوله ی کربنی را بررسی کرده اند. اپوکسی دسته ای از
مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه
قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله های کربنی را داخل زمینه ی اپوکسی پراکنده
کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله ی کربنی را بسازند. آن ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با
نانولوله را اندازه گیری کرده اند و پس از مطالعه ی نتایج آزمایش هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله های
٣٢
کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این
دانشمندان هم چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایسه ای را بین
نانولوله های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین
اپوکسی مشاهده می کنید.
شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف
افزودن 1% وزنی نانولوله ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می کند در حالی که همین مقدار از الیاف
کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40 % افزایش می دهد. بنابراین نانولوله های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص
حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه ی کامپوزیت ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.
-2 کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی
که روی (Al2O را از روی بستری از نانوذرات آلومینا ( 3 (C2H گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن ( 2
یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله های CVD سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه ی فرآیند
کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده
آلومینا / نانولوله ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی Al2O3/CNT) کردند و نانوکامپوزیت
نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نتایج اندازه گیری های این محققین در شکل 2 نشان داده شده است. در این
نمودار نتایج آزمایش های انجام گرفته بر روی آلومینای خالص نیز گزارش شده است تا بتوان مقایسه ی قابل درکی از دو
ماده ی تقویت شده با نانولوله کربنی و تقویت نشده انجام داد. نکته ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است
که برای داشتن مقایسه ای قابل قبول میان دو ماده ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش
ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده ی حاصل تاثیر
می گذارند و دیگر نمی توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب های دو ماده ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین
نتایج قابل استناد نخواهند بود .
٣٣
شکل 2- تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله ی کربنی و برای آلومینای خالص که
هر دو به یک روش تولید شده اند.
در اینجا مشاهده می شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می باشد. برای
39 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه ی سانتی گراد معادل / مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 7
90/44 میرباشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227 % افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 W/mk با
60/98 بوده که 169 % رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در W/mk درجه ی سانتی گراد برابر با
63 می رسد. /.52 W/mk دمای 300 درجه ی سانتی گراد، با 218 % رشد نسبت به آلومینای خالص، به
اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی نظیر نانولوله های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را
در کامپوزیت بررسی کنند. همان گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله های کربنی به دیگر مواد می تواند بهبود
چشمگیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت ها نمود پیدا نمی کند
چالش های موجود در صنعت میکروالکترونیک توانایی های نانولوله های
کربنی در حل این معضل :
در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین
دو قطعه ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا
موضوع اصلی این کاربری را مطرح می کنیم .اتلاف حرارتی اساسی ترین مشکلی است که
کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می سازد. در این ادوات،
فاصله ای بین منبع تولید کننده ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن
به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده ای که وظیفه ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد.
از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده ی تخلیه
کننده ی حرارت قرار دارد .برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده ی زیر را مطالعه کنید.
٣٤
مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده ای گرم را در دستان خود
بگیریم. می توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته اید.
در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن
فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می کنید، اما اگر در
دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می کنید و در نتیجه داغی
جسم از روی دست شما برطرف می شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از
جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت
که در این حالت مقدار همبستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در
نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت
حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.
با توجه به مشاهده ی بالا و مطالب بیان شده می توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت
تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله ی بین منبع حرارتی و ماده ی تخلیه کننده ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی
حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می شود. از آنجایی
که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه ای در قسمت های بر آمده و
همچنین بسته های هوایی (که به آن ها گاف هوایی می گوییم) در قسمت هایی که از یکدیگر دور هستند، می باشد (شکل
1).کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف های هوایی عبور کنند.
همان گونه که می دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده ی دیگر جایگزین کنیم.
شکل 1- نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ تر
از اندازه های واقعی رسم شده است.
موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه ی
موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله ی زیر می باشد:
1. انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
2. نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
3. انتقال حرارت درون تخلیه کننده ی گرما (درون ماده)
4. انتقال حرارت از تخلیه کننده ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)
٣٥
هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی های خاص خود را دارد. از جمله این که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل
بسته به عوامل مختلفی تعیین می شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور
مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون
می شوند. بنابراین مرحله ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار
خواهد داد.
بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در
برآمدگی های سطح و همچنین گاف های پر شده از هوا صورت می گیرد. در واقع مرحله ی محدود کننده ی سرعت
(انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده ی گرما)، همان مرحله ای است که گرما باید از طریق
گاف ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی که این مرحله بسیار کند است، باید ماده ای را
در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت
بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.
اکنون به تحقیق صورت گرفته می پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند .آلومینیوم و
گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده ی مورد نظر
روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله ی کربنی قرار داده شد. حالت اول
برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2
می بینید .
شکل 2 شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم
نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.
هدایت حرارتی نمونه ی مورد بررسی
(W/mk)
در
صد بهبود
95/73 قطعه ی آلومینیومی –
8/956 دو قطعه ی آلومینیومی در تماس مستقیم با یک دیگر –
دو قطعه ی آلومینیومی با وجود نانولوله های کربنی در
فصل مشترک آن ها 43/457 38
5/16
102/066 قطعه ی گرافیتی –
13/475 دو قطعه ی گرافیتی در تماس مستقیم با یک دیگر –
دو قطعه ی گرافیتی با وجود نانولوله های کربنی در
فصل مشترک آن ها 62/278 36
2/79
همان گونه که دیده می شود، بدون در نظر گرفتن ماده ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان
گاف های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می شوند. با در نظر گرفتن ماده ای مناسب مانند نانولوله های کربنی،
. می توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد 2
٣٦
نانو تیوپهای کربنی و روشهای ساخت آنها
نانو تیوپهای (نانو تیوب) کربنی :
است .نانو تیوبها صفحاتی از Nanotube کشف ، Nanotechnology یکی از اکتشافات بزرگ مربوط به
اتمهای کربن هستند که درون قسمتی غلطک مانند حرکت می کنند ودر ظاهر شبیه توریهای سیمی هستند که بر
لوله کربنی تو خالی است . نانو تیوب های کربنی از . Carbon Nanotube روی یک سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد
Laserr ablation وTCVD ، منابع کربنی مانند گرافیت یا گازهای هیدروکربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الکتریکی
700-1000 ) ، استحکام زیاد (حدودا 50 m2/gr) ساخته می شوند . این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد
برابر فولاد) و خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی استثنایی موارد کاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیست ،
تقویت مکانیکی پلیمرها و کمپوزیت ها و ساخت قطعات الکترونیکی دارند .آنها 10 برابر از فولاد محکمتر ند در حالیکه
وزنشان یک ششم وزن فولاد است. این امتیاز باعث شده است که آنها اولین انتخاب برای ساختن پلها، هواپیماها وحتی سفینه
های فضایی باشند. تنها مشکل این است که بزرگترین نانو تیوبی که در آزمایشگاه ساخته می شود تنها چند میلینتر است. اما
این مسئله باعث شده که درمورد ماشینهای کوچک ، نانو تیوب ها ی کربنی ایده آل باشند. یکی از مشکلاتی که بر کیفیت
تاثیر منفی می گذارد ساییدگی قسمتهای بسیار کوچک آنهاست که در هر ثانیه هزاران بار اتفاق می افتد. اما در MEMS ابزار
یاتاقانهای ساخته شده از نانو تیوبها تقریبا هیچ گونه اصطحکاکی وجود ندارد.وامتیازمهم این است که نانو تیوبها در هر دو
حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واین ویژگی موجب استفاده آنها در وسایل مختلف الکتریکی شده است. نانو تیوبها دو نوع
هستند : نانو تیوبهای چند دیواره ای و تک دیواره ای که به ترتیب در سال 1991 و 1993 کشف شدند. نوع چند دیواره ای از
الیاف گرافیتی ساخته می شود در حالی که نانو تیوبهای تک دیواره ای از الیاف فولرن کشیده شده تشکیل شده اند . از زمان
کشف این مواد کاربرد های مختلفی پیشنهاد شده است که از آن جمله می توان استفاده از نوع چند دیواره ای را در نوک
ای . اف . ام حامل و در مورد نوع تک دیواره به منظور استفاده در وسایل الکترونیکی یا به عنوان محیط مناسب جهت ذخیره
هیدروژن اشاره نمود . نانو تیوبهای تک دیواره از دیواره های استوانه ای گرافن به قطر 1 تا 2 نانومتر تشکیل شده است . نوع
چند دیواره ای ,دیواره های ضخیم تری دارد و از چندین استوانه هم محور گرافن که با فاصله 34 نانومتر (در حد فاصله لایه
های گرافیت) از هم جدا شده اند ,تشکیل گردیده است . قطر خارجی نانو تیوب چند دیواره ای 2 تا 25 نانومتر و سوراخ
داخلی آن در محدوده 1 تا 8 نانومتر قرار دارد و ما بین لایه های منفرد گرافیت هیچگونه نظم سه بعدی وجود ندارد . طول
متوسط نانو تیوب می تواند چندین میکرون باشد .
و به صورت کاملا اتفاقی در هنگام مطالعه سطوح " سومیو ایجیما " اولین بار نانو تیوبها در سال 1991 توسط
الکترودهای کربن در هنگام تخلیه قوس الکتریکی کشف شد.
روشهای تولید نانو تیوب کربنی :
بود ،آزمایشی به وقوع NEC در سال 1991 توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما که متخصص میکروسکوپ آزمایشگاه
پیوست که تا به حال سهم به سزاعی در توسعه نانو تکنولوژی داشته است. وی که به دستکاری وتغییر روش های ارائه شده
توسط محققین موسسه ی فیزیک هسته ای ماکس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الکترد گرافیت را به جای اتصال
در فاصله کمی از یکدیگر قرار داد وبین آنها قوس الکتریکی برقرار کرد. این آزمایش سبب شد که وی به طور کاملا اتفاقی نانو
تیوب های کربنی را کشف کند. اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به دلیل خواص مکانیکی والکتریکی جالب ومتنوع آنها
ست .پیش بینی می شود که این مواد بتوانند در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به کار روند. دو نوع ساختار متفاوت
نانو تیوب کربن وجود دارد،که از بقیه اشکال آن تا حدودی متمایز است :
Single Wall -1 نانو لوله تک جداره
Multi Wall -2 نانو لوله چند جداره
٣٧
این دو مورد وخصوصا نوع تک جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به خود جلب کرده است.نانو لوله
تک جداره از یک ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به وجود آمده که دو سر آن به حالت کروی مسدود است.تفاوت
نوع چند جداره به وجود آمده که درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب کربنی تک جداره ،سه روش از
اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از :
Arc Discharge -1 قوس الکتریکی
(Chemical Vapor Deposition or CVD) -2 رسوب گذاری بخار شیمیایی
(Laser Vaporization) -3 تبخیر لیزری
روش قوس الکتریکی :
روش قوس الکتریکی همان روشی است که توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به کار برده شد،بااین وجود مقدار محصول به
وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست
آورد.و به همین دلیل پیش بینی میشود که در آینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به کار رود.در روش قوس
الکتریکی از دو الکترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله کمی از یکدیگر قرار می دهند به خاطر اینکه خلوص بدست
وهمکار انش در سال 1997 به دستکاری متد بکار رفته توسط ایجما Journet آمده در روش ایجیمیا بسیار پاییین بود
پرداختند وبا بهینه کردن پارامتر های تولید توانستند نانو لوله های تک دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .آنها از آند
گرافیتی با قطر 16 وطول 40 میلی متر وهمچنین الکترود دیگری با قطر 16 وطول 100 میل متر به عنوان کاتد استفاده
پرگردید. عمود بودن یا در امتداد هم قرار Ni,Y میان اند کاتالیست Single Wall کردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله
داشتن کاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد .
برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا کرده وسپس در فشاری پایین (معمولا بین 260 تا 360
از هلیوم ویا آرگون که گازهای بی اثر هستند پر کنیم .یکی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی (torr
پایداری قوس الکتریکی اعمال شده ونیز مقدار شدت جریان وولتاژ است که می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر
باشد دیگر اجباری در استفاده از کاتالیزگرها نداریم با Multi Wall باشد.در صورتی که محصول مورد نظر نانو تیوب های
اینکه محصول به دست آمده توسط روس قوس الکتریکی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش
توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شود. زیرا مقدارمحصول برای یک کار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه
آنچه مهم است خلوص محصول وکامل بودن ساختار آن است .که روش قوس الکتریکی تا حد زیادی این مشکل را بر طرف
میکند واما مشکل دیگردر روش قوس الکتریکی تکنیک خلا است که در بسیاری از آزمایشگاههای سطح پایین امکان آن وجود
ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون که هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده
است ولی این مورد تالثیر چندانی نداشته ومشکل بوجود آمده دیگر امکان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است .
میتواند ___________تاثیر DC پایداری قوس الکتریکی عامل مهمی در سنتز به شمار می آید با این وجود استفاده از یک منبع تغذیه ی
خوبی در سنتز داشته باشد وآزمایشات نشان داده است هر چند اندازه ی شدت جریان نسبت به اختلاف پتانسیل بیشتر باشد
شرائط بهتر است ولی رسیدن به چنین جریان هائی بسیار مشکل است .
Magnetic Field روش
یکی از موضوعات وپارامترهای مهم برای پژوهشگرانی که می خواهند از نانو لوله ها استفاده کنند خلوص محصول است
وهمچنین اینکه در سطح مقدار بیشتری نانو لوله قرار گرفته باشد، تا بتوانند آزمایشهای کیفی خود را با دقت بالاتری انجام
دهند. در روش قوس الکتریکی هنگام ایجاد قوس در اطراف کاتد وآند به دلیل اختلاف پتانسیل وجریان، دما تا حد قابل
توجهی بالا می رود ،این مقدار به اندازه ای است که گرافیت (در حالت کلی کربن ) رو ی آند بخار شده وسپس روی کاتد می
نشیند.از آنجا که در اطراف کاتد وآند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز نیز اثر گذاشته ودمای آنرا افزایش می دهد.
٣٨
ودر نتیجه در اطراف محیطی نه به شکل گاز بلکه به شکل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است .
دلیل لیمکه پلاسما را حالت جدیدی از ماده می نامیم این است که از ترکیب یون های مثبت ومنفی اتم های خنثی بوجود
آمده است .با افزایش دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته
در حقیقت میزان بارهای آزاد افزایش می یابد .اما نکته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست .به وسیله میدان
مغناطیسی می توان پلاسما را در یک منطقه محصور کرد.این جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره طرف که در راکتور که در
راکتور گداخت گرمائی از آن استفاده میشود می تواند در سنتز نانو لوله ها بسیار موثر واقع شود. فرض کنید اطراف الکترود
های گرافیتی را با یک میدان مغناطیسی حاصل از چها رآهن ربا احاطه کنیم ،در این صورت وجود میدان سبب می شود
پلاسما ی وجود آمده به دیوارها برخورد نکند وفقط در محدوده ی گرافیتها دما افزایش می یابد که این امر باعث کمک به
تبخیر بهتر وسریعتر آند می شود ودر کل سنتز حالت بهتری به خود می گیرد.در این مورد دیگر جنس طرف اهمیت خاصی
ندارد .
: Under de-ionized Water روش
برخی از محققان در جهت تلاش برای حذف تکنیک خلا وهم چنین گازهای گران قیمت هلیوم وآرگون به روشهای جدیدی
دست یافته اند، از این موارد می توان به قرار دادن الکترودها در نیتروژن مایع اشاره کرد، که خود پر خطر است. آب چون یکی
از موادی است که به فور در طبیعت یافت میشود ،می تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد. البته آبی که در ساخت نانو لوله
یا یون زدوده است که از عبور جریان به مقدار زیادی جلوگیری می کند .این آب که de- ionized ها استفاده میشود،از نوع
معمولا در صنعت میکرو الکترونیک کاربرد زیادی دارد را می توان به راحتی با استفاده از دستگاههای (رزین)در آزمایشگاههای
شیمی بدست آورد ومعمولا نیروگاهها از این آب استفاده می کنند. خصوصیت جالب در مورد آب یون زدوده این است که
خاصیت عبور ندادن جریان در آن براحتی از دست نمی رود . سنتز در آب می تواند هزینه ی آزمایش را تا حد قابل توجهی
کاهش دهد، ولی مقدار ودرجه خلوص نانو تیوب های بوجود آمده د راین آزمایش بسیار پایین است خصوصا اینکه مقداری از
نانو لوله ها ممکن است در آب به صورت مخلوط وارد شود، که البته می توان با یک روکش گرافیتی از آن جلوگیری کرد.
شکل الکترود ها وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الکتریکی بسیار انعطاف پذیر است .تا کنون با آزمایشهائی که به وسیله
این روش صورت گرفته حتی در زمانهایی که از کاتالیز گرها استفاده شده است ، محصول از نوع چند جداره بوده واین خاصیت
. است 3 MWNTs آب در تشکیل نانو لوله های
٣٩
روش هاى شیمیایى تولید گرافن
گرافن به دلیل داشتن ویژگى هاى عالى مکانیکى، الکتریکى، دمایى، اُپتیکى، مساحت سطحى بسیار بالا، و امکان کنترل
تمام این ویژگى ها از طریق عامل دار کردن شیمیایى، مورد توجه دانشمندان قرار دارد . روش هاى مختلفى براى تولید
گرافن و مشتقات شیمیایى آن از گرافیت و مشتقاتش وجود دارد که هر یک مزایا و معایبى دارند .استفاده از سوسپانسیون
هاى کلوئیدى براى تولید مواد جدید متشکل از گرافن و مشتقات شیمیایى آنها را مرور خواهیم کرد .این راهکار، مقیاس
پذیر و انطباق پذیر بوده، در محدوده ى وسیعى از کاربردها قابل استفاده است.
در سا لهاى اخیر تحقیقات زیادى براى توسعه ى رو شهاى مختلف تولید گرافن صورت پذیرفته است .گرافن یک ماده ى
تک لایه از اتمهاى کربن است که در شبک هاى شش ضلعى به هم متصل شده اند. ویژگى هاى برجسته ى گرافن که
تاکنون گزارش شد ه اند عبارتند از : مدول یانگ بالا( حدود 1100 گیگاپاسکال)، مقاومت بالادربرابرشکست ( 125
5000 ) ، تحرک پذیرى بالاى حاملان بار یا به عبارت دیگر رسانایى W/mK) گیگاپاسکال)، رسانایى حرارتى خوب حدود
200000 )، مساحت سطحى ویژه ى بالا (مقدار محاسبه شده 2630 :متر مربع بر گرم) و پدید Vs/cm الکتریکى بالا ( 2
ههاى انتقالى شگف تانگیزى همچون اثرکوانتومى هال.
عبارت دیگر مشتقات شیمیایى گرافن گزین ههاى بسیار مناسبى (CMG) گرافن و گرافن تغییریافت هى شیمیایى یا به
براى کاربردهاى مختلفى همچون مواد ذخیره کننده ى انرژى، مواد شبه کاغذ،کامپوزیت هاى پلیمرى، ابزارهاى بلور مایع،
ونوسانگرهاى مکانیکى به شمار مى روند.
تاکنون در تولید گرافن از چهار روش مختلف استفاده مى شد
و رشدهم بافته؛ مثالى از این روش تجزیه ى اتیلن روى سطوحى از جنس (CVD) رسوب دهى بخار شیمیایى 
نیکل است .پس از این تلا شهاى اولیه(که در سال 1970 آغاز شد)جوامع علمى فعال در زمینه ى علم سطح،
کارهاى زیادى روى((گرافیت تک لایه)) انجام دادند؛
لایه لایه کردن میکرومکانیکى گرافیت؛ این روش که با نام(( نوار اسکاتلندى)) یا روش پوست کنى نیز معروف 
است،ادامه ى کارهاى قبلى در زمینه ى لایه لایه کردن میکرومکانیکى گرافیت الگو دهى شده بود؛
رشدهم بافته روى سطوح عایق الکتریکى؛ 
ایجاد سوسپانسیو نهاى کلوئیدى. 
لایه لایه کردن الکترو مکانیکى منجر به تولید مقادیر اندکى گرافن مى شود که می توانند در مطالعات بنیادى مورد استفاده
قرار بگیرند .به رغم آنکه استفاده از رسو ب دهى شیمیایى بخار روى بسترهاى فلزى به تولید فیل مهاى گرافنى بزرگ (تا
بدون CVD مساحت 1 سانتى متر مربع) یک یا چندلایه مى انجامد و امکان تولید مواد کربنى از نوع گرافن بااستفاده از
بهبودیافته ى پلاسمایى با استفاده از فرکانس رادیویى، پیرولیزآئروسلى، و سنتز دما حلالى را فراهم مى آورد ؛ CVD ، بستر
اما رشد تک لایه هاى گرافنى یکنواخت همچنان یک چالش در این زمینه محسوب مى شود.
از سوسپانسیو نهاى کلوئیدى ساخته شده از گرافیت، مشتقات گرافیت CMG در این مقاله ى مرورى تولید گرافن و
(همچون اکسید گرافیت) و ترکیبات حاوى گرافیت مورد بحث و بررسى قرار خواهد گفت .از جمله ویژگى هاى این روش
مى توان به مقیاس پذیرى، انطباق پذیرى و سازگارى آن با روشهاى عامل دار کردن شیمیایى اشاره کرد، همچنین استفاده
از آن، امکان تولید در مقیا سهاى بالا را نیز فراهم مى آورد .همه ى این ویژگى ها بدین معناست که مى توان از روش
در محدود هى وسیعى از کاربردها بهره برد. CMG سوسپانسیون کلوئیدى در تولید گرافن
تولید گرافن از اکسید گرافیت
Brodie از قرن نوزدهم که اکسید گرافیت براى اولین بار تهیه شد براى تولید این ماده عمدتاً از روش هاى
استفاده شده است .هر سه روش مذکور شامل اکسید کردن گرافیت در حضور اسید ها hummers و ، Staudenmeier ،
و اکسیدکننده هاى قوى است . سطح اکسیداسیون متناسب با روش مورد استفاده، مى تواند شرایط واکنش ، و گرافیت
٤٠
استفاده شده متفاوتى را داشته باشد . به رغم تحقیقات زیادى که براى روشن کردن ساختار اکسید گرافیت انجام شده است
، همچنان چندین مدل در مقالات مورد بحث قرار می گیرند.
13 ، مدل نشان داده شده در C 13 اکسید گرافیت و اکسید گرافیت برچسب دار با C NMR طیف سنجى حالت جامد
به شدت بر هم خورده، بخش sp 1 را ثابت می کند؛ به این صورت که شبکهى کربنى گرافیت با هیبریداسیون 2 a شکل
عمده اى از این شبکه به گروه هاى هیدروکسیل پیوند یافته و یا به صورت بخشى از گروه هاى اپوکسید درآمده اند.
شکل 1:اکسید گرافیت و گرافن
ساختار شیمیایى اکسید گرافیت؛ براى جلوگیرى از پیچیدگى تصویر، گروه هاى عاملى کوچک، گروه هاى کربوکسیلى و کربونیلى از لبه هاى این
از ورقه هاى اکسید گرافن لایه لایه؛ ضخامت هر یک از این لایه ها حدود 1 نانومتر است .خطوط افقى بخش AFM ساختار حذف شده اند؛ تصویر
هایى را نشان مى دهند که در سمت راست به تصویر کشیده شده اند .تصویرى از کاغذ اکسید گرافنى تاخورده را نشان مى دهد؛ تصویر
میکروسکوپ الکترونى روبشى از مقطع عرضى کاغذ اکسید گرافنى که یک ساختار لایه اى را نشان مى دهد.
تصور بر این است که در لبه هاى تک لایه هاى این ساختار جدید، قطعات کوچکى از گروه هاى کربوکسیل یا کربونیل نیز
13C حالت جامد اکسید گرافیت برچسب دار با NMR ایجاد شده اند .اینها نشان می دهند که باید با استفاده از طیف سنجى
همراه با( به عنوان مثال) تیتراسیون با نشانگرهاى فلورسانس کربوکسیلى و گروه هاى دیگر، کار بیشترى در این زمینه
صورت گیرد تا توزیع فضایى این گروه ها روى صفحات منفرد اکسید گرافن مشتق شده از اکسید گرافیت، روشن شود .در
ادامه بحث بیشترى در این مورد خواهیم داشت.
بنابراین اکسید گرافیت متشکل از ساختار لایه اى شکلى از جنس ورقه هاى اکسید گرافن است که بسیار آب دوست بوده،
مولکول هاى آب به راحتى مى توانند در بین این صفحات وارد شوند . با افزایش رطوبت نسبى، فاصله ى میان صفحات
اکسید گرافن به صورت برگشت پذیر از 6تا 12 آنگستروم افزایش مى یابد . شایان ذکر است که مى توان با استفاده از امواج
1) و به هم زدن شدید مخلوطى از اکسید گرافیت و آب به مدت طولانى، این ماده را کاملاً لایه لایه و B ماوراى صوت (شکل
یک مخلوط معلق کلوئیدى آبى از ورقه هاى اکسید گرافن تولید کرد . اندازه گیرى بار سطحى( پتانسیل زتا)ورقه هاى
اکسید گرافن نشان مى دهد که این صفحات درون آب داراى بار منفى هستند و به همین دلیل ممکن است دافعهى
٤١
الکتروستاتیک میان صفحات اکسید گرافنى که داراى بار منفى است، موجب ایجاد سوسپانسیون آبى پایدارى از آنها شود .در
دههى 1950 و 1960 کار بسیار زیادى روى این سوسپانسیون هاى کلوئیدى آبى صورت گرفت .احتمالاً این ورقه هاى
اکسید گرافنى ساختارى شبیه تک صفحات اکسید گرافیت داشته و مى توان با استفاده از واکنش هاى شیمیایى مطلوب،
را از آنها به دست آورد . (CMG) مشتقات شیمیایى دیگر گرافن
موجب ایجاد مواد کاغذ مانند پایدارى شده است که ساختار لایه اى دارند. (شکل CMG فیلتر کردن سوسپانسیون هاى
برای تولید فیلم هاى CMG 1). همچنین پیشرفت هاى زیادى در زمینه ى استفاده از سوسپانسیون همگن ورقه هاى c,d
نازک شفاف و رسانا صورت گرفته است.
ورقه هاى اکسید گرافن احیانشده
نویسندگان زیادى بیان کرده اند که تنها با استفاده از تابش امواج ماوراى صوت اکسید گرافیت مى توان سوسپانسیون
کلوئیدى همگنى از اکسید گرافن در آب یا حلال هاى آلى مختلف ایجاد کرد .اکسید گرافن آب دوست به راحتى در آب
پخش شده، سوسپانسیونى قهوه اى رنگ قهوه اى یا قهوه اى تیره اى را ایجاد مى کند( در جدول 1 فهرستى از حلال هاى
مورد استفاده، غلظت سوسپانسیون هاى کلوئیدى، ابعاد افقى و عمودى ورقه هاى اکسید گرافن، و نوع ماده ى اولیه ى
٤٢
(CMG) شکل 2:ورقه هاى اکسید گرافن تغییریافته شیمیایى
واکنش ورقه هاى اکسید گرافن با ایزوسیانات منجربه تشکیل گروه هاى عاملى کاربامات بیضى سمت چپ ) وآمید(بیضى سمت راست) مى شود؛ .a
تصویر میکروسکوپ الکترونى روبشى از ورقه هاى مجتمع اکسید گرافن که با استفاده از مونوهیدرات هیدرازین احیا شده اند ؛ .b
با نمک هاى SDBS احیا و عاملدار کردن حد واسط گرافن تغییریافته شیمیایى پیچیده شده در ، SDBS انجام واکنش روى گرافن پیچیده شده در .c
دى آزونیوم در دماى اتاق؛
و پاسخ آن به تهییج با استفاده از نور ماوراى بنفش. TiO هیبرید گرافن- 2 .d
مسیر شیمیایى تولید سوسپانسیون آبى از اکسید گرافن احیاشده . .e
( 1)اکسیداسیون گرافیت براى تولید اکسید گرافیت؛ ( 2 ) تولید اکسید گرافن از اکسید گرافیت در آب با استفاده از امواج ماوراى صوت؛ ( 3 )
احیاى کنترل شدهى اکسید گرافن با استفاده از هیدرازین که منجر به تولید سوسپانسیون کلوئیدى از ورقه هاى گرافن تغییریافتهى شیمیایى
رساناشده و به وسیله ى نیروى دافعهى الکتروستاتیکى پایدار مى شوند.
٤٣
استفاده شده آورده شده است) .پوسته پوسته شدن اکسیدگرافیت براى دستیابى به اکسید گرافن با استناد به ضخامت تک
ورقه هاى گرافن (ضخامت حدود 1 نانومتر روى بسترى مانند میکا) مورد تایید قرار گرفته است .ضخامت این ورقه ها با
استفاده از میکروسکوپ نیروى اتمى اندازه گیرى شده است.
0 میلى گرم بر میلى لیتر به طور مستقیم در حلال هاى قطبى همانند اتیلن / اکسید گرافن را مى توان با غلظتى حدود 5
پخش کرد، همچنین نشان داده شده است که تغییر شیمیایى ورقه هاى اکسید گرافن با THF و ،DMF ،NMP ، گلیکول
مولکول هاى آلى منجر به تولید سوسپانسیون هاى همگن در حلال هاى آلى مىشود .واکنش اکسید گرافن با گروه هاى
ایزوسیانات نیز ورقه هاى اکسید گرافن تغییر یافته با ایزوسیانات را ایجاد مىکند که در حلال هاى آلى قطبى به خوبى
پخش مى شوند.تصور بر این است که طى واکنش ایزوسیانات با گروه هاى هیدروکسیل و کربوکسیل، گروه هاى عاملى
کاربامات و آمید تولید مى شوند.
واکنش کوپل شدن آمیدى میان گروه کربوکسیلیک اسید اکسیدهاى گرافن و اُکتادسیل آمین (پس از فعال کردن گروه هاى
براى اتصال زنجیره هاى آلکیلى بلند به اکسید گرافن با بهره 20 درصد وزنى (COCl از طریق تبدیل آنها به 2 COOH
مورد استفاده قرار گرفته است .جالب این است که استفاده از فلوئورید گرافیت به عنوان ماده ى اولیه ى واکنش (به جاى
اکسید گرافن)و تغییر دادن آن با استفاده از واکنشگرهاى آلکیل لیتیوم، منجر به تولید ورقه هاى گرافن تغییر یافته با گروه
آلکیل شد که مى توانستند با استفاده ازماوراى صوت در حلال هاى آلى پخش شوند.
اکسید گرافن احیاشده
به رغم آنکه تغییر شیمیایى اکسید گرافن/گرافیت یا فلوئورید گرافیت، منجر به تولید سوسپانسیون هاى کلوئیدى همگن مى
شود؛ ترکیبات به دست آمده به دلیل بر هم خوردن شبکه ى گرافیتى، از نظر الکتریکى نارسانا هستند، همچنین احیاى
اکسید گرافن با استفاده از روش هاى شیمیایى( استفاده از ترکیبات احیا کننده اى همچون هیدرازین، دى متیل هیدرازین،
روش هاى حرارتى، و روش هایى که در آنها از تابش ماوراى بنفش استفاده مى شود، منجر به ، (NaBH هیدروکینون،و 4
های رساناى الکتریکى مى شود (فهرستى از ویژگى هاى الکتریکى مواد مبتنى بر گرافن که با استفاده از این CMG تولید
سوسپانسیون ها تولید شده اند، در جدول 2 آورده شده است). احیاى سوسپانسیون آبى اکسید گرافن با استفاده از
حالت سوسپانسیونى، منجر به تولید ورقه هاى مجتمع گرافنى شده، پس از خشک شدن، پودر سیاهى را pH هیدرازین در
حدود 10 )اکسید C/O 200 ). تجزیه ى عنصرى( نسبت S/m ایجاد مى کند که از نظر الکتریکى رساناست (رسانایى حدود
گرافن احیاشده با استفاده از روش احتراق، حضور مقادیر زیادى از اکسیژن را آشکار کرد که نشان مى دهد اکسید گرافن
احیاشده شبیه گرافن خالص نیست . محاسبات نظرى احیاى اکسیدگرافن(مدل مورد استفاده براى اکسید گرافن، حاوى
6 درصد (نسبت / گروه هاى هیدروکسیل و اپوکسید بود) نشان داد که احیاى سطح اکسید گرافن به میزان کمتر از 25
مى تواند از نظر حذف گروه هاى هیدروکسیل مشکل باشد. ( C/O اتمى 16 براى
احیاى شیمیایى با استفاده از دى متیل هیدازین یا هیدرازین در حضور پلیمر یا ماده ى فعال سطحى،منجر به تولید
هاى رساناى الکتریکى مى شود .احیاى سوسپانسیون آبى حاوى مخلوطى از ورقه هاى CMG سوسپانسیون هاى کلوئیدى از
اکسید گرافن و پلى( سدیم 4- استایرن سولفونات) سوسپانسیون آبى سیاه رنگى از ورقه هاى اکسید گرافن پوشیده شده با
پلیمر را تولید مى کند . احیاى اکسید گرافن تغییر یافته با ایزوسیانات در حضور پلى استایرن، سوسپانسیونى از ورقه هاى
تولید CMG ایجاد کرد که مى توان آنها را با متانول شکسته و کامپوزیتى حاوى ورقه هاى رساناى DMF اکسید گرافن را در
با (SDBS) کرد که به خوبى در آن پخش شده اند .احیاى اکسید گرافن پوشیده شده با سدیم دودسیل بنزن سولفونات
هاى CMG استفاده از هیدرازین ، و پس از آن ، تغییر شیمیایى آن با استفاده از نمک آریل دىآزونیوم، منجر به تولید
قابل NMP دى متیل استامید، و –  N,N، DMF شد که تا غلظت 1 میلى گرم در میلى لیتر در SDBS پوشیده شده با
پخش هستند.
تولید سوسپانسیون هاى کلوئیدى گرافن حاوى مولکول هاى آلى کوچک یا نانو ذرات نیز گزارش شده است .پژوهشگران
توانسته اند ورقه هاى اکسید گرافن احیاشده را با استفاده از پیرن بوتیریک اسید (یک مولکول آلى کوچک معروف با تمایل
٤٤
عامل دار نمایند .سوسپانسیون آبى اکسید گرافن با استفاده از ( π جذبى قوى به صفحه ى گرافیتى از طریق الکترون هاى
مى CMG هیدرازین و در حضور پیرن بوتیریک اسید احیا و منجر به تولید نوعى از سوسپانسیون کلوئیدى سیاه رنگى از
٤٥
0 میلى گرم بر میلى لیتر ). با فیلتر کردن این سوسپانسیون، / شود که به وسیله ى پیرن بوتیریک اسید جذب مى گردد ( 1
.(200 S/m) ماده ى کاغذمانندى به دست آمد که رسانایی الکتریکی متوسطی داشت
سوسپانسیونى -AuCl و پس از آن اضافه کردن 4 ، THF و اکسید گرافن تغییر یافته، با اُکتادسیل آمین در NaBH واکنش 4
0 میلى گرم بر میلى لیتر) . / از ورقه هاى اکسید گرافن تغییریافته با نانوذرات طلا را ایجاد کرد ( غلظت کمتر از 48
نانوذرات طلا (با قطر 5تا 11 نانومتر )به ورقه هاى گرافن تغییریافته وصل شدند .گرافن تغییریافته با نانوذرات دى اکسید
تیتانیوم نیز مطالعه شده اند؛
ازتابش ماوراى بنفش روى هیبرید اکسید گرافن/دى اکسید تیتانیوم در اتانول، براى احیاى ورقه هاى اکسید گرافن استفاده
در اتانول ایجاد مى شود که نانوذرات دى اکسید تیتانیوم به آنها CMG مى شود و سوسپانسیونى سیاه رنگ از ورقه هاى
به ورقه TiO به عنوان یک فتوکاتالیزور عمل کرده، فتوالکترون ها را از 2 TiO وصل شده بودند . فرض بر این است که 2
هاى اکسید گرافن منتقل مى کند .روش هاى اندکى براى ایجاد سوسپانسیون هاى کلوئیدى از ورقه هاى گرافن بدون
0 میلى گرم بر میلى لیتر ) / استفاده ازپایدارکننده ها یا مواد فعال سطحى گزارش شده است . تولید یک سوسپانسیون آبى( 5
نیز به وسیله ى محققان توصیف شده است . (pH= از ورقه هاى اکسید گرافن احیاشده تحت شرایط بازى( 10
اکسیدگرافن با استفاده از هیدرازین احیا و پس از آن هیدرازین اضافى با استفاده از دیالیز جدا شد . باور بر این است که در
گروه هاى کربوکسیلیک خنثى به گروه هاى کربوکسیلاتى که داراى بارمنفى هستند تبدیل شده اند، بنابراین ،pH= 10
زمانى که بخش هاى داخلى ورقه هاى اکسید گرافن با استفاده از هیدرازین احیا مى شوند، صفحاتى که داراى بار منفى
2 ). با فیلتر کردن این سوسپانسیون، مواد کاغذمانندى e هستند به صورت توده اى درنمى آیند (آگلومره نمى شوند)(شکل
.(7200S/m) حاصل شدند که پس از خشک شدن، رسانایى الکتریکى خوبى را از خود نشان دادند
در یک کار پژوهشى دیگر، یک سوسپانسیون آبى ( 7 میلى گرم بر میلى لیتر )از اکسیدهاى گرافن احیا شدهى جزئى، تولید
به وسیله ى هیدرازین در شرایط بازى صورت گرفت .دانشمندان KOH شدند .این کار با احیاى اکسید گرافن تغییریافته با
یک جفت یون تشکیل مى دهند . CMG و آنیون هاى کربوکسیلات در لبه هاى صفحات K+ بر این باورند که یون هاى
690 است. S/m رسانایى الکتریکى ماده ى کاغذمانندى که از خشک کردن این سوسپانسیون حاصل مى شود،حدود
در راهکار سوم، سوسپانسیون هاى مبتنى برگرافن با استفاده از یک واکنش سه مرحله اى تولید شدند:
NaBH 1)پیش احیاى اکسید گرافن با استفاده از 4 )
2)سولفوناسیون ___________به وسیلهى نمک آریل دى آزونیوم حاصل شده از سولفانیلیک اسید؛ )
3 تا 10 ) با استفاده از هیدرازین. pH 3)احیاى محلول گرافن سولفوناته( 2 میلى گرم بر میلى لیتر در )
را در مخلوطى از آب و حلال هاى آلى مشخص پخش کرد . CMG پس از مرحله ى احیاى نهایى، مى توان صفحات
با استفاده از گروه هاى سولفونیل به صورت کوالانسى عامل دار مى شوند .رسانایى CMG پیشنهاد شده است که ورقه هاى
الکتریکى فیلم هاى نازک ساخته شده از این سوسپانسیون روى یک اسلاید شیشه اى (پس ازخشک شدن در دماى 120
1250 گزارش شده است . S/m ( درجه ى سانتى گراد
به هم زدن ورقه هاى اکسید گرافن در هیدرازین بى آب ( 10 میلى لیتر به ازاى 15 میلى گرم اکسید گرافیت ) به مدت یک
هفته و در ظرف خشکى که پرنیتروژن است، منجر به تولید سوسپانسیونى از ورقه هاى اکسید گرافن احیاشده در هیدرازین
بى آب مى شود .ابعاد افقى برخى از این ورقه ها مى تواند به بزرگى 20 در 40 میلى متر باشد . بر اساس اندازه گیرى هاى
0 نانومتر است؛ بنابراین در این راهکار هیدرازین بى / به اندازه ى 6 SiO روى 2 CMG ضخامت این ورقه هاى ، AFM
آب هم به عنوان عامل احیاکننده ى اکسید گرافن، و هم به عنوان حلال پخش کننده عمل مى کند. ورقه هاى منفرد
را از خود نشان دادند . p به عنوان ترانزیستورهاى اثر زمینه مورد بررسى قرار گرفته، رفتار نوع CMG
عملیات حرارتى اکسید گرافیت روش دیگرى براى دستیابى به صفحات احیاشدهى این ماده است .گرم کردن سریع اکسید
گرافیت( بیش از 2000 درجهى سانتى گراد بر دقیقه ) تا 1050 درجهى سانتى گراد ضمن احیاى آن، باعث پوسته پوسته
شدنش و ایجاد یک پودر سیاه رنگ مى شود . محتواى اکسیژن پودر حاصله معادل محتواى ا کسیژن اکسید گرافن احیاشده
S/m با هیدرازین است و رسانایى الکتریکى آن در محدوده ى
٤٦
1000-2300 گزارش شده است .ورقه هاى گرافن احیاشده ى حرارتى را مى توان در حلال هاى آلى مختلف پخش کرده،
از سوسپانسیون کلوئیدى آنها در ساخت کامپوزیت هاى متشکل از اکسید گرافن احیاشده و پلیمر بهره برد.
تولید گرافن از مشتقات دیگر گرافیت
و گرافیت هاى بسط پذیر (graphite intercalation compound ) گرافیت، ترکیبات لایه دار گرافیت
نوع خاصى از ترکیبات لایه دار گرافیتى) به عنوان مادهى اولیه در ساخت سوسپانسیون هاى :expandable graphite)
کلوئیدى از ورقه هاى گرافن تک لایه اى مورد استفاده قرار گرفته اند . به شکل ایدهال، استفاده از گرافیت، ترکیبات لایه دار
گرافیت و گرافیت هاى بسط پذیر، امکان تولید سوسپانسیونى از ورقه هاى گرافنى با کیفیت بالا ( تقریباً گرافن خالص ) را
ایجاد مى کند . با استفاده از تابش ماوراى صوت پودر گرافیت، سوسپانسیون هاى کلوئیدى از ورقه هاى گرافن در حلال هاى
0 میلى گرم بر میلى لیتر) و بهرهى تولید تک لایه- / حاصل شده اند .اگر چه غلظت سوسپانسیون ( 01 ، NMP آلى همچون
هاى گرافنى( 1 تا 12 درصد ) بالا نیست؛ استفاده از این روش تولید، منجر به تولید گرافن هایى با کیفیت بالا شده اند .با
استفاده از مدلى که شامل انرژى سطحى گرافن و انرژى پیوستگى حلال بود، حلال هاى خوب براى ایجاد یک سوسپانسیون
کلوئیدى همگن دسته بندى شده اند .اندازه گیرى ویژگى هاى فیلم هاى نازک تولیدشده با استفاده از این ورقه ها( به عنوان
6500 با شفافیت نورى 42 درصد را نشان مى دهد .پس از خشک کردن کامل فیلم ها در 400 S/m مثال)رسانایى حدود
کاملاً حذف نشده، به میزان 7 درصد وزنى در فیلم باقى مى ماند. NMP درجهى سانتى گراد، حلال
که یک ترکیب گرافیتى لایه دار است ) ) K(THF)xC در کار تحقیقاتى دیگرى، با به هم زدن نمک پتاسیم سه تایى 24
یک سوسپانسیون کلوئیدى همگن از ورقه ها یا روبان هاى گرافن تولید شد . ضخامت اندازهگیر ى شده براى این NMP در
0 نانومتر بود که به فاصله ى میان صفحات / 0 تا 4 / ورقه ها یا روبان هاى گرافنى( به طول تقریبى 40 میلى متر) ، 35
0 نانومتر است، نزدیکتر بود .این اندازه گیرى ها با استفاده از میکروسکوپ تونلزنى روبشى روى / گرافیتى لایه دار که 335
یک بستر گرافیت پیرولیتى جهتدار و با استفاده از میکروسکوپ نیروى اتمى روى یک بستر از جنس میکا انجام شدند . این
سوسپانسیون ها نسبت به هوا حساس بودند؛ اماپس از خشکاندن از طریق چکاندن آنها روى یک سطح، فیلم ایجاد شده در
معرض هوا پایدار بود. استفاده از گرافیت بسطپذیر، منجر به ایجاد نوعى از ورقه هاى گرافن در یک حلال آلى مى شود که با
پلیمر پوشیده شدهاند .گرافیت بسطپذیر تجارى در دماى بالا( هزار درجهى سانتى گراد )و براى مدت کوتاهى( یک
– فنیل وینیلن-کو – 2 و 5 -m ) دقیقه)تحت عملیات حرارتى قرار گرفت، سپس ماده منبسط شده در محلولى از پلى
در دىکلرومتان در معرض تابش ماوراى صوت قرار گرفت و سوسپانسیونى (PmPV) ( فنیلن وینیلن -p – دیوکتوکسى
با ضخامت کمتر از 10 نانومتر) تک یا چند لایه ى نیمه رسانا با ) CMG 0/1 میلى گرم بر میلى لیتر ) از نانوروبان هاى )
پلیمر جذب شده ایجاد شد . راهکار دیگر، شامل مراحل زیر بود:
1)لایه لایه کردن از طریق حرارت دهى در هزار درجه ى سانتى گراد به مدت یک دقیقه؛ )
2)پرکردن مجدد میان لایه ها با اولئوم؛ )
(3a 3)انبساط با تترابوتیل آلومینیوم هیدروکسید (شکل )
.DMF 4)تابش ماوراى صوت در )
[ -N- گلیسرو – 3-فسفواتانول آمین -sn- سوسپانسیون نهایى شامل ورقه هاى گرافن پوشیده شده با 1و 2- دى استئاروئیل
بود که بنا بر اندازه گیرى هاى انجام شده mPEG DSPE- ، متوکسى( پلى اتیلن گلیکول)- 5000 ،[یا به عبارتى دیگر
بودند . تولید سوسپانسیونى از CMG 90 درصد ورقه هاى این سوسپانسیون به صورت ورقه هاى منفرد ، AFM به وسیله ى
ورقه هاى گرافنى پوشیده شده با مولکول آلى با استفاده از گرافیت بسط پذیر گزارش شده است .گرافیت بسط پذیر سریعاً تا
دماى هزار درجه ى سانتى گراد به مدت یک دقیقه حرارت داده مى شود و گرافیت منبسط شدهى به دست آمده با
مخلوط شد . (DMSO) در حضور چندین قطره دى متیل سولفوکساید (TNCQ) 7و 7و 8و 8- تتراسیانوکوئینودى متان
پس از آن از طریق تابش ماوراى صوت به مخلوط خشک شده، سوسپانسیون ( 15 تا 20 میلى گرم بر میلى لیتر ) سیاه رنگى
در آب حاصل شد . محققان بر این باورند که آنیون TCNQ از ورقه هاى گرافن یک یا چندلایه پوشیده شده با
٤٧
روى ورقه هاى گرافن جذب شده، آنها را در آب پایدار مى کنند . ورقه هاى گرافن پایدارشده با استفاده از TCNQ هاى
نیز پخش مى شوند . از عملیات الکتروشیمیایى گرافیت نیز در ( DMF و DMSO ) در حلالهاى بسیار قطبى TCNQ
استفاده شده است . میله هاى تجارى گرافیتى به عنوان الکترود آند و کاتد CMG تولید سوسپانسیون کلوئیدى از ورقه هاى
3 ).پس از اعمال اختلاف قابلیتى b در مخلوط دوفازى از آب و مایع یونى مبتنى بر ایمیدازولیوم غوطه ور شدند( شکل
معادل 10 تا 20 ولت، ورقه هاى گرافنى عامل دارشده به وسیلهى مایع یونى که از آند گرافیتى نشات گرفته اند در ظرف
خشک شده را دوباره در حلال هاى قطبى غیر پروتونى به CMG رسوب مى کنند . پس از تابش ماوراى صوت مى توان
ایجادشده از یک سوسپانسیون CMG حالت سوسپانسیونى درآورد ( 1میلى گرم بر میلى لیتر ).ضخامت متوسط ورقه هاى
1 نانومتر را نشان مى دهد .پیشنهاد شده است که رادیکال / قابل اندازه گیرى است و عدد 1 AFM با استفاده از ،DMF
به π هاى ایمیدازولیوم که به صورت الکتروشیمیایى ایجاد شده اند با پیوندهاى کووالانسى و از طریق شکستن پیوندهاى
ورقه هاى گرافن متصل مى شوند.
چالش هاى موجود و چشم انداز پیش رو
نیز از این منظر CMG سوسپانسیون هاى کلوئیدى در تهیه ى بسیارى از مواد اهمیت بالایى دارند، سوسپانسیون هاى
بسیار نویدبخش هستند . مشکلات موجود در زمینه ى استفاده ى وسیع از این سوسپانسیون ها عبارتند از : مقیاس پذیرى
(بهره، کمیت، هزینه، … )، بى خطر بودن حلال هاى مورد استفاده و جدا کردن باقى مانده ى حلال ها و پایدارسازهاى
مورد استفاده در کلوئید از محصول نهایى . تاکید بر این نکته ضرورى است که اگر چه سوسپانسیون هاى کلوئیدى را زمانى
ها تا زمانى ممکن است CMG مى توان پایدار دانست که به مدت بسیار طولانى مقاوم بوده، از بین نروند، سوسپانسیون
پایدار به حساب آیند که فراورى و به چیز دیگرى تبدیل شوند.
و سازوکار واکنش هاى آنها مربوط است .هر قدر دانش CMG مشکل اصلى دیگر به درک ما از ساختار شیمیایى ورقه هاى
ما از شیمى این مواد بیشتر باشد، ساخت کامپوزیت ها، فیلم هاى نازک، مواد کاغذمانند و دیگر ساختارهاى مبتنى بر این
ها، به توانایى ما در تنظیم شیمیایى این مواد براى CMG مواد، بهتر صورت مى گیرد؛ مثلاً ساخت حسگرهاى مبتنى بر
حسگرى هاى مختلف بستگى دارد.
تاکنون گرافن هایى که از طریق احیاى اکسید گرافن ساخته مى شوند، حاوى مقادیر بالایى اکسیژن و احتمالاً نقایص
ساختارى بوده اند .آنیلینگ حرارتى ورقه هاى اکسید گرافن، نتایج امیدوارکننده اى داشته است و دانشمندان علاقه ى زیادى
گرافن خالص دارند (شاید گرافن هاى تولیدشده از گرافیت هاى میان sp به یافتن راه هایى براى بازیابى شبکه ى کربنى 2
لایه اى و بسط پذیر داراى نقایص ساختارى کمترى باشند؛ اما بهرهى تولید پایین ترى داشته، نسبت به گرافن هاى ساخته
شده از اکسید گرافن، قابلیت کمترى را براى عامل دار شدن دارند) . ما در نهایت توسعه ى مسیرهاى واکنشى و مواد اولیه
ى دیگرى را پیشنهاد مى کنیم . میزان کل گرافیت طبیعى در دنیا، 800 میلیون تن تخمین زده مى شود .اگر بتوان گرافن
و مواد اولیه مختلف تولید کرد، CVD یا صفحات بسیار نازکى از گرافن چندلایه را در مقیاس وسیع و با استفاده از روش
شاید بتوان مسیرهاى جدیدى را نیز براى ایجاد سوسپانسیون هاى کلوئیدى یافت و منبع تهیه ى گرافن/گرافن چندلایه تا
حد بسیار زیادى افزایش یابد. 4
٤٨
فصل دوم
کاربرد گرافن
٤٩
گرافن ، ماده ای که دنیا را دگرگون می کند
یادآوری مجدد و کاربردهای اجمالی :
گرافن ماده ایست با پایه کربنی که انقلابی بزرگ در عرصه تکنولوژی ایجاد خواهد کرد و دنیای آینده را هر چه باهوش
تر ، سریعتر و دقیقتر می کند . گرافن از یک لایه اتم کربن مسطح ساخته شده و شبکه ای به شکل کندوی عسل ایجاد می
کند .گرافن لایه ای از گرافیت است که بصورت بسیار نازک با ضخامتی در حد چند دهم نانومتر از آن جدا می شود .
اولین بار در سال 1947 فیلیپ والاس درباره آن مطالبی نوشت و پس از آن تلاش هایِ زیادی برای ساخت آن صورت
دو دانشمند از دانشگاه منچستر موفقیتهایی در Novoselov Konstantin و Andre Geim، گرفت .در سال 2004
ساخت این ماده بدست آوردند . این دانشمندان توانستند لایه ای کربنی به ضخامت یک اتم تولید کنند که دارای قدرت
رسانای الکتریکی بسیار قوی بوده و ماده خوبی بعنوان نیمه رسانا برای ساخت ترانزیستور ها محسوب می شد . در نهایت در
سال 2010 جایزه نوبل فیزیک بدلیل ساخت گرافن دو بعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت .امروزه دانشمندان بر این باورند
که گرافن بدلیل دارا بودن پیوندهای هم ظرفیت بین اتم های کربن یکی از با استحکام ترین موادی است که تاکنون شناخته
شده است .
امروزه گرافن به یکی از موضوعات قابل بحث و تحقیق در زمینه علم فیزیک و علم مواد تبدیل شده است زیرا با دارا
بودن قابلیت های زیادی که در این ماده وجود دارد پیش بینی می شود در ساخت ابزارهای الکترونیکی جدید تحولی گسترده
ایجاد کند و بعنوان جایگزینی برای سیلیکون در قطعات الکترونیکی آینده مطرح باشد. با ساخت قطعه ای گرافن به شکل نوار
که ضخامت آن تنها 10 اتم است نسل جدیدی از حافظه های کامپیوتر به بازار عرضه خواهد شد . پیش بینی شده است که
این حافظه ی جدید قابلیت ذخیره ی حجم انبوهی از اطلاعات را خواهد داشت و کاربرد آن در انواع کامپیوترها ، تلفن های
همراه ، دوربین های دیجیتالیو دستگاه های صوتی-تصویری باعث تحولات گسترده در آنها خواهد شد .
گرافن دارای ویژگی های منحصر به فردی مانند اندازه نانومتری ، سختی و استحکام مکانیکی بسیار زیاد ، قدرت
رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا ، انعطاف پذیری و خاصیت مغناطیسی می باشد . بهمین دلیل این ماده کاربردهای
فراوانی خواهد داشت از جمله می توان کاربرد آن را در نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی ، ابزارهای ذخیره انرژیمثل باطری ها
و ابرخازن نام برد .
گرافن در تصویربرداری پزشکی، ساخت حسگرها و ابزار های امنیتیتحولی اساسی ایجاد خواهد کرد . ترانزیستورهای با
پایه گرافن در دماهای بسیار پایین و بسیار بالا نیز بخوبی کار می کند و مناسب برای محیط هاییمانند قطب و فضا خواهند بود .
یکی از کاربردهای گسترده ای که برای گرافن در نظر گرفته شده است کاربرد آن در ساخت سوئیچ های میکروویو
بسیار سریع است. این سوئیچ هابه طور گسترده ای در گوشی های موبایل و ابزارهای ارتباطات بی سیم ، اینترنت و رادار استفاده
می شوند.
گرافن بدلیل داشتن خواص کوانتومی برای ساخت ابزار الکرونیکی کوچک مناسب است . اندازه پیوند کربن کربن در
گرافن 0٫142 نانومتر است و فاصله ورقه های گرافن که از گرافیت جدا شده است 0٫335 نانومتر می باشد بعبارتی 3 میلیون
از ورقه گرافن تنها ضخامتی به اندازه یک میلیمتر خواهند داشت .
به دلیل آرایش اتمی خاص در گرافن این ماده دارای خاصیت رسانایی بالایست و برای استفاده در مدارها و دستگاه های
الکترونیکی بسیار مناسب می باشد .گرافن از لحاظ سختی بسیار شبیه الماس است بهمین جهت کاربرد های وسیعی برای آن
درنظر گرفته شده است بدلیل داشتن خواص الاستیکی و تحمل فشار زیاد ، پیش بینی می شود که تحول زیادی در صنعت
ایجاد کند .
کربن بدلیل داشتن ویژگی های خاص در بسیاری از ترکیبات مهم شیمیایی حضور دارد و بعنوان قطب مهمی در
ساخت و تولید فناوریهای گوناگون نقش مهمی ایفا می کند . هر اتم کربن دارای 4 الکترون آزاد است که می تواند با اتم های
کربن یا با عناصر دیگر پیوند برقرار کند . پیوند این اتم ها با عناصر گوناگون ترکیبات متفاوت با خواص گوناگون را ایجاد می
٥٠
کند . بعنوان نمونه 4 پیوند کوالانسی هر اتم کربن با اتم کربن دیگر منجر به تشکیل الماس می شود بعبارتی در الماس هر اتم
کربن از هر 4 ظرفیت خود برای پیوند با اتم کربن دیگر استفاده می کند .
در ساختار گرافن هر اتم کربن تنها از سه ظرفیت پیوندی خود استفاده کرده و با سه اتم کربن دیگر پیوند کوالانسی
برقرار می کند در نتیجه یک پیوند آزاد باقی خواهد ماند چهارمین پیوند را پیوند واندروالسی می نامند که پیوندی ضعیف
است . این پیوند آزاد یا معلق می تواند به اتم های دیگری که دارای پیوند آزاد باشند متصل شود ، در گرافن این پیوند آزاد به
اتمهای هیدروژن متصل می شود . چگونگی پیوند بین اتمها از موارد مهمی است که در خصوصیات مواد تاثیر گذار است .
نرم بودن گرافیت یا مغز مداد بدلیل پیوند واندروالس بین اتمهای کربن است از طرفی آنچه که لایه های گرافن را روی
یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آنهاست ، این پیوند بسیار ضعیف است . بنابراین لایه های گرافن به راحتی
می توانند روی هم بلغزند .
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن تشکیل می شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن
دیگر و یک اتم هیدروژن پیوند دارد . سه پیوند کربن با زوایای مساوی 120 درجه نسبت به هم قرار می گیرد و در ایده ال
ترین حالت یک شش ضلعی منتظم را ایجاد میکنند ولی در برخی مواقع شکل قرار گیری اتمها به حالت پنج ضلعی یا
هفت ضلعی تغییر می یابد که خود در خواص آن تاثیر خواهد داشت .
گرافن از جداسازی یک لایه تک اتمی از گرافیت بدست می آید سپس لایه مذکور را روی ویفر سیلیکونی که قطر
حفره های آن 1 میکرو متر است قرار می دهند . گرافنی که به شکل استوانه ای کوچک در می آید را نانولوله کربنی می نامند
،یک سمت این استوانه لایه ای به ضخامت یک اتم دارد ، انتهای نانولوله های کربنی ممکن است باز یا بسته باشد .
نانولولهاستوانه ا ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است ، طول هر نانولوله می تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر
باشد. اگر در راستای طول یک نانولوله لایه ای برداشته شود به این صفحه که لایه ای از کربن است گرافن می گویند .
گرافن و برخی نانولوله های کربنی که از یک لایه ی تک اتمی تشکیل شده اند ، رسانای جریان الکتریسیته خوبی
هستند البته این ویژگی بطور مستقیم به شکل ظاهری آنها نیز بستگی دارد .
گرافن استحکام بسیار زیادی دارد زیرا پیوند بین اتم های کربن بسیار محکم می باشد بهمین دلیل نانولولهای کربنی از
استحکام بسیار بالایی برخوردارند . در آزمایشگاه دانشمندان سختی و مقاومت گرافن را اندازه گیری کرده اند آنها به
نانولولهاستوانه یگرافن فشارهای گوناگونی وارد کردند . با محاسبه نیروی بازگشتی ، خاصیت الاستیکی آن را اندازه گیری
کردهو به این نتیجه رسیدند که سختی گرافن قابل مقایسه با موارد دیگر نیست و اعداد بدست آمده خارج از نمودارهای
استاندارد قرار دارد دلایل آن را هم پیوند کووالانس کربن اعلام کردند . ویژگی بارز پیوند کووالانس کربن-کربن باعث شده تا
فیبرهای کربن سختی و استحکام زیادی را تحمل کنند و انعطاف پذیر هم باشد . از این رو دانشمندان به این نتیجه رسیدند
که گرافن قویترین و سخت ترین ماده شناخته شده است . ماکزیمم فشاری که برشی عرضی از این ماده تحمل کرده است
معادل 42 نیوتن بر متر بوده که پیوند اتمهای آن از هم گسیخته نشده است .
ساخت نانولوله ها با روشهایی پیچیده ای در آزمایشگاههای مجهز انجام می گیرد در این روش از کنار هم گذاشتن تک
تک اتم های کربن نانولوله ساخته می شود ، روشی دیگر استفاده از واکنش های شیمیایی است .گرافن در مقایسه با سیلیکون
که امروزه در مدارهای الکتریکی بکار برده می شود دارای ویژگی های منحصر به فردی است . در سیلیکون کلید روشن و
خاموش عبور یا عدم عبور جریان بسیار دقیق عمل میکند، یعنی مقدار عبور جریان در حالت روشن، نسبت به حالت خاموش
بالاست ولی در گرافناین نسبت پایین استیعنی در وضعیت خاموش هم گرافن مقداری جریان را از خودش عبور میدهد
بعبارتی یک دهم جریان الکتریکی حتی در حالت خاموش نیز در آنها باقی می ماند. هنگامی که تعداد زیادی گرافن که جریان
الکتریکی در آنها قطع شده است و در حالت خاموش می باشند را کنار هم قرار دهند وضعیتی مانند حالت روشن ایجاد می
شود و گرمای بسیار ناچیزی هم تولید می کنند این مسئله از لحاظ تولیدات صنعتی بسیار حائز اهمیت است .
دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که اگر گرافن روی ماده ای قرار گیرد که بخشی از گرمای تولید شده در مدارهای
الکتریکی را بگیرد، ارتعاشات بلوری کاهش می یابد و تحرک پذیری الکترون ها و در نتیجه رسانش گرافن افزایش خواهد یافت
. البته با کاهش عرض لایه های گرافن تا ابعاد نانومتری این مسئله تا حد زیادی مرتفع می شود . دانشمندان توانستند
٥١
مولکولهای اسید نیتریک و سولفوریک را به روش شیمیایی در بین ساختار یک ذره کربنی قرار دهند ، سپس این سیستم را
با نرخ بالای حرارتی گرم کردند طی این گرمایش مولکولهای اسید بخار شده و ساختار ذره کربنی طی یک انفجار کوچک از
هم متلاشی میشود و گرافنی با طول چند میکرومتر و عرض کمتر از ده نانومتر به دست می آید که نسبت رسانش آن در حد
مطلوبی است .دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که تحرک پذیری و در نتیجه رسانش گرافن تک لایه ای به مراتب بیشتر از
آن چیزی است که تصور می شد اما بر خلاف انتظار ، تحرک پذیری الکترون ها در گرافن دو لایه ای نصف ورقه های تک لایه ای
گرافن است.رسانش الکتریکی در گرافن های دو لایه ای به دلیل وجود ناخالصی و نیز ارتعاشات اتمی کاهش می یابد.با استفاده از
یک یا دو لایه ورقه گرافن در یک ماده می تواند خواص جدیدی در آن ماده ایجاد کرد . برای استفاده از گرافن در دستگاه ها،
باید از یک یا دو لایه گرافن استفاده کرد به شکلی که قسمت های مختلف لایه ها از بستر قابل تفکیک باشد.
مطابق مطالعات انجام شده رسانش الکتریکی در گرافن های دو لایه ای به دلیل وجود ناخالصی و نیز ارتعاشات اتمی
کاهش می یابد. از آنجا که امکان استفاده از گرافن تک لایه در دستگاه های الکترونیکی وجود ندارد محققان به دنبال یافتن
راهی برای حل این مشکل هستند.به نظر آنها اگر بتوان گرافن را روی ماده ای قرار داد که بخشی از گرمای تولید شده در
مدارهای الکتریکی را بگیرد، ارتعاشات بلوری کاهش یافته و تحرک پذیری الکترون ها و در نتیجه رسانش گرافن افزایش
می یابد.بدلیل دارا بودن خواص رسانشی بسیار بالا در گرافن پیش بینی می شود که نسل آیندهی ترانزیستورها دارای سرعتی
بسیار بالا خواهند بود . در واقع کربن شبه الماسی است که می تواند بستر ایده آلی برای ترانزیستورهای گرافنی باشد.
پیش بینی می شود طول عمر دستگاه ها و ابزار ساخته شده با گرافن زیاد باشد به دلیل استحکام زیاد ، سوئیچهای
ساخته شده با آن بسیار محکم است و سریع عمل می کند بطوریکه حتی با 20000 بار خاموش و روشن شدن تغییری در
عملکرد آنها دیده نمی شود .
با کشف روشهای جدیدی برای کنترل ویژگی های مغناطیسی گرافن پیش بینی می شود بزودی شاهد تحولی گسترده
در زمینه ذخیره سازی اطلاعات خواهیم بود و ساخت و تولید حافظه های مغناطیسی متفاوت می شود زیرا خاصیت مغناطیسی
گرافن امکان کنترل الکترون ها را فراهم می کند . بدلیل آزاد بودن یکی از پیوند های کربن در ساختار گرافن که فضای
خالینامیده می شود ودارای نیروی مغناطیسی است و می تواند بعنوان آهن ربای کوچکی عمل کند. این ویژگی در دماهای پایین
بسیار حائز اهمیت است . از طرفی در آینده ای نزدیک با استفاده از اثر مغناطیسی در گرافن ، حسگرهای مغناطیسی در
مقیاس نانو تولید خواهد شد .در یک مقایسه ساده از لحاظ ذخیره سازی اطلاعات بین گرافن 10 نانومتری با مدار 454
نانومتری تراشه حافظه فلش ، میزان ذخیره سازی اطلاعات در گرافن 5 برابر حافظه فلش است .
مزیت دیگر این قطعه ها آن است که برخلاف دستگاه های امروزی به جای سه ترمینال، دارای دوترمینال هستند و
همین ویژگی توانایی ذخیره ی اطلاعات در آنها را تا چند برابر افزایش داده است .
پژوهشگران در آزمایشگاه های مجهز توانستند با ورقه ورقه کردن شیمیایی گرافیت به تولید انبوه گرافن دست یابند .
آنها گرافیت را با یک آلیاژ سدیم – پتاسیم احیاء و فعال کردند ، این بار منفی اضافی، ورقه ورقه کردن این صفحه های
گرافیتی را آسان می کند و پیوند اتمهای کربن را با مواد الکترون دوست آسان می نماید . برخلاف عملیات اکسیداسیون گرافیت،
عملیات احیاء با الکترون ها هیچ گونه آسیب شبکه ای غیر قابل بازگشتی به صفحه مسطح کربنی شش ضلعی وارد نمی کند .
سپس لایه های سالم را می توان با عملیات حرارتی بطور کامل ترمیم کرد. در این مرحله به لایه کربنی گرافان گفته می شود
یعنی صفحه گرافن اصلاح شده که اتم های هیدروژن از هر دو طرف صفحه به آن متصل شده و آن را عایق کرده اند . گرافان یا
گرافن اصلاح شده در نانوالکترونیک و حسگرها کابرد فراوان دارد . همچنین کابردهای گوناگونی نظیر درب های هوشمند،
حسگرهای نوری فوق حساس یا خازن ها مورد استفاده قرار گیرد .
گرافن در دمای بین منهای 75 تا 200 درجه سیلسیوس مورد آزمایش قرار گرفته و عملکرد مطلوبی داشته است و اثر
مغناطیسی خود را حفظ می کند . این ویژگی غیرمعمول گرافن باعث می شود الکترون ها به شکل ذرات بدون جرم رفتار کنند
و برهمکنش قوی بین الکترون ها ایجاد شود و استحکام گرافن در این دما حفظ شود . همچنین بدلیل استحکام بالایی که در
آرایش اتمی آن وجود دارد در مقابل انواع تشعشات گوناگون نفوذناپذیر است و قابلیت استفاده زیادی در شرایط بحرانی را دارد
.در آینده ای بسیار نزدیک گرافن بدلیل قابلیت های بسیار زیادی که دارد جایگزین مناسبی برای سیلیکون خواهد بود . اتم
٥٢
های کربن در گرافن ویژگی های جالب توجه دارند که باعث شده تا کاربرد آن روز به روز گسترده تر شود از جمله تحرک
پذیری زیاد و خاصیت عبور سریع جریان الکتریسته که از مشخصات بارز گرافن می باشد همچنین گرافن در پیوند با اتمهای
مواد دیگر ویژگیهای آنها را دریافت کرده و خواصی بر خاص آن افزوده می شود این ویژگی در ساخت حسگرهای شیمیایی
حائز اهمیت است .تولید صفحات گرافن از نظر فنی کار بسیار دشواری است این دستاورد جدید تحول بزرگی در زمینه ی
نانوالکترونیک و نانوکامپوزیت ایجاد خواهد کرد .این مواد با دارا بودن خواص ویژه مکانیکی ، الکترونیکی و الاستیکی ،
کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف خواهند داشت .
آنچه که بیش از بیش توجه محققان را به خود جلب کرده و اهمیت دارد فراوانی و قابلیت دسترسی آسان به ماده اولیه
گرافن که همان گرافیت است . این مسئله برای تولیدکنندگان و سرمایه گذاران و در نهایت مصرف کنندگان بدلیل قیمت
. نهایی مهم خواهد بود 5
٥٣
گرافن و نیمه رسانایی
یکی از راه های کوچک تر و سریع تر کردن ابزارهای نیمه رسانا، استفاده از موادی است که تحرک پذیری ذاتی
الکترون(معیار سهولت حرکت الکترون در یک ماده) در آنها بالا باشد، به همین دلیل هم تاکنون از موادی مانند سیلیکون و
آرسنید گالیوم به ترتیب با تحرک پذیری های 1500 و 8500 استفاده می شد .
اما اخیراً یک گروه تحقیقاتی بین المللی ( شامل جمعی از محققان روسی، انگلیسی، هلندی و آمریکایی) در یک پروژه
تحقیقاتی مشترک برخلاف آنچه تاکنون تصور می شد که هر چه ماده ای نازک تر باشد آلودگی آن بیشتر شده، از رسانش آن
کاسته می شود دریافتند که بیشترین تحرک پذیری الکترونی در بین همه مواد، مربوط به گرافن(صفحات دوبعدی بسیار
است، که بسیار بیشتر از سایر مواد؛ از قبیل Vs/2Cm نازک کربنی به ضخامت تنها یک اتم) با رقمی حدود 200000
ایندیوم آنتی موان، مواد سیلیکونی یا آرسنید گالوم و حتی نانولوله های کربنی است، لذا می توان آن را مناسب ترین ماده در
ساخت دستگاه های الکترونیکی دانست .
آنها با بررسی تحرک پذیری الکترونی گرافن و اندازه گیری آن برحسب دما، دریافتند که اگر چه گرافن ماده کاملاً
یک دستی نیست و صفحات آن موج دار است؛ حتی بالا رفتن دما و افزایش ارتعاش این صفحه ها که در سایر مواد موجب
پراکندگی الکترون ها و پایین آمدن تحرک پذیری می شود تاثیری بر تحرک پذیری ندارد؛ بنابراین تنها ماده ای است که در
دمای اتاق هم الکترون های آن بدون هیچ گونه پراکندگی و اتلاف انرژی فواصل طولانی بین اتمی(طولانی تر از فواصل مشابه
در نیمه رساناهای متداول موجود) را می پیمایند .به عقیده این دانشمندان در صورت زدودن ناخالصی های گرافن و یک دست
شدن صفحات آن، تحرک پذیری آن می تواند از این مقدار هم فراتر رود؛ اگرچه در عمل(مگر در تحقیقات بنیادی) به بیش از
این مقدار نیازی نخواهد بود .
همچنین با توجه به این تحقیق امکان ساخت ابزارهایی در محدوده فرکانسی تراهرتز فراهم می شود. تابش های تراهرتز
به جز فلزات از هر ماده ای عبور می کند و از آنها می توان در کاربردهای امنیتی(مانند بخش کنترل مسافران و بار آنها در
فرودگاه)، دفاعی، پزشکی، فضانوردی و تحقیقات زیستی استفاده نمود .
به عقیده این محققان در صورتی که بتوان ویفرهایی تولید کرد که دارای کیفیت گرافن هستند و سرعت خاموش و
روشن شدن مناسبی دارند، ساخت ابزارهای الکترونیکی گرافنی؛ از قبیل حسگرهای شیمیایی و چشمه ها و آشکارسازهای
تراهرتزی طی سه تا پنج سال آینده محقق خواهد شد.
کشف خواص غیرعادی نانو نوارهای گرافنی
گرافن به دلیل داشتن خواص رسانشی خوب، جایگزین مناسبی برای سیلیکون بوده وکاربرد فراوانی در الکترونیک و
قطعات مداری مختلف مانند ترانزیستورها دارد.
اما اخیرا" دانشمندان با انجام تحقیقی دریافته اند که اشکال کوچک و نواری شکل این ماده کاملاً بر عکس می باشند.
مهدی زارع فیزیکدان ایرانی به همراه نانسی ساندلر از اساتید دانشگاه اوهایو آمریکا با بررسی نوارهای باریک گرافنی دریافتند
که این نوارها آنگونه که تصور می شود از خواص رسانشی خوبی برخوردار نمی باشند و در دمای اتاق بازاء مقداری کمتر از یک
حداقل پهنای خاص، تغییر قابل ملاحظه ای در رسانش گرافن روی می دهد.
آنها در آزمایشات خود ثابت کرده اند که در این سیمهای بسیار نازک، تصحیحات نسبیتی صفحات گرافنی و برهم کنشهای
اسپین – مدار کاملا برخلاف حالت توده ای گرافن بوده و حتی حرکت الکترونها با سرعت و در مسیر ثابت انجام نمی شود.
مطابق بررسیهای انجام شده در این حالت دیگر رسانش یا رفتار فلزی ماده به چگونگی حرکت الکترونهای آن بستگی ندارد و
٥٤
این میزان نزدیکی و نیروی دافعه آنهاست که نقش تعیین کننده دارد.
به عقیده این محققان اگرچه برای ساخت مدارهای کوچک و نانومقیاس گرافنی لازم است تا قطعه های نواری شکل از این
ماده تولید شود اما قبل از آن باید راهکاری برای غلبه بر دافع طبیعی بارهای همنام و تقویت رسانش این نوارها یافت .
به چاپ رسیده Physical Review Letters برای آگاهی از جزئیات بیشتر به گزارش کامل این تحقیق که در نشریه
است مراجعه نمایید.
ابداع روشی برای دیسپرس کردن گرافن
گرافن مادهای منحصربهفرد با پایه ی کربنی و دانسیته ی اتمی بالاست. ترکیب غیر عادی خواصآن نظیر سختی و
استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، و این حقیقت که شیمیدانان به سختی میتوانند
جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده کهاین ماده دارای کاربردهای فراوانی در
نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژیمثل باطری ها و ابرخازن ها باشد.
مساله ی دیسپرس کردن گرافن یا گرافن اصلاح شیمیایی شده در حلال ها، چالش اساسی
بسیاری از این کاربردهاست؛ مثلاً به منظور بهبود استحکام، سختی و رسانایی حرارتی و الکتریکی
بسیاری از این محصولات، می توان سطح آنها را با دیسپرسیون گرافن پوشش داد.
Cockrell Family Regents آقای راف (پروفسور مهندسی مکانیک که دارای کرسی
بخشی از گروه تحقیقاتی ما مساله ی ایجاد دیسپرسون های کلوئیدی گرافن در " : در مهندسی است) در این زمینه می گوید
طیف وسیعی از حلال ها(از آب تا مایعات آلی) را با جدیت دنبال می کردند. حلال ها و عاملیت شیمیایی گرافن و به دنبال آن
". چگونگی دیسپرس شدن گرافن به ما اجازه داد که قواعد مهمی برای انجمن های تحقیق و فناوری را ابداع کنیم
محققان با استفاده از شاخص هایی که در صنعت برای تعیین حلال مناسب (حلال هایی که مواد " : وی می افزاید
مشخص را به بهترین نحو حل می کنند یا کلوئیدهای خوب می سازند) برای مواد مشخص استفاده می شود، به مجموعه
شاخص های موثری بر انحلال پذیری گرافن های اصلاح شیمیایی شده دست یافتند. ما معتقدیم که این رویکرد فواید ویژه ای
". برای انتقال فناوری در زمینه ی کاربرد سوسپانسیون های کلوییدی گرافن به همراه خواهد داشت
سوسپانسیون های کلوئیدی اکسید گرافن به شدت احیاشده در " یافته های این گروه تحقیقاتی در مقاله ای تحت عنوان
به چاپ خواهد رسید. این مقاله را آقایان Nano Letters در شماره ی ماه آوریل مجله ی " طیف وسیعی از حلال های آلی
سانجین پارک، جینهو آن، اینهوا جانگ، ریچارد پینر، سان جین آن، ژسونگ لی، آرونا ولمکانی و راف (همگی از دانشکده
مهندسی مکانیک دانشگاه تگزاس آستین) مشترکاً نوشته اند.
توسط پارک و راف (که از شاخص ترین صاحب نظران " روش های شیمیایی تولید گرافن " همچنین مقاله ای تحت عنوان
منتشر خواهد شد. این مقاله Nature Nanotechnology علمی در زمینه ی گرافن هستند) در شماره ی 29 مارس مجله ی
علاوه بر مرور روش های شیمیایی گوناگون ساخت گرافن، سوسپانسیون های کلودیدی گرافن و چگونگی ساخت آنها را نیز
مورد بحث قرار می دهد.
گرافن و تولید سوئیچ میکروویو
دانشمندان رومانیایی و فرانسوی می گویند می توان از گرافن برای ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سریع استفاده
کرد. این ابزارها را می توان جایگزین سوئیچ هایی کرد که به طور گسترده ای در کاربردهای
ارتباطی همانند اینترنت و گوشی های موبایل استفاده می شوند.
گرافن به دلیل دارا بودن قابلیت های زیاد برای ساخت ابزارهای الکترونیکی جدید یکی از
موضوعات داغ در زمینه فیزیک و علم مواد به شمار می آید. این ماده اعجاب انگیز در عین
حالی که بسیار نازک و نیمه رساناست، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد، زیرا الکترون ها
٥٥
به صورت پرتابه ای و با سرعت بسیار بالا درون آن حرکت می کنند .دلیل حرکت بسیار سریع الکترون ها درون گرافن این است
که آنها همانند ذرات نسبیتی با جرم ساکن صفر رفتار می کنند. این ویژگی و ویژگی های فیزیکی غیرمعمول دیگر گرافن باعث
می شود که این ماده به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در قطعات الکترونیکی آینده مطرح باشد.
بخارست رومانی به همراه دانیلا دراگومان از دانشگاه بخارست و همکارانشان از IMT حال میرسیا دراگومان از
در فرانسه نشان داده اند که فلس های گرافنی می توانند انتشار میدان های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا CNRS-LAAS
تا 60 گیگاهرتز را با استفاده از اعمال یک ولتاژ مستقیم فعال یا غیرفعال کنند. زمان کلیدزنی بسیار کوتاه و کمتر از 1 نانوثانیه
است که یکی از کوتاه ترین زمان های کلیدزنی برای این نوع از ابزارها محسوب می شود.
میکروویو است که از یک موجبر هم صفحه و آرایه ای از ورقه های گرافن فلزی که روی آن معلق NEMS این ابزار یک سوئیچ
است، تشکیل شده است. موجبر ذکر شده از سه باریکه فلزی طلا تشکیل می شود که روی یک بستر سیلیکونی نیمه عایق با
ضخامت 500 میکرومتر رسوب داده شده اند .باریکه مرکزی طلا امواج میکروویو را منتشر کرده و دو باریکه دیگر به عنوان
الکترود اتصال با زمین عمل می کنند. بنابر گفته محققان، فلس های گرافنی به لطف نیروهای وان در والسی روی موجبر معلق
باقی می مانند، اما آنها همچنین می توانند از طریق اتصالات فلزی متصل شوند.
میرسیا دراگومان می گوید سوئیچ گرافنی بسیار ساده تر و کاراتر از سوئیچ هایی است که از مواد معمولی همچون سیلیکون
ساخته می شوند. در این ابزار، میدان الکترومغناطیسی به سادگی و با اعمال یک ولتاژ مستقیم روشن و خاموش می شود .او
این سوئیچ ویژگی های خوبی دارد. زمانی که خاموش است میدان الکترومغناطیسی را دفع می کند و زمانی که " : می افزاید
" روشن است، اتلاف بسیار کمی در آن ایجاد می کند
تاکنون گرافن تنها در کاربردهای محدودی دیده شده است و اگر در بازارهای بزرگی همچون " : دراگومان توضیح می دهد
7." ارتباطات و سلامتی مورد استفاده قرار نگیرد، در سطح تحقیقات دانشگاهی باقی خواهد ماند
نخستین روش ساده برای اندازه گیری ثابت جهانی ساختار ریز به : کمک گرافن
همانگونه که می دانیم چند ثابت جهانی از قبیل سرعت نور، بار الکتریکی الکترون و … وجود دارد و ثابت ساختار ریز
1/137 ) یکی از آنها بوده و بلکه پررمز و راز ترین آنها هم به شمار می آید. اندازه گیری مقدار دقیق این ثابت ها معمولا نیازمند )
تجهیزات پیچیده و شرایط ویژه است ؛ اما اخیرا جمعی از محققان انگلیسی و پرتقالی برای نخستین بار با استفاده از گرافن و
به روشی بسیار ساده و معمولی توانستند مقدار دقیق این ثابت را اندازه گیری نمایند.
به این منظور آنها غشاهایی بزرگ و معلق از گرافن ساختند به طوریکه عبور نور از آنها را به راحتی و با چشم غیرمسلح
2 درصد) از نور مرئی را / بتوان مشاهده نمود. این محققان دریافتند که این غشاها کاملا شفاف نبوده و درصد نسبتا زیادی ( 3
جذب می کنند که با تقسیم آن بر عدد پی می توان مقدار دقیقی برای ثابت جهانی ساختار ریز یافت.
این محققان یکی از علل اساسی این پدیده را رفتار الکترونهای گرافن می دانند که در چنین حالتی مشابه ذرات بدون
جرم عمل می کنند. به این ترتیب تنها با نگاه کردن به نور عبوری از این غشاهای گرافنی و تعیین درصد شفافیت آنها می توان
به این ثابت بنیادی دست یافت.
به باور این محققان کاربرد گرافن تنها به این پدیده ختم نمی شود و با توجه به قابلیت های فوق العاده ای که این ماده
. دارد، در آینده ای نه چندان دور شاهد پیدایش فناوری های گرافنی خواهیم بود 8
٥٦
!گرافن برای آب نامرئی است!
گرافن از نظر علمی نازک ترین ماده بر رو جهان شناخته می شود ،ر واقع این نانوماده به حدی نازک است که گاهی
در سه آزمایش Rice و دانشگاه Rensselaer آب نیز متوجه وجود آن نمی گردد. محققین مرکز تحقیقات پلی تکنیک
مختلف یک قطعه از طلا، مس و سیلیکون را با یک لایه از گرافن روکش کرده و سپس یک قطره آب بر روی سطوح روکش
شده با گرافن انداخته و با کمال تعجب مشاهده کردند که لایه گرافن عملا هیچگونه تاثیری بر نحوه گسترش اب بر روی سطح
مواد بوجود نمی آورد. گفتنی است که نتایج این آزمایش می تواند کمکی برای ساخت نسل جدیدی از دستگاه های
الکترونیکی قابل انعطاف بر پایه گرافن باشد .همچنین این از دیگر مزایای این تحقیق ساخت نوع جدیدی از لوله های حرارتی
. مسی با روکش گرافنی است که می تواند برای خنک کردن تراشه های کامپیوتری مورد استفاده قرار گیرد 9
راه جدیدى براى ساخت روبا نهاى
محققان در آلمان و سوئیس راه جدیدى براى ساخت روبا نهاى گرافنى بى نهایت باریک با باندگ پهاى الکترونیکى و
پهناهاى ویژه، ارائه داده اند.
این روبا نها همچنین لب ههاى صافى دارند .لب ههاى صاف براى ساخت افزار ههاى گرافنى الکترونیکى ضرورى مى
باشند.گرافن بواسطه خواص الکتریکى بى نظیرش ممکن است در آینده جایگزین سیلیکون شود .اگرچه گرافن برخلاف
سیلیکون نیمه رسانا، بین باندهاى هدایت و ظرفیتش گپى( فاصله اى)ندارد .چنین باندگپى براى کاربردهاى الکترونیکى
ضرورى است،زیرا به یک ماده اجازه مى دهد که جریان الکترو نها را قطع و وصل کند .یکی از را ههاى ایجاد یک باندگپدر
گرافن، ساخت روبانهاى بى نهایت باریک از این ماده است.
سوئیس براى (Empa) این روش جدیدى که به وسیله ی گروهى به رهبرى رومن فاسل از آزمایشگاه هاى فدرال و
علوم و فناورى مواد کلاوس مولن از موسسه ماکس پلانک ارائه شده بى نهایت است، یک فرایند ساده ى شیمیایى پایین به
ویژه bianthryl بالاىمبتنى بر سطح است .در این فرآیند ابتدا مونومرهاى حاوى هالوژن جانشین شده اى که به طور
طراحى شده اند، روى سطوح طلا و نقره تحت خلاء بالا، قرار داده مى شوند، در مرحله بعد این مونومرها براى تشکیل
زنجیرهاى پلى فنیلن به هم متصل مى شوند.
این دانشمندان سپس با گرم کردن این مجموعه، اتم هاى هیدروژن را از این پلیمرها حذف کردند .این عملیات
گرمایى سبب مى شود که این زنجیرهاى پلیمرى براى تشکیل روبان هاى گرافنى آروماتیکى و مسطحى که ضخامتى برابر
فقط یک اتم، پهنایى برابر یک نانومتر و طولى برابر 50 نانومتر دارند، به هم متصل شوند .این روبان ها براى داشتن باند گپ
الکترونیکى و بنابراین خواص سویچینگ، به اندازه کافى باریک هستند .بعلاوه لبه هاى این روبان هاى گرافنى نرم و به شکل
٥٧
دسته صندلى مى باشند و شکل خود روبان هاى بسته به مونومرهایى که براى ساخت شان استفاده مى شوند، مستقیم یا
زیگزاگى است.
مدل ساختاری(چپ)و تصویر سه بعدی میکروسکوپ تون لزن پیمایشگر از یک نانوروبانگرافنی زیگزاگی شکل.
. این محققان نتایج خود را در مجله ى منتشر کرده اند 10 Nature
فولاد سبک تر و غیر متراکم تر
محققان دانشگاه سیدنی موفق به ساخت ماده ای شده اند که از فولاد سبک تر و غیر متراکم تر بوده و در عین حال
سخت تر و مقاوم تر از فولاد است. در صورتی که ویژگی های این ماده جدید با نیازهای دانشمندان همخوانی داشته باشد، این
ماده می تواند در علم مواد تحولی بزرگ ایجاد کند.
این برگه گرافنی از گرافیت دگرگون شده توسط واکنش های شیمیایی ساخته شده و به تک لایه ای از کربن 6 وجهی تبدیل
شده است که ضخامت آن به اندازه یک برگه کاغذ بوده و به شدت مقاوم است.
2 برابر سخت تر، 10 برابر nbsp&، به گفته محققان این برگه نسبت به فولاد 6 برابر سبک تر، پنج تا 6 برابر غیر متراکم تر
کشسان تر و 13 برابر استحکام خمیدگی بالاتری دارد.
این ماده در راستای مقاوم سازی مواد، انعطاف پذیری و کشسانی مواد تحولی بزرگ به شمار می رود و از آنجایی که جنس این
ماده از گرافن است، ویژگی های الکتریکی، حرارتی، و مکانیکی جالب توجهی را به همراه دارد.
بر اساس گزارش گیزمگ، با این همه بهترین ویژگی این ماده ساده و کم هزینه بودن فرایند تولید است و از این رو
می تواند در صنعت هوانوردی و تولید خودرو نیز تاثیر چشمگیری داشته باشد.
گاغذ ضد باکتری ساخته شده از گرافن
مطابق با کار جدید انجام شده توسط محققان در آکادمى علوم چین
در شانگهاى، مى توان از گرافن براى ساخت کاغذ ضدباکترى استفاده کرد .
صفحات دو بعدى این ماده به طور موثرى رشد باکترى هاى را بدون داشتن
بشرى متوقف مى کنند. E. Col سمیت براى سلول هاى
چونهاى فان و همکارانش کاربرد دیگرى به مجموعه کاربردهاى در
حال رشد گرافن اضافه کرده اند .این محققان متوجه شده اند که مشتقات
گرافن، از قبیل اکسید گرافن و اکسید گرافن احیاء شده مانع رشد میکروبى
مى شوند.
فان مى گوید که این یک یافته مهم است، زیرا مطالعات قبلى نشان داده اند
شرح شماتیکى از قرار دادن نانو صفحات گرافنى iloC .E در معرض
٥٨
که گرافن و بویژه اکسید گرافن،زیست سازگار هستند و سلول هاى زیستى مى توانندروى بسترهاى گرافنى به خوبى رشد
کنند ، در حالى که دیگر نانوذراتى مانند نقره که بعنوان مواد ضدباکترى شناخته شده اند، اغلب براى سلول ها سمى مى
باشند ، در حالى که دیگر نانوذراتى مانند نقره که بعنوان مواد ضدباکترى شناخته شده اند، اغلب براى سلول ها سمى مى
باشند.
این دانشمندان براى ساخت کاغذ گرافنى، ابتدااکسید گرافن احیاء شده در آب تولید کردند .آنها مى توان سپس این
محلول را در سرتاسر یک کاغذ صافى تحت خلاء فیلتر کردند .در نهایت یک کاغذ اکسید گرافن و اکسید گرافن احیاء شده
اى از این فیلترکاغذى جدا شد.
دادند که غشاء هاى سلولى باکترى هاى قرار داده شده روى E. Coli تصاویر میکروسکوپ الکترونى عبورى نشان
این صفحات گرافنى به شدت تخریب شدند .طبق گفته این دانشمندان، این تخریب به این دلیل اتفاق مى افتد که گرافن
واردایندوزوم سیتوپلاسم این سلول ها مى شود و آن رابه بیرون سلول هل مى دهد .تقریباً 99 درصد این سلول ها فقط بعد
از دو ساعت تماس با یک محلول 85 گرم بر میلى لیتر از اکسید گرافن در دماى 37 درجه سانتى گراد تخریب شدند .در
مقابل این نانوصفحه ها براى سلول هاى پستانداران تحت همان شرایط غیررسمى بودند. 11
. Nano این محققان نتایج خود را در مجله ى منتشر کرده اند ACS
گرافن اکتشاف نفت خام را آسان تر می کند
دانشمندان در موسسه پلی تکنیک رنسلار با کمک روکش گرافنی نانومهندسی شده، روش جدیدی برای جمع آوری
انرژی از آب روان ابداع کرده اند. این کشف به تسریع در ساخت میکروحسگرهای خودتوان دهنده جهت اکتشاف موثرتر،
کم هزینه تر و دقیق تر نفت خام، کمک می کند.
این محققان به رهبری نیخیل کوراتکار، این موضوع را بررسی کرده اند که چگونه جریان آب روی سطوح روکش داده شده با
0/ گرافن می تواند مقادیر کمی الکتریسیته تولید کند. این گروه تحقیقاتی شرح داد که از یک صفحه گرافن به اندازه ی 03
0 میلی متر توانی برابر با 85 نانووات تولید می شود. / میلی متر در 015
این محققان با استفاده از یک صفحه کوچک روکش گرافنی که با یک وصله آبی تیره متصل به تماس های طلا نشان داده
شده است، تولید توانی برابر با 85 نانووات را شرح دادند.
٥٩
طبق گفته کوراتکار، این مقدار انرژی برای توان دادن به حسگرهای ریزی که به داخل آب یا سیال دیگر وارد می شوند
و به داخل یک چاه نفت خام بالقوه پمپ می شوند، کافی است. همچنانکه آب تزریق شده به صورت طبیعی در بین سنگلاخ ها و
عمق شکاف ها در زمین حرکت می کند، این افزاره ها حضور هیدروکربن ها را شناسایی می کنند و می توانند به کشف چاه های
پنهان شده نفت خام و گاز طبیعی کمک کنند. در مدت زمانی که آب روی این افزاره های روکش داده شده با گرافن جریان
می یابد، آنها باید قادر به تهیه منبع قابل اطمینانی از توان باشند .این توان جهت تقویت اطلاعات جمع آوری شده و ارسال آنها
به سطح، برای این حسگر ها ضروری است.
کوراتکار گفت: توان دادن به این حسگره بوسیله باتری ای مرسوم غیرممکن است، زیرا این حسگرها بسیار کوچک هستند.
بنابراین ما یک روکش گرافنی ساختیم که به ما اجازه می دهد که انرژی را از حرکت آب روی این حسگرها جمع آوری کنیم.
در حالی که مشابه این اثر برای نانولوله های کربنی مشاهده شده است، چنین مطالعه ای با گرافن برای اولین بار است .قابلیت
جمع آوری انرژی گرافن حداقل چندین ده برابر بیشتر از نانولوله های کربنی بود. بعلاوه، مزیت دیگر صفحه های گرافنی
انعطاف پذیر این است که آنها را می توان پیچاند و تقریبا هر هندسه یا شکلی به آنها داد.
اکتشاف نفت خام یک فرآیند گران است که شامل حفاری عمیق در زمین برای شناسایی حضور نفت خام و گاز طبیعی است.
شرکت های نفتی و گازی تمایل دارند که با فرستادن تعداد زیادی حسگر نانومقیاس و میکرومقیاس به داخل چاه های
حفاری شده موجود و جدید، این فرآیند را تکمیل کنند. کشف این محققان برای چالش اصلی رهاسازی این میکروحسگرهای
خود گردان که باید خودشان توان مورد نیازشان را تامین کنند راه حل بالقوه ای است. با پوشش دهی این میکروحسگرها با یک
روکش گرافنی، آنها می توانند هنگامی که آب روی سطحشان جریان می یابد، انرژی را جمع آوری کنند.
منتشر کرده اند. Nano Letters این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
با نانوحفره های گرافنی DNA تعیین توالی
گروهی از محققان با استفاده از افزاره های نانوحفره ای
شدند. DNA موفق به تعیین توالی
پژوهشگرانی از دانشگاه صنعتی دلفت از نوع جدیدی از افزاره
های نانوحفره ای خبر می دهند که می تواند به طور قابل
و برای مثال DNA ملاحظه ای روش غربال مولکول های
خواندن توالی آنها را تحت تاثیر قرار دهد .
آنها تکنیک تازه ای برای ساخت حفره های ریز در لایه ای از
گرافن گزارش کرده اند که می تواند در آشکارسازی حرکت
منفرد در حین عبور آنها از چنین نانوحفره DNA مولکول های
هایی مفید باشد .
رقابت جهانی شدیدی برای توسعه روش های سریع و ارزان
یعنی خواندن محتوای ژنی آنها، ، DNA جهت تعیین توالی
وجود دارد .
در این پژوهش از گرافن استفاده شده است، زیرا این ماده دارای خاصیت ویژه ای است که می تواند به صورت ورقه های تک
لایه ای با ضخامت یک اتم ساخته شود .
بسیار کوچک است و در حدود نیم نانومتر است . DNA فاصله دو باز
٦٠
نیاز به افزاره ای است که کوچک تر از نیم نانومتر باشد .و اینجاست که چنین غشاءهای گرافنی DNA برای خواندن هر باز
نازک اتمی می توانند حیاتی باشند .
کاری که این محققان انجام دادند، ایجاد حفره های نانومتری به نام نانوحفره، در غشاء گرافنی بود که چنین افزاره ایده آلی را
ارائه می داد .
در آب می توانند از طریق این نانوحفره ها بیرون کشیده شوند و مهمتر از آن DNA آنها نشان دادند که مولکول های منفرد
در حین عبور از حفره می تواند آشکارسازی شود . DNA اینکه مولکول
تکنیک آشکارسازی بسیار ساده است: با اعمال یک ولتاژ الکتریکی در عرض این نانوحفره، یون های داخل محلول شروع به
حرکت در طول حفره می کنند و یک جریان الکتریکی آشکارسازی می شود .
از حفره عبور می کند باعث مسدود شدن حرکت یون ها می شود و در نتیجه جریان کاهش DNA هنگامی که یک مولکول
می یابد .
را آشکارسازی کرد . DNA بنابراین با چنین افت جریانی می توان عبور
به صورت باز به باز از این نانومنفذ عبور می کند. از لحاظ اصولی، با چنین نانوحفره گرافنی نازک اتمی می توان DNA مولکول
را به صورت باز به باز قرائت کرد . DNA توالی
هنگام عبور آنها از نانوحفره ها قبلاً استفاده شده است، ولی این نانوحفره های گرافنی DNA روش تعیین توالی مولکول های
فرصت های جدید بسیاری ایجاد می کنند. گروه های زیادی در سطح جهان سعی در عملی ساختن نانوحفره های گرافنی
منتشر کرده اند. Nano Letters داشته و دارند .این محققان نتایج خود را در مجله
استراق سمع سلول ها با ترانزیستورها گرافنی
یکپارچه سازی سامانه های زیستی و مخصوصاً سامانه های پیچیده زیستی با قطعات الکترونیکی یکی از چالش های اصلی
در مسیر بیوالکترونیک یا بیونیک به شمار می رود. به طور کلی قطعات الکترونیکی و زیستی در سه سطح با یکدیگر ارتباط برقرار
می کنند: مولکولی، سلولی و اسکلتی. برای هر ماده بیونیکی کاشته شده درون بدن، برهمکنش های اولیه در سطح
زیست مولکولی تعیین کننده عملکرد درازمدت آن است. با وجودی که بیونیک اغلب با بهبود عملکرد در سطح اسکلتی در
ارتباط است (مانند ماهیچه های مصنوعی)، ارتباط الکترونیکی با سلول های زنده از منظر بهبود نتایج مهندسی بافت یا عملکرد
ایمپلنت هایی همچون گوش یا چشم بیونیکی دارای اهمیت بالایی است.
محققان برجسته ای همچون پیتر فرامهرز از موسسه بیوشیمی ماکس پلانک در آلمان بیش از 20 سال است که روی ایجاد
ارتباط میان نورون ها و ابزارهای سیلیکونی کار می کنند. آنها نورون ها منفرد از بخش های مختلف مغز را کشت داده و تلاش
می کنند شبکه های نورونی خارج از بدن را ایجاد نمایند. هدف از این کار تحریک نورون ها با سیگنال های الکتریکی و مشاهده
نحوه واکنش شبکه زنده و تغییر آن است. از نتایج این تحقیق می توان در تولید پروتزهای عصبی برای تقویت یا بازیابی
بخش های آسیب دیده شبکه عصبی بهره برد.
٦١
برای این کار محققان باید دو کار را انجام دهند: تحریک سامانه عصبی و ثبت فعالیت آن. آنها برای رسیدن به این
هدف روی تولید ایمپلنت های مغز روی بسترهای انعطاف پذیر کار می کنند؛ این بسترها می توانند فعالیت های شیمیایی و
الکتریکی نورون ها را با حساسیت بالا ثبت نمایند.
در حال حاضر بسیاری از ایمپلنت ها بر مبنای الکترودهای فلزی کار می کنند. این الکترودها علاوه بر مشکلاتی که در زمینه
زیست سازگاری و پایداری در شرایط دشوار زیستی دارند، از عملکرد الکترونیکی محدودی نیز برخوردار هستند. استفاده از
عملکردهای الکترونیکی بیشتری را امکان پذیر می سازد. خوزه آنتونیو گاریدو یکی از محققان (FET) ترانزیستورهای اثر زمینه
تاکنون در بیشتر کارهایی که در این زمینه صورت گرفته است، از " : موسسه والتر شاتکی در دانشگاه فنی مونیخ می گوید
استفاده شده است. با این حال این فناوری دارای مشکلاتی است که اجرای (Si-FET) ترانزیستورهای اثر زمینه سیلیکونی
آن را در کاربردهای عملی با مشکل مواجه می سازد. یکی از این مشکلات نویز بسیار بالای ابزارهای سیلیکونی است. مشکل
دوم سخت بودن یکپارچه سازی فناوری سیلیکون با بسترهای انعطاف پذیر است. به علاوه، سیلیکون تحت شرایط زیستی پایدار
" نیست
بنابراین علاقه زیادی به استفاده از مواد دیگری که این مشکلات را نداشته باشند، وجود دارد .نانولوله های کربنی و گرافن
گزینه های مناسبی برای این کار به شمار می روند.
می توان در ساخت آرایه ای از CVD حال گاریدو و همکارانش برای اولین بار نشان داده اند که از گرافن رشدیافته با روش
ترانزیستورها بهره برد که قابلیت شناسایی فعالیت الکتریکی سلول های الکتروژنیک (سلول های فعال الکتریکی) را دارند. به
علاوه آنها نشان داده اند که نویز الکتریکی این ابزار جدید در حد ابزارهای سیلیکونی با نویز بسیار پایین قرار دارد .گاریدو
لازم به ذکر است که فناوری سیلیکون در طول چندین دهه توسعه یافته است، در حالی که به طور قطع ابزارهای " : می افزاید
منتشر شده است. Advanced Materials جزئیات این کار در مجله " گرافنی ما در چند سال آینده پیشرفت قابل ملاحظه ای خواهند یافت
ساخت تراشه های رایانه ای سریع
گرافن نوعی ساختار کربنی یا گرافیتی بسیار نازک با ضخامتی در حد چند دهم نانومتر است به طوری که محققان آن
را واقعاً به عنوان یک بلور دوبعدی قلمداد میکنند.که در آن اتمهای کربن به صورت شبکه های شش گوشی شبیه به توری
مرغداری ها کنار هم قرار گرفته اند.
این ماده با توجه به قابلیت های بسیار زیادی که دارد سیلیکون جدید نام
گرفته است. از جمله خواص جالب توجه گرافن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
تحریک پذیری بسیار بالا و قابلیت عبور سریع الکترون ها از آن (که •
مشخصه ی بسیار خوبی برای ابزارهای الکترونیکی سریع به شمار می رود)؛
خاصیت مغناطیسی آن و امکان کنترل اسپین الکترون ها، و دستیابی به •
الکترونیک اسپینی یا اسپینترونیک؛
تغییر بسیار زیاد خواص آن در هنگام تماس با مواد دیگر (قابلیت بسیار خوبی برای ساخت حسگرهای •
شیمیایی است.)
محققان دانشگاه اوهایو با ابداع روشی راهی را برای تولید سریع و انبوه تراشه های رایانه ای با استفاده از صفحات گرافنی
یافته اند. آنها امیدوارند با استفاده از این روش بتوان در آینده انواع جدیدی از ابزارهای الکترونیکی را تولید نمود. به عقیده ی
آنها گرافن با داشتن خواص کوانتومی ویژه ای که دارد، می تواند کلید دستیابی سریع به الکترونیک کوچک و ساخت ابزارهای
جدید الکترونیکی محسوب شود .
پیش از این محققان تک ابزارهای گرافنی ظریفی را روی زیرلایه هایی از اکسید سیلیسیوم تولید کرده بودند؛ اما امکان کنترل و
تعیین دلخواه محل قرار گیری آنها روی این زیرلایه وجود نداشت و آزمایش این ابزارها مستلزم اتصال تک تک آنها به دیگر
ابزارهای الکترونیکی بود و امکان اتصال و تست همزمان چند ابزار با هم وجود نداشت .
٦٢
حال اگر تنها بتوان میلیون ها از این ساختارهای گرافنی را با استفاده از الگوی دقیق به شکل دقیقی روی مکان های از پیش
تعیین شده و به طور متناوب الگودهی کرد، فناوری چندین ده ساله ی ساخت تراشه برای صنایع مختلف تامین می گردد و این
محققان با آزمایش خود امکان پذیری این امر را نشان داده اند .مزیت این روش (که گزارشی از آن در شماره ی 26 مارس
منتشر شده است)، انطباق آن با همان روش های معمولی و استاندارد ساخت تراشه هاست. Advanced Materials نشریه
آنها در این مقاله توضیح داده اند که چگونه می توان روشی را برای مهرزنی همزمان تعداد زیادی از صفحات گرافنی روی یک
زیرلایه در محل دقیقی اعمال کرد که از پیش تعیین شده بود .
محققان دانشگاه اوهایو در این روش گرافن را به اشکال مختلفی حکاکی کرده، آن را روی سطوحی از اکسید سیلیسیوم قرار
دادند. با انجام شبیه سازی های رایانه ای، معلوم شد که واکنش این گرافن ها با سطح اکسید سیلیسیوم آنقدر شدید بود که
موجب تضعیف پیوندهای شیمیایی بین لایه های گرافنی و در نهایت جدا شدن لایه ی پایینی می گردید. آنها ابتدا توانستند
نوعی از صفحات گرافنی به ضخامت ده لایه یا بیشتر را روی سیلیکون و در محل دلخواه مهر بزنند که طبعاً با تکرار این
مهرزنی امکان تولید انبوه هم فراهم شده است. آنها با استفاده از سه نوع میکروسکوپ (میکروسکوپ الکترونی روبشی،
میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ نیروی اتمی) توانستند ارتفاع این لایه ها را اندازه گیری کرده، از اینکه دقیقاً روی زیرلایه قرار
گرفته اند، مطمئن شوند. با اینکه در شبیه سازی های رایانه ای این نکته به روشنی مشخص است که هر ماده به شکل کاملاً
متفاوتی با گرافن برهم کنش می کند، محققان امیدوارند بتوان با این روش لایه های باریکی به ضخامت یک یا دو لایه را به
روش مهرزنی روی مواد دیگری غیر از اکسید سیلیسیوم هم قرار دهند . 12
ساخت غشای گرافنی برای تصفیه آب و تقطیر الکل
یک تیم بین المللی از دانشمندان به همراه برنده نوبل فیزیک سال 2010 موفق به ساخت غشاهای مبتنی بر گرافن
شده اند که برای تقطیر الکل قابل استفاده هستند.
از دانشگاه " کنستانتین نووسلوف " که به همراه " آندره گیم " ،( به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا
موفق به کسب نوبل فیزیک 2010 برای کشف ماده گرافن شده است، با همکاری دیگر محققان دست به ساخت " منچستر "
این غشا با استفاده از اکسید گرافن زده اند که قادر به توقف مسیر گازها و مایعات بسیار بوده، اما به آب اجازه عبور می دهد.
گرافن به گونه ای از کربن گفته می شود که در آن لایه مسطحی از اتم های کربن در یک چیدمان شانه عسلی دو بعدی قرار
دارند.
به دلیل نازکی آن، این ماده کاملا شفاف است. از لحاظ رسانایی برق، کیفیت اجرایی این ماده مانند مس و رسانایی حرارتی آن
مانند دیگر مواد شناخته شده است.گیم و دیگران اکنون توانسته اند ورقه هایی از اکسید گرافن نازک بسازند که نتایج آن در
مجله ساینس منتشر شده است.
این غشاها صدها بار از موی انسان باریکتر بوده اما از قدرت، انعطاف و کنترل خوبی برخوردار است. زمانی که یک محفظه
فلزی با این غشا پوشیده می شود، حتی حساس ترین تجهیزات نیز قادر به شناسایی هوا یا هر نوع گاز از جمله هلیوم نیستند.
٦٣
این در حالیست که تنها آب قابلیت نفوذ در این ماده را دارد. مولکول های آب در میان غشاهای اکسید گرافن با چنان سرعتی
تجزیه می شوند که سرعت بخار شدن مشابه باز و بسته شدن محفظه است.
از دانشگاه منچستر که سرپرستی این تحقیقات را برعهده دارد، چیدمان لایه های اکسید گرافن به " راهول نیر " به گفته دکتر
گونه ای است که جای کافی برای قرار گرفتن یک ردیف مولکول آب وجود دارد؛ در صورتی که یک اتم یا مولکول دیگر قصد
ورود داشته باشد، مویرگ های گرافن یا در اثر رطوبت پایین فشرده شده یا با مولکول های آب مسدود می شوند.
اگرچه هنوز کاربرد خاصی برای این ماده پیشنهاد نشده؛ اما پروفسور گیم، از کاربردهایی مانند تصفیه، تفکیک یا غشای مانع
نام برده است.
در پژوهش دیگری که در مجله ساینس منتشر شده، تیم دیگری از محققان موفق به ساعت غشایی مبتنی بر کربن الماس
مانند شده اند که به روغن اجازه عبور می دهد. از این ماده می توان برای تصفیه آلاینده های سمی از آب یا پالایش مواد
شیمیایی صنعتی استفاده کرد. منبع: ایسنا
حافظه گرافنی، حافظه ی برتر
گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس در آمریکا، موفق به ساخت قطعه ای نواری شکل از جنس گرافیت به ضخامت 10
اتم شدند که مبنای نوع جدیدی از حافظه های رایانه ای خواهد بود.
این حافظه ی جدید قابلیت ذخیره ی حجم انبوهی از اطلاعات را دارد و می توان از آن در انواع رایانه ها، دستگاه های
صوتی-تصویری کوچک جیبی، تلفن های همراه و دوربین های دیجیتال استفاده نمود. مزایای بسیار زیاد این نوع حافظه که در
مقایسه با حافظه های فلش مدرن کنونی و دیگر فناوری ها کارایی به مراتب بهتری دارد، توجه بسیاری از صنایع را به خود
جلب کرده و هم اکنون محققان سرگرم تهیه ی مقدمات تولید آن هستند .
در این ابزار حالت جامد از مزیت خواص رسانشی گرافن استفاده شده است .استفاده از گرافن با توجه به خواص رسانشی جالب
توجه آن، موجب شده تا میزان ذخیره ی اطلاعات در یک آرایه ی دوبعدی 10 نانومتری از این ماده، در مقایسه با مدارهای
454 نانومتری تراشه ی حافظه های فلش کنونی تا پنج برابر افزایش یابد. مزیت دیگر این قطعه ها آن است که برخلاف
دستگاه های امروزی به جای سه ترمینال، دوترمیناله هستند و همین ویژگی در توانایی ذخیره ی اطلاعات آنها تاثیرگذار بوده و
موجب چند برابر شدن آن در هر لایه از آرایه های گرافنی شده است .
مکانیکی بودن این ابزارها برق مصرفی آنها را به میزان بسیاری کاهش داده و حتی داده های آنها در حالت خاموش بودن
دستگاه دست نخورده باقی می ماند .محققان علت این پدیده را باقی ماندن چیزی مثلاً حدود یک دهم جریان الکتریکی حالت
روشن در این وضعیت می دانند که به لحاظ صنعتی بسیار حائز اهمیت است .
این محققان با کنار هم گذاشتن تعداد زیادی از این حالت های خاموش، وضعیتی مانند حالت روشن ایجاد کردند. نکته ی بسیار
جالب توجه دیگر آن است که با این روش گرمای بسیار ناچیزی تولید می شود. این محققان کارکرد این قطعه را در دماهای
منهای 75 تا 200 درجه سیلسیوس مورد آزمایش قرار داده، دریافتند که در تمام این محدوده ی دمایی، این ابزار به خوبی کار
٦٤
می کند و به این ترتیب این حافظه های گرافنی حتی در نزدیکی پردازشگرهای داغ هم قابل استفاده است. همچنین با توجه به
نفوذناپذیری آن در مقابل تشعشات خارجی، می توان از آن برای شرایط بحرانی هم استفاده نمود. به گفته ی محققان، این
سوئیچ های نوین بسیار محکم و سریع هستند به طوری که حتی با 20000 بار خاموش و روشن شدن هیچ تغییری در عملکرد
آنها مشاهده نشد؛ لذا پیش بینی می شود طول عمر بسیار زیاد و به مراتب بیشتری را نسبت به حافظه های فلش موجود داشته
باشند .مزیت دیگر این نوع حافظه ها فراوانی ماده اولیه ی آن (یعنی گرافیت و آسان بودن تولید) است؛ به طوری که لایه نشانی
آن روی سیلیکون یا هر ماده ی پایه ی دیگری به روش رسوب دهی شیمیایی بخار و به کمک سایر روش های موجود رشد،
13. " به صورت آنلاین قابل دسترسی است Nature Materials گفتنی است گزارش این تحقیق در نشریه ی ". امکان پذیر است
ساخت سوئیچ های الکترونیکی پرسرعت
پژوهشگران ایرانی، با طراحی نانواتصالات گرافنی با قابلیت ایجاد مقاومت دیفرانسیل منفی (قطع و وصل کردن جریان)،
امکان ساخت سوئیچهای پرسرعت را در چیپهای الکترونیکی بر پایه صفحات گرافینی ، نوید دادند.
طراحی قطعات الکترونیکی در مقیاس نانومتری با " ، دکتر حسین چراغچی
هدف از این پژوهش، یافتن " : را، حائز اهمیت دانست و افزود " کارایی بالا
سازوکاری برای طراحی نانوقطعهای الکترونیکیاست که در منحنی جریان-ولتاژ آن،
مقاومت منفی دی ده میشود؛ یعنی با افزایش ولتاژ، جریان عبوری از قطعه کاهش
مییابد. این پدیده منجر به طراحیسوئیچهای الکترونیکی پرسرعت، با قابلیت قطع و
" وصل کردن جریان شده است
در این پژوهش، پدیده شارژ الکترونی که در اثر پتانسیلهای " : وی در ادامه گفت
الکتروستاتیکی حاصل از برهمکنشالکترونها با یکدیگر و نیز با بارهای تصویری
" درون الکترودها رخ میدهد، بهعنوان منبع تشدیدکننده این پدیده درنظر گرفتهشدهاست
دکتر چراغچی، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، درمورد چگونگی انجام این پژوهش گفت :
روشکار براساس فرمولبندی تابع گرین غیرتعادلی و بهصورت محاسبات خودسازگار انجام گرفته است بهگونهای که پس از "
طیچند مرحله خودسازگاری، بهازای هر ولتاژ ، با استفاده از توزیع بار و پتانسیل همگرا شده، ضریب عبور و جریان عبوری
ازسیستم محاسبه گردید. این محاسبه کاملاً عددی است و روی اتصالات نوارهای گرافنی اعمال میشود.
گرچه برای توضیح این پدیده بنیادی، از اتصالات نوارهای گرافنی استفاده شدهاست اما این رخداد، منحصر به این
14"". سیستمخاص نیست؛ این پدیده در اتصالات نانولوله کربنی نیز میتواند رخ دهد
استفاده از گرافن در تسریع سرعت انتقال اطلاعات
محققان موسسه فتونیک دانشگاه وین از گرافن به منظور تسریع سرعت انتقال اطلاعات استفاده کرده و موفق به
محاسبه سرعت تبدیل نور به سیگنال های الکتریکی در گرافن شدند.
گرافن ماده ای از جنس کربن است که ساختار کندو عسلی دارد. این ماده دارای ضخامت یک اتم با ویژگی های منحصربه فرد
است. محققان موسسه فتونیک در دانشگاه وین به خواص نوری و الکترونیکی این ماده علاقه مند هستند. آنها اکنون می دانند
که چگونه گرافن می تواند نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل کند. این کار می تواند تبادل اطلاعات میان رایانه ها را بهبود
بخشد.
زمانی که اطلاعات به صورت پالس های نوری است (برای مثال در فیبرهای نوری) این پالس ها باید دوباره به سیگنال های
الکتریکی تبدیل شده تا توسط رایانه قابل پردازش شوند. این تبدیل نور به جریان الکتریکی با استفاده از اثر فتوالکتریک
٦٥
امکان پذیر است. این اثر اولین بار توسط آلبرت انشتین توضیح داده شد. در برخی مواد، نور می تواند موجب حرکت الکترون از
موقعیت آن شده و در نهایت الکترون می تواند در طول آن ماده به حرکت درآید، این کار موجب جریان الکتریکی می شود.
الکساندر اولریچ می گوید: مدت هاست که شناساگرهای نوری با قابلیت تبدیل نور به سیگنال الکتریکی ابداع شده اند، اما این
مبدل های گرافنی بسیار سریع تر عکس العمل نشان می دهند.
الکساندر اولریچ به همراه استاد توماس مولر و کارل اونتراینر از دانشگاه صنعتی وین روی بررسی خواص نوری و الکترونیکی
گرافن تحقیق می کنند.
این محققان سال قبل نشان دادند که گرافن قادر است نور را با سرعت بالا به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند؛ اما آنها
نتوانستند سرعت این واکنش را محاسبه کنند زیرا اثر فتوالکتریکی بسیار سریع اتفاق می افتد. اکنون با یک ترفند علمی
می توان این کار را انجام داد.
برای این کار پالس لیزر روی شناساگر نوری گرافن تابیده می شود، در نتیجه جریان ایجاد شده اندازه گرفته می شود. اگر زمان
تاخیر میان پالس لیزر تغییر کند، فرکانس ماکزیمم شناساگر می تواند به دست آید. با این کار می توان فهمید که شناساگر مورد
استفاده در فرکانس 262 گیگا هرتز می تواند به کار گرفته شود. این عدد معادل حد بالای نظری انتقال اطلاعات با استفاده از
شناساگر نوری گرافنی بیش از 30 گیگابایت اطلاعات در ثانیه است.
یکی از دلایل اصلی این که چرا گرافن می تواند در چنین فرکانس های بالایی کار کند، طول عمر کوتاه حمل کنندگان بار در
گرافن است. در واقع الکترون برای حرکت از یک نقطه مشخص و رسیدن به مقصد تنها چند پیکوثانیه زمان نیاز دارد .
کاربرد گرافن در ساخت نوع جدیدی از ابرخازن ها
طبق اعلام اتحادیه انرژی بادی آمریکا، نصب توربین های بادی در آمریکا در سال 2007 حدود 45 درصد رشد
داشته است که در صورت ادامه یافتن این روند کل تولید انرژی فقط از طریق توربین های بادی ظرف 20 سال آینده چیزی
معادل کل تولید برق تمام منابع تولید برق در سال 2007 خواهد بود؛ اما آنچه این روند را با چالش روبه رو می کند چگونگی
ذخیره برق تولید شده است.
همینک ذخیره برق به دو شیوه عمده انجام می شود: یکی استفاده از باتری های
قابل شارژ و دیگری ابرخازن ها. با توجه به مزایای فراوان ابرخازن ها؛ از قبیل قابلیت
بیشتری که در ذخیره برق دارند؛ سبکی و طو ل عمر بیشتر؛ محدوده دمایی گسترده تر؛
انعطاف پذیری بیشتر در بسته بندی و نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری، کاربرد گسترده ای در
ذخیره و تولید انرژی دارند. از این دستگاه ها یا مستقیماً استفاده شده و یا اینکه به عنوان
منبع تغذیه های اولیه و یا همراه با باتری و پیل های خورشیدی مورد استفاده قرار
می گیرند .
در همین مسیر دانشمندان دانشگاه تگزاس آمریکا به دستاوردی جدید در زمینه ذخیره انرژی الکتریکی در این ابرخازن ها
دست یافتند. آنها موفق شدند با استفاده از ساختارهای گرافنی میزان ذخیره انرژی الکتریکی را در ابرخازن های معمولی تا دو
برابر افزایش دهند و به این ترتیب امکان استفاده گسترده از منابع تجدیدپذیر مثل باد و انرژی خورشیدی در تولید برق که
سابق بر این به دلیل مشکل ذخیره انرژی امکان پذیر نبود فراهم می شود .
در این شیوه جدید جریان ": پروفسور راد روف، استاد مهندسی مکانیک و متخصص شیمی فیزیک، در این باره می گوید
الکتریکی ایجادشده، بر اثر ذخیره و رها شدن سریع بارها روی صفحات گرافنی می تواند تا دو برابر جریان تولیدشده در
". شیوه های معمولی ذخیره انرژی افزایش یاد
آنها با تهیه نوع کاملاً اصلاح شده ای از گرافن و استفاده از چندین نوع الکترولیت معمولی، موفق به ساخت پیل های ابرخازنی
٦٦
گرافنی شدند. این روش به گونه ای طراحی شده بود که تمام سطح کربنی با الکترولیت در تماس باشد، همچنین مساحت
500 پوند از ماده جمع شده باشد)، به معنای آن است / تقریباً به اندازه سطح یک زمین فوتبال که در 1 m2/g( سطح 2630
که بیشتر شدن بارهای مثبت و منفی در الکترولیت می تواند لایه ای را روی صفحات گرافنی تشکیل داده، منجر به ایجاد
ذخیره باری استثنایی شود .
به کمک این فناوری کارایی و عملکرد خودروها، اتوبوس ها، قطارهای شهری و بین شهری هیبریدی و برقی بهبود می یابد.
حتی وسایل مصرفی روزانه ادارات مانند دستگاه های تکثیر یا تلفن های همراه نیز از این فناوری بی بهره نخواهند بود .
این محققان امیدوارند به زودی توربین های بادی زیادی در آمریکا و سایر نقاط جهان کار گذاشته شده، از آنها در تامین انرژی
. منتشر شد 15 Nano Letters الکتریکی استفاده شود .گفتنی است نتایج یافته های این دانشمندان درشماره 8 اکتبر نشریه
ساخت الکترودهای شفاف و انعطاف پذیر گرافنی
محققان در دانشگاه رایس با ساخت الکترودهای مبتنی بر گرافن، توانسته اند الکترونیک شفاف و انعطاف پذیر را یک قدم به واقعیت
نزدیک تر کنند. این محققان فیلم های نازکی ساخته اند که می توانند در نمایشگرهای دارای صفحه نمایش لمسی، پیل های خورشیدی و
انقلابی ایجاد کنند. (LEDs) دیودهای گسیلنده نور
است. اکسید قلع ایندیوم، محصول تجاری (ITO) فیلم گرافنی هیبریدی این محققان جایگزین باالقوه مناسبی برای اکسید قلع ایندیوم
است که بصورت گسترده بعنوان روکش رسانای شفاف استفاده می شود. این ماده در همه نمایشگرهای صفحه تخت از قبیل صفحه
ها، یک عنصر ضروری است و بخشی از دیودهای گسیلنده نور آلی iPad نمایش های لمسی روی گوشی های تلفن همراه هوشمند و
و پیل های خورشیدی است . (OLEDs)
یک ماده هیبریدی که از ترکیب یک توری آلومینیومی ریز با لایه ی گرافنی به ضخامت یک اتم، ساخته شده است؛ در مقایسه با
مواد معمول در صفحه های نمایش لمسی و پیل های خورشیدی عملکرد بهتری دارد. این الکترودهای انعطاف پذیر شفاف توسط محققان
دانشگاه رایس ساخته شده اند.
اکسید قلع ایندیوم در همه این کاربردها به خوبی کار می کند، اما چندین عیب دارد .ایندیوم عنصری بسیار کمیاب و گران است.
این ماده همچنین شکننده است که خطر شکستن صفحه نمایش را هنگامی که گوشی تلفن همراه هوشمند به زمین می افتد، افزایش
می دهد و ساخت نمایشگرهای انعطاف پذیر را غیرممکن می کند .
فیلم نازک این محققان از ترکیب صفحه تک لایه ی گرافنی بسیار رسانا با شبکه ظریفی از نانوسیم های فلزی، ساخته شده است. این
محققان ادعا می کنند که کارایی این ماده از کارایی اکسید قلع ایندیوم و دیگر مواد مشابه بالاتر است و بعلاوه شفافیت آن بهتر و
مقاومتش در برابر جریان الکتریکی کمتر است .
٦٧
جیمز تور، یکی از این محققان گفت: "تعداد زیادی از دانشمندان روی جایگزین های اکسید قلع ایندیم به ویژه آن دسته که انعطاف پذیر
هستند، کار می کنند. دانشمندان تاکنون درپی استفاده از گرافن خالص بوده اند. گرافن خالص ممکن است بصورت تئرری کار کند، اما
موقعی که روی یک بستر گذاشته شود؛ در حالتی که شفافیتش به اندازه کافی بالا باشد، رسانایی آن به اندازه کافی بالا نخواهد بود. این
مشکل باید به طریقی حل شود ".
یو زو، یکی دیگر از این محققان توضیح می دهد که ترکیب شبکه ای از نانوسیم های فلزی و گرافن، جایگزین مناسبی برای اکسید قلع
ایندیوم است. این شبکه نانوسیمی استحکام گرافن را افزایش می دهد و گرافن فضاهای خالی بین این شبکه را پر می کند .
. منتشر کرده اند 16 ACS Nano این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
کاربرد گرافن در شیمی آلی
گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس موفق به یافتن یک روش جدید با کنترل پذیری بالا برای اتصال مولکول های آلی به
گرافن دست نخورده شده اند؛ بدین ترتیب می توان از این ماده جادویی در کاربردهای مختلفی بهره برد.
محققان آزمایشگاه جیمز تور، شیمی دان دانشگاه رایس بر مبنای یافته های قبلی خود در دستکاری گرافن، یک روش
دومرحله ای برای تبدیل این ماده به یک ابرشبکه برای استفاده در شیمی آلی ابداع کرده اند. از نتایج این تحقیق می توان در
ساخت حسگرهای شیمیایی، ابزارهای ترموالکتریکی و متامواد با استفاده از گرافن بهره برد.
گرافن به تنهایی در بسیاری از واکنش های آلی شرکت نکرده و به عنوان یک شبه فلز، شکاف باندی ندارد؛ این ویژگی کاربرد آن
را در الکترونیک محدود می کند. اما پروژه ای که توسط ژنگ زونگ سان و کری پینت در آزمایشگاه جیمز تور انجام شده است،
نشان می دهد که می توان این ماده را برای انواع جدیدی از واکنش های شیمیایی مناسب سازی کرد.
تور می گوید تاکنون هیچ روشی برای اتصال مولکول ها به صفحه اصلی گرافن وجود نداشته است. او می افزاید:
مولکول ها بیشتر به سمت لبه های گرافن حرکت کرده و به بخش های داخلی آن متصل نمی شوند. حال با استفاده از این "
روش دومرحله ای می توانیم گرافن را هیدروژنه کرده و الگوهای خاصی روی آن ایجاد نماییم؛ سپس مولکول های مورد نظر را به
نقاطی که هیدروژن حضور دارد، متصل کنیم. ساخت حسگرهای شیمیایی که در آنها به عنوان مثال پپتیدها، نوکلئوتیدهای
یا ساکاریدها در نقاط مورد نظر به صورت عمودی از سطح حسگر به سمت بیرون کشیده شده اند، می تواند مفید باشد. DNA
." واکنش پذیری این نقاط نسبت به مولکول هایی که تنها در لبه ها قرار گرفته اند، بسیار بیشتر است
اولین مرحله از این کار استفاده از لیتوگرافی برای ایجاد الگوهایی روی شبکه کندویی سطح گرافن به منظور اتصال اتم های
هیدروژن است. بدین ترتیب گرافن به یک ابرشبکه دوبعدی نیمه رسانا به نام گرافان تبدیل می شود. اتم های هیدروژن با استفاده
از یک رشته داغ و با بهره گیری از روشی تولید شدند که توسط رابرت هاگ، یکی دیگر از محققان این کار توسعه یافته است.
این پژوهشگران توانستند با خالکوبی گرافن و الگودهی دقیق آن با جزایر گرافانی، جغد خوش یمن و معروف دانشگاه رایس را
با عرض سه برابر قطر موی انسان ایجاد نموده و سپس آن را با استفاده از روکش دهی چرخشی با یک فلوئوروفور روکش دهی
٦٨
کنند. گرافن به طور معمول فعالیت مولکول های فلورسانس را فرومی نشاند، اما گرافان اینگونه نیست؛ در نیتجه زمانی که این
مشاهده شد، الگوی جغدی شکل به روشنی (FQM) الگوی ایجاد شده توسط روش جدید میکروسکوپی فرونشانی فلوئورسانس
دیده شد.
منتشر شده است. 17 Nature Communications جزئیات این کار در مجله
مشاهده شکاف باندی در گرافن چندلایه
محققان دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید دریافته اند که گرافن چندلایه ای می تواند بسته به نوع قرار گرفتن لایه ها روی یکدیگر،
فلزی یا عایق باشد. این یافته در تضاد با محاسبات تئوری قرار دارد که پیش بینی می کند گرافن چند لایه ای بدون توجه به شرایط آن
فلزی خواهد بود و نشان می دهد که می توان ویژگی های الکترونیکی این ماده را با یک تغییر ساده در نحوه انباشته شدن لایه های مختلف
آن کنترل کرد. این قابلیت در تولید ابزارهای کاربردی مهم خواهد بود.
گرافن به دلیل ویژگی های الکترونیکی، حرارتی و مکانیکی جالبی که دارد، ماده نویدبخشی برای تولید ابزارهای الکترونیکی
مولکولی در آینده به شمار می رود. اخیراً توجه محققان به گرافن چندلایه معطوف شده است، زیرا انتظار می رود به دلیل برهمکنش های
الکترونیکی قوی که میان لایه های تشکیل دهنده این ساختار وجود دارد، ویژگی های حتی جذاب تری در آن مشاهده شوند.
تفاوت این دو ساختار تنها در این است که در دومی لایه بالایی تنها به .ABC و ABA : گرافن سه لایه ای دارای دو آرایش متفاوت است
اندازه فاصله یک اتم کربن نسبت به لایه دیگر جابه جا شده است (شکل بالا). در سامانه های چندلایه ای نحوه انباشته شدن لایه ها تاثیر
بسیار زیادی روی ویژگی های الکترونیکی این ساختارها دارد. انتظار می رود این تاثیر در گرافن سه لایه ای شدیدتر باشد؛ پیش بینی می شود
یک ماده نیمه رسانا ABC یک ماده شبه فلز با همپوشانی باندی قابل تنظیم، و گرافن سه لایه ای با آرایش ABA گرافن سه لایه ای با آرایش
با شکاف باندی قابل تنظیم باشد.
حال جینی لائو و همکارانش با اندازه گیری ویژگی های انتقالی گرافن چندلایه به نتایج غیرقابل انتظاری دست یافته اند؛ آنها نشان داده اند
عایق است. محاسبات تئوری پیش بینی می کنند که هر دو آرایش رسانا ABC فلزی بوده و گرافن سه لایه ای ABA که گرافن سه لایه ای
باشند.
اندازه گیری رسانایی
این محققان با نشاندن الکترودهایی روی ابزارهای گرافنی که یا روی یک بستر قرار گرفته بودند و یا به صورت معلق در یک حفره درون
تا Vs/2cm برای ابزارهای غیرمعلق بین 210 (μ) 2 قرار داشتند، رسانایی آنها را اندازه گرفتند. تحرک پذیری اثر زمینه Si/SiO بستری از
بود. Vs/2cm تا 280000 Vs/2cm و برای ابزارهای معلق بین 5000 Vs/2cm1900
دارای یک شکاف باندی ذاتی است که احتمالاً از برهمکنش های ABC بنابر گفته محققان این نتایج نشان می دهند که گرافن سه لایه ای
الکترونیکی قوی در سیستم چندلایه ای آن نشات می گیرد. وجود یک شکاف باندی هرچند کوچک برای ساخت ابزارهای الکترونیکی از
. گرافن ضروری است؛ گرافن به طور معمول فاقد این شکاف باندی است 18
منتشر شده است. Nature Physics جزئیات این کار در مجله
فیلم هاى گرافنى شفاف انعطاف پذیر
جنوبى فیلم هاى گرافنى شفاف انعطاف پذیرى تولید کرده است که به گفته آنها توان بالقوه ى بالایى براى گونه
جدیدى از پیل هاى خورشیدى دارد.
چانگوو ژو، استاد مهندسى برق در دانشگاه کالیفرنیاى جنوبى، توضیح داد" :پیل هاى بواسطه آسانى ساخت،
فوتوولتائیک آلى سبکى و سازگارى شان با بسترهاى انعطاف پذیر بعنوان وسیله اى براى رسیدن به انرژى ارزان (OPV)
پیشنهاد شده اند ".این دانشمندان پیل فوتوولتائیک آلى جدیدى را شرح داده اند که مزایاى برجسته اى بویژه در زمینه
انعطاف پذیرى فیزیکى دارد.
٦٩
نکته مهم در هر افزاره ى الکترونیک نورىِ فوتوولتائیک آلى، یک الکترود رساناى شفاف است که در سرتاسر آن نور
مى تواند براى ایجاد الکتریسیته با مواد فعال جفت شود .در این کار جدید نشان داده شده است که گرافن توان بالقوه بالایى
در ایفاى این نقش دارد.
این محققان براى اولین بار با ترسیب اتم هاى کربن از گاز متان به شکل فیلم هاى گرافنى روى یک ورقه نیکلى،
صفحات گرافنى بسیار نازکى ایجادکردند .آنها سپس روى این لایه گرافنى یک لایه محافظ از ترموپلاستیک ایجاد کردند و
نیکل تحتانى را در حمام اسید حل کردند .در مرحله نهایى آنها این گرافن محافظت شده به وسیله ی پلاستیک را به یک
صفحه پلیمرى بسیار انعطاف پذیر متصل کردند.
این مجموعه سپس مى تواند در یک پیل فوتولتائیک آلى یکپارچه شود.
جریانی از مخلوط گازی هیدروژن و متان، اتم های کربن را به شکل گرافن روی یک ورقه نیکلی ترسیب م یکند .
سپس این لایه گرافنی به یک صفحه به یک صفحه پلاستیکی منتقل می شود و یک پیل فوتوولتائیک آلی یکپارچه می
. (OPV) شود
این دانشمندان مى گویند که با وجود راندمان پایین تر این پیل هاى خورشیدى فوتوولتائیک مبتنى بر گرافن در
مقایسه با پیل هاى سیلیکونى، آنها مى توانند به طور بالقوه ارزان تر ساخته شوند و انعطاف پذیرى فیزیکى بیشترى دارند.
منتشر شده است . 19 ACS Nano نتایج این تحقیق در مجله
افزایش حساسیت حسگرهای گرافنی با استفاده از نقص های ساختاری
محققان دانشگاه ایلینویز دریافته اند که افزایش نقص های ساختاری در گرافن می تواند عملکرد آن را به عنوان یک
حسگر شیمیایی بهبود بخشد.
این دقیقاً برعکس " : اریک پاپ، استادیار مهندسی برق و رایانه و یکی از اعضای این گروه تحقیقاتی میان رشته ای می گوید
چیزی است که به عنوان مثال در مورد ترانزیستورها صدق می کند. فهمیدن اینکه با افزایش نقص ساختاری عملکرد آن بهتر
." می شود، در ابتدا متناقض به نظر می رسید
هدف این کار درک عوامل محدود کننده " : امین صالحی و دیوید استرادا نویسندگان اصلی مقاله مربوط به این کار می گویند
حساسیت رزیستورهای شیمیایی گرافنی دوترمینالی ساده و مطالعه این امر در ابزارهای ارزانی است که توسط رسوب دهی
این محققان دریافتند که پاسخ این رزیستورهای شیمیایی به شکل این نقص ها بستگی دارد. ." شیمیایی بخار ساخته می شوند
گرافنِ تقریباً بی نقص حساسیت کمی نسبت به مولکول های مورد آنالیز دارد، زیرا این مولکول ها روی " : صالحی می گوید
٧٠
نقص های نقطه ای جذب می شوند که در اطراف آنها مسیرهای با مقاومت کم وجود دارد. در نتیجه، جذب سطحی این
مولکول ها روی نقص های نقطه ای اثر بسیار کمی روی مقاومت کلی ابزار دارد. از سوی دیگر، نقص های خطی با اندازه
میکرومتری یا خطوط پیوسته از نقص های نقطه ای متفاوت هستند؛ در اطراف این خطوط مسیرهای رسانایی ساده ای وجود
استرادا ." نداشته و در نتیجه جذب مولکول های ماده مورد آنالیز روی این خطوط اثر زیادی روی مقاومت کلی ابزار دارد
این ویژگی می تواند در تولید حسگرهای گازی ارزان برای کاربردهای مختلفی همچون انرژی، امنیت و تشخیص " : می گوید
." پزشکی به کار رود
بنابر گفته محققان، طبیعت دو بعدی رزیستورهای شیمیایی دارای نقص که توسط رسوب دهی شیمیایی بخار تولید شده اند،
آنها را از رزیستورهای شیمیایی ساخته شده از نانولوله های کربنی متفاوت می سازد. می توان حساسیت این ابزارها را با بریدن
صفحات گرافنی به روبان های گرافنی با عرض های قابل مقایسه با عرض خطوط نقص (در این مطالعه میکرومتری) افزایش داد.
چیزی که فهمیدیم این بود که گازهای مورد حسگری ما تمایل دارند به نقص ها متصل شوند. نقص های " : پاپ می گوید
سطحی گرافن به یکی از سه شکل نقطه ای، چین و چروکی یا خطی هستند. ما دریافتیم که نقص های نقطه ای در حسگری
." اهمیت زیادی نداشته و نقص های خطی از بالاترین اهمیت برخوردارند
این کار به صورت مشترک توسط محققان مهندسی شیمی و مهندسی برق و رایانه دانشگاه ایلینویز و همچنین پژوهشگرانی از
منتشر شده Advanced Materials صورت گرفته است. جزئیات این کار در مجله Dioxide Materials شرکت نوپای
. است 20
گرافن چندلایه ای برای افزاره های الکترونیکی جدید
عدم توانایی گرافن در تشکیل یک باندگپ، مشکل اصلی این ماده برای استفاده در افزاره های الکترونیکی جدید است.
وجود باندگپ جهت ساخت افزاره هایی از قبیل ترانزیستورها، تراشه های کامپیوتری و پیل های خورشیدی ضروری است. اکنون
راهی برای تولید مقادیر قابل توجهی از گرافن به شکل دو یا سه (MIT) گروهی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست
لایه ای پیدا کرده است. موقعی که این لایه ها بدرستی مرتب شوند، این ساختارها، گرافنی با باندگپ بسیار مطلوب می دهند.
گرافن چندلایه ای برای افزاره های الکترونیکی جدید
عدم توانایی گرافن در تشکیل یک باندگپ، مشکل اصلی این ماده برای استفاده در افزاره های الکترونیکی جدید است.
وجود باندگپ جهت ساخت افزاره هایی از قبیل ترانزیستورها، تراشه های کامپیوتری و پیل های خورشیدی ضروری است. اکنون
راهی برای تولید مقادیر قابل توجهی از گرافن به شکل دو یا سه (MIT) گروهی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست
لایه ای پیدا کرده است. موقعی که این لایه ها بدرستی مرتب شوند، این ساختارها، گرافنی با باندگپ بسیار مطلوب می دهند.
و یکی از این محققان، می گوید: این یک تحول در فناوری گرافن است. MIT میکائیل استرانو، در
موقعی که ترکیبات برم یا کلر (ارائه شده به رنگ آبی) وارد قطعه ای از گرافیت )نشان داده شده به رنگ سبز) می شوند، این
اتم ها راه شان را برای ورود به این ساختار در بین هر سه صفحه پیدا می کنند. بنابراین فاصله بین این صفحه ها افزایش می یابد
و مجزا کردن آنها آسان تر می شود .
اگرچه گرافن در سال 2004 کشف شده است، اما تولید انبوه آن تاکنون یک چالش بوده است. با این حال، روش جدید این
محققان را می توان در مقیاس بزرگ انجام داد .طبق گفته استرانو با استفاده از این روش که کاربردهای عملی و واقعی گرافن
است که در A-B را ممکن می سازد، می توان ترتیب دقیقی از لایه ها ایجاد کرد. ترتیب این لایه ها معروف به پشته های
فضاهای بین آنها اتم هایی است که منجر به خواص الکترونیکی مطلوب می شوند .
نکته کلیدی در این فناوری استفاده از تکنیکی است که در دهه های 50 و 60 میلادی ارائه شده است :ترکیبات برم
وکلر به یک قطعه از گرافیت وارد شده و راه خود را بصورت طبیعی به داخل این ماده پیدا می کنند – به طور منظم در بین
لایه ها، یا در بعضی از حالت ها بین هر سه لایه قرار می گیرند و طی این فرآیند فاصله بین لایه ها را اندکی بیشتر می کنند .
٧١
استرانو و همکارانش متوجه شدند که موقعی که این گرافیت در محلول قرار داده می شود، بصورت طبیعی از مکان هایی
که اتم ها وارد شده اند، مجزا شده و ورقه های گرافنی دو یا سه لایه ای تشکیل می شود. استرانو می گوید: "بدلیل اینکه این
فرآیند پراکندگی می تواند بسیار ملایم باشد، ما به ورقه های بسیار بزرگ تر از ورقه های ساخته شده با دیگر روش ها می رسیم.
گرافن یک ماده ی بسیار آسیب پذیر است، بنابراین نیاز به یک فرآیند ملایم دارد."
منتشر کرده اند . Nature Nanotechnology این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
اثر هیدروژن در توسعه گرافن
هیدروژن نه تنها در توسعه گرافن نقش دارد، بلکه قادر است شکل و اندازه آن را نیز کنترل کند .این رویکرد جدید
باعث مى شود که دانشمندان با مشکلاتى که در مسیر تولید گرافن پیش رو داشتند مواجه نشوند.مدیر این پروژه تحقیقاتى
مى گوید :گرافن هاى تولیدشده با این روش داراى شکل هگزاگونال هستند و ساختار بلورى بى نقصی دارند .در سالهاى
اخیر رشد گرافن به واسطه تجزیه گازهاى حاوى کربن مانند متان روى فویل مس تحت درجه حرارت بالا انجام مى گرفت .
این روش به اصطلاح روش رسوب بخار شیمیایى نام دارد .این روش جدید فرایند تولید گرافن را به طور کلى متحول کرده
است.
این روش براى تولید فیلمهاى گرافنى باکیفیت نیز مورد استفاده قرار مى گیرد.دانشمندان بتازگى به نقش حیاتى
هیدروژن در رشد وتوسعه گرافن پى برده اند. محققان با استفاده از دستورالعمل جدید موفق به سنتز گرافن در مقیاس
بزرگ شد هاند .آنها امیدوارندکه بتوانند با استفاده از تکنیک هاى کنترل سایز شبکه ها و مرز آن ها عملکردترانزیستورها،
مواد نیمه رسانا و صدها ابزار متفاوت الکترونیکى را بهبود بخشند.
ارائه روش تولید نانوروبان های گرافنی ''h
یک گروه تحقیقاتی بین المللی برای تولید
نوارهایی از گرافن معروف به نانوروبان ها ، روش
جدیدی ارائه کرده است.
آن ها با استفاده از هیدروژن، بازشدن
نانولوله های کربنی تک جداره را تحت کنترل
درآورده اند. این روش همچنین برای تولید نانو
روبان های گرافن (نسخه اصلاح شده و نویدبخشی از
گرافن) راهی باز می کند.
با ساخت گرافن به شکل نوارهایی با پهنای
متغیر، معروف به نانوروبان ها، این امکان وجود دارد که خواص گرافن را بطور قابل توجهی بهبود داد. یکی از روش های تولید
نانوروبان ها، بازکردن نانولوله های کربنی با استفاده از عملیات اکسیژنی است. با این حال این روش باعث باقی ماندن اتم های
اکسیژن روی گوشه های نانوروبان ها می شود که همیشه مطلوب نیستند.
گروه تحقیقاتی مذکور در این مطالعه نشان داده است که این امکان نیز وجود دارد که نانولوله های کربنی تک جداره را
با استفاده از یک واکنش با هیدروژن مولکولی باز کرد. نانوروبان های تولید شده با این روش اتم های هیدروژن بر روی
گوشه هایشان خواهند داشت که این می تواند برای بعضی از کاربردها مزیتی باشد.
آلکساندر تالیزین، فیزیکدان دانشگاه اوما در سوئد، یکی از این محققان و کسی که سال ها در زمینه چگونگی
واکنش های هیدروژن با فولرین ها تحقیق کرده است، می گوید: اصلاح نانولوله های کربنی با هیدروژن توسعه منطقی تحقیق
قبلی مان بود. تجربه های قبلی مان کمک بزرگی به این کار کرده است.
٧٢
نانولوله ها بوسیله کلاهک های نیمه کروی که شبیه نصفه های فولرین هستند، بسته می شوند. این محققان قبلا نشان
داده اند که مولکول های فولرین را می توان بوسیله هیدروژناسیون بسیار قوی به طور کامل تخریب کرد.
بنابراین، آن ها برای کلاهک های انتهایی نانولوله ها نتایج مشابهی انتظار داشتند و سعی کردند که با استفاده از
هیدروژناسیون نانولوله ها را باز کنند. محققان مذکور این اثر را در نتایج خود واقعا دیدند و اثرات مهیج دیگری نیز مشاهده
کردند .جالب ترین نتیجه این بود که بعضی از نانولوله های کربنی درنتیجه واکنش با هیدروژن بصورت نانوروبان های گرافنی باز
شدند.نکته جالب دیگر این است که در اکثر موارد باز شدن نانولوله با هیدروژن متصل به دیواره های کناری می تواند منجر به
تولید گرافن هیدروژن دار شده(گرافان) شود.
تا کنون تلاش می شد که گرافان بوسیله واکنش هیدروژن با گرافن تولید شود .به نظر می رسد که روش مرسوم تولید
گرافان بسیار مشکل باشد، بویژه اگر گرافن روی بستری بوده و فقط یک طرف آن برای واکنش قابل دسترسی باشد.
با این حال، هیدروژن خیلی آسان تر با سطح منحنی شکل نانولوله های کربنی واکنش می دهد.
منتشر شده است. ACS Nano جزییات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله
برهم کنش متفاوت نور با گرافن
گروهی از دانشمندان در آمریکا کشف کرده اند که گرافن هنگامی که در معرض نور قرار گیرد، مانند یک نیمه رسانای
متداول رفتار نمی کند، بلکه در عوض "حامل های داغی" ایجاد می کند که تولید جریان نوری می کنند. این یافته می تواند برای
خلق انواع جدیدی از آشکارساز های نوری پربازده و فوق سریع و نیز افزاره های استحصال انرژی مانند سلول های خورشیدی
مفید باشد.
به گزارش سرویس علم و فن آوری پایگاه اطلاع رسانی صبا به نقل از نانو، هنگامی که یک نیمه رسانای متداول با نور تحریک
می شود، جفت های الکترون -حفره پرانرژی تولید می شوند. سپس این حامل های بار یک جریان نوری تولید می کنند .تاکنون،
پژوهشگران معتقد بوده اند که گرافن نیز در واکنش با نور اینچنین عمل می کند؛ اگرچه بعضی از دانشمندان به این امر مظنون
بودند که فرآیندهای ترموالکتریک می توانند در این ماده نقش بازی کنند. این پژوهش جدید که توسط پابلو جاریلو- هریرو و
همکارانش در موسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه هاروارد انجام شده است، بدون هیچ ابهامی برای اولین بار تایید می کند
که فرآیندهای ترموالکتریک واقعا مسئول تولید فوتوجریان در گرافن هستند.
برحسب تابعی از چگالی بار. این الگوی شش- برابری p-n نمودار ولتاژ نوری اندازه گیری شده در یک اتصال گرافنی
نشان می دهد که یک فرآیند فوتوترموالکتریک مسئول آن است و نه یک فرآیند فوتوولتائیک که الگوی دو -برابری ایجاد
می کند .
گرافن که در p-n این پژوهشگران نتایج خود را با اندازه گیری های اپتوالکترونیکی زیادی روی افزاره های پیچیده اتصال
گرافن، p-n 850 روی اتصالات nm آزمایشگاه ساخته بودند، بدست آوردند .بویژه، آنها با تاباندن نور لیزر با طول موج
اندازه گیری های میکروسکوپ تحریک -نوری با وضوح فضایی دقیق و انتقال الکترونی انجام دادند. سپس آنها جریان نوری
٧٣
تولید شده در این افزاره ها را با پیمایش نور لیزر روی نمونه ها، اندازه گیری کردند .
تولید می شود که با افزایش توان باریکه لیزر افزایش p-n گروه مذکور مشاهده کرد که یک جریان نوری قوی در تماس
5در دماهای پایین بود، مقداری که شش برابر بیشتر از موارد mA/W می یابد .بیشترین جریان نوری ضبط شده دارای مقدار
مشاهده شده در افزاره های اپتوالکترونیکی گرافنی قبلی است .
با توجه به اظهارات این پژوهشگران، چنین مقادیر بالایی نتیجه اثر فوتوترموالکتریک است. جاریلو- هریرو توضیح می دهد:
"هنگامی که شما نور را به گرافن می تابانید، الکترون های ماده گرم شده و داغ می مانند درحالیکه شبکه کربنی زیر آن سرد
باقی می ماند. این الکترون های داغ هستند که تولید جریان می کنند ".
منتشر کرده اند. Science این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
برتری یافتن گرافن بر نانولوله ها (در استحکام و مقاومت در برابر ترک )
سه مطالعه از محققان در موسسه پلی تکنیک ونسلار شرح می دهند که چرا گرافن باید نانوماده انتخابی برای مواد
کامپوزیتی مستحکمی باشد که می توانند در هر چیزی از توربین های باد گرفته تا بال های هواپیما استفاده شوند. طبق این
مطالعه ها کامپوزیت های ساخته شده با گرافن در مقایسه با کامپوزیت های ساخته شده با نانولوله های کربنی یا دیگر نانوذرات،
مستحکم تر، سخت تر و کمتر شکننده می باشند. این بدین معنی است که گرافن در توسعه مواد نانوکامپوزیتی نسل آینده
می تواند نقش اساسی بازی کند .
ورقه های گرافنی که این محققان از گرافیت توده ای استخراج کرده اند .
نیکهیل کوراتکار، رهبر این گروه تحقیقاتی می گوید: ما برای 10 سال است که
در زمینه نانوکامپوزیت ها کار می کنیم و گرافن بهترین ماده ای است که تاکنون
در زمینه بهبود خواص مکانیکی دیده ایم. گرافن در زمینه انتقال خواص
مکانیکی و استحکامی استثنایی اش به یک ماده ی میزبان، از نانولوله های کربنی
یا هر نانوپرکن شناخته شده ی دیگری، بسیار بهتر است.
کامپوزیت های پیشرفته به طور فزاینده ای به عنوان جزء کلیدی در طراحی
هواپیم اها، تیغه های آسیاب بادی جدید و دیگر کاربردهایی که نیاز به مواد بسیار
مستحکم و فوق العاده سبک دارند، استفاده می شوند. مواد کامپوزیتی اپوکسی بی نهایت سبک هستند، اما می توانند شکننده
باشند و به راحتی شکسته شوند. این محققان با استفاده از دسته ها یا ورقه هایی از گرافن نانوکامپوزیت های پیشرفته ای ساختند.
هر ورقه ضخامتی به اندازه ی فقط چند نانومتر داشت. آنها همچنین با نانولوله های کربنی نانوکامپوزیت های اپوکسی ساختند.
نانوکامپوزیت های اپوکسی ساخته شده با گرافن، عالی ترین عملکرد را از خود نشان دادند. در حقیقت اضافه کردن
گرافن به اندازه یک دهم درصد وزنی کامپوزیت، جهت افزایش استحکام و سختی اپوکسی، معادل اضافه کردن نانولوله های
کربنی به اندازه یک درصد وزنی کامپوزیت، است. این نانوپرکن گرافنی همچنین مقاومت ماتریس اپوکسی در مقابل پیشرفت
ترک و شکسته شدن را نزدیک صد برابر افزایش داد. اگرچه گرافن و نانولوله های کربنی خواص مکانیکی و شیمیایی نزدیک به
همدارند، اما گرافن خواص خود را خیلی بهتر از نانولوله های کربنی به ماتریس پلیمری منتقل می کند.
این محققان می گویند که صنایع هواپیمایی و انرژی باد، در جستجوی مواد جدیدی هستند که بتوانند با آنها تیغه های
توربین بادی و موتورهای بادوام تر و قوی تری بسازند. آنها با تحقیقات بیشتر، تلاش خواهند کرد که بفهمند چگونه گرافن
٧٤
می تواند در این زمینه سودمند باشد. گرافن در این زمینه بسیار نوید بخش است، زیرا می تواند از گرافیت که قابل دسترسی و
ارزان است، تولید شود و این بدین معنی است که تولید انبوه آن امکان پذیراست.
منتشر کرده اند. Applied Physics Letters وACS Nano ، Small این محققان نتایج خود را در مجله های
فلزات مستحکم با ساختار نانو در اتومبیل
بدنه اتومبیل هاى امروزى متشکل از حدود 193 فلز گوناگون است .فلزات به کار رفته در اتومبیل به دقت انتخاب و بهینه
مى شوند .اینکه کدام نوع فلز مناسب کدام بخش است به تخصص و مهارت زیادى نیاز دارد و این انتخاب پس از طى
مراحل پیچیده و آزمایش هاى گوناگون انجام مى شود که نیازمند تجهیزات پیشرفته و دانش و مهارت زیادی است .یکى از
مهمترین ویژگى هایى که باید در انتخاب تمامی فلزات در نظر گرفته شود، جرم کم یا به اصطلاح سبک بودن آن است .
علاوه بر این لازم است فلزات به کار رفته در برخى قسمت ها از استحکام بالایى برخوردار باشند تا مسافران را از صدمات
احتمالى هنگام تصادف محافظت کنند .
محققان بتازگى موفق به ساخت فلزاتى با ساختار نانو شده اند که از
استحکام بسیار بالایى برخوردارند(گرافن) به طورى که هیچ ماده اى
از نظر استحکام، توان رقابت با آ نها را ندارد .این فلزات نه تنها باعث
کاهش جرم اتومبیل و افزایش شتاب آن مى شوند، بلکه مسافران را
در مقابل تصادفات خطرناک و مرگبار مصون نگه می دارند. علاوه بر
ساخت این فلزات، تکنولوژى جدیدى نیز ابداع شده است که راه
استفاده از این فلزات را هموار مى کند .تکنولوژى مذکور قادر است
کاربرد عملى نانوفلزات مستحکم را تسریع کند.
اولین مرحله، تعیین ثبات فلزات جدید با ساختار نانو است .علاوه بر استحکام فلزات، میزان نرم بودن آن ها نیز مورد ارزیابى
قرار
مى گیرد .در این آزمایش، این فرایند در دماى پایین انجام مى شود، زیرا ذرات میکروسکوپى فلزى پایدار نیستند و این امر
ذهن دانشمندان را مشغول کرده است.
یک ساختار اید ه آل، متشکل از ذرات فلزى بسیار ریز است .مرز بین ذرات مى تواند به راحتى حتى در دماى اتاق نیز جابه
جا شود؛ در همین زمان استحکام نانو ذرات کاهش مى یابد.
کار ارزشمندى که محققان انجام داده اند این است که مرز ذرات میکروسکوپى را ثابت نگه داشته اند و به قول خودشان این
حاضر محققان با یک شرکت دانمارکى قرارداد بسته اند تا ( lock) حدود را قفل کرد هاند تا این مشکل حل شود.در حال
. از این قابلیت در ساخت آلومینیو م هاى فوق سبک استفاده کنند 21
ایجاد ورقه های اتمی از گرافن سفید
گروهی از دانشمندان آمریکایی و ژاپنی موفق شدند ورقه های اتمی از گرافن سفید را ایجاد و از آن در تهیه یک دی
الکتریک مطلوب استفاده کنند .
به گزارش خبرگزاری مهر، ماده گرافن از یک لایه تک اتمی کربن تشکیل شده است که پنج سال قبل کشف شد و از
آن زمان عنوان یکی از مولکولهای مورد توجه فیزیکدانان و مهندسان الکترونیک قرار گرفت. این ماده کاملا سیاه رنگ از
پتانسیل بالایی برای جایگزینی با سیلیکون در ساخت نیمه رساناها برخوردار است .
اکنون گروهی از محققان دانشگاه رایس و موسسه علوم و فناوریهای صنعتی پیشرفته ژاپن موفق شدند ورقه های اتمی
از گرافن سفید را ایجاد کرده و از آن یک "دی الکتریک" مطلوب به دست آورند. گرافن سفید ترکیبی 6وجهی از نیترید بور
است . (h-BN)
٧٥
تاکنون از گرافن سفید به عنوان بخش سرامیکی که حرکت الکتریسته را بهبود می بخشد استفاده می شد. این محققان
نشان دادند که از این ماده می توان برای تهیه یک ورقه تک مولکولی ایجاد و خواصی که در حال حاضر در گرافن وجود دارد
را تقویت کرد .
به این ترتیب این دانشمندان با استفاده از تکنیکی ورقه های گرافن سفید را ایجاد کردند که روی یک زیرلایه مسی
قرار گرفته بود. این ورقه ها از یک تا 5 اتم تشکیل شده اند و می توانند در کنار هم یک ساختار سه بعدی از گرافن سفید را
بر روی یک ورقه گرافن سیاه یا بر روی یک زیرلایه سیلیکونی تشکیل دهند .
براساس گزارش سافت پدیا، به گفته این محققان از ترکیب گرافن سیاه و گرافن سفید در سطح میکروسکوپی می توان
ترانزیستورها، حسگرها و خازنهای در ابعاد نانویی ایجاد کرد .
کاربرد گرافن در ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سریع
دانشمندان رومانیایی و فرانسوی می گویند می توان از گرافن برای ساخت سوئیچ های میکروویو بسیار سریع استفاده
کرد. این ابزارها را می توان جایگزین سوئیچ هایی کرد که به طور گسترده ای در کاربردهای ارتباطی همانند اینترنت و
گوشی های موبایل استفاده می شوند.
گرافن به دلیل دارا بودن قابلیت های زیاد برای ساخت ابزارهای الکترونیکی جدید یکی از موضوعات داغ در زمینه فیزیک و علم
مواد به شمار می آید. این ماده اعجاب انگیز در عین حالی که بسیار نازک و نیمه رساناست، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد،
زیرا الکترون ها به صورت پرتابه ای و با سرعت بسیار بالا درون آن حرکت می کنند .دلیل حرکت بسیار سریع الکترون ها درون
گرافن این است که آنها همانند ذرات نسبیتی با جرم ساکن صفر رفتار می کنند. این ویژگی و ویژگی های فیزیکی غیرمعمول
دیگر گرافن باعث می شود که این ماده به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در قطعات الکترونیکی آینده مطرح باشد.
CNRS-LAAS بخارست رومانی به همراه دانیلا دراگومان از دانشگاه بخارست و همکارانشان از IMT حال میرسیا دراگومان از
در فرانسه نشان داده اند که فلس های گرافنی می توانند انتشار میدان های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا تا 60 گیگاهرتز را با
استفاده از اعمال یک ولتاژ مستقیم فعال یا غیرفعال کنند. زمان کلیدزنی بسیار کوتاه و کمتر از 1 نانوثانیه است که یکی از
کوتاه ترین زمان های کلیدزنی برای این نوع از ابزارها محسوب می شود.
میکروویو است که از یک موجبر هم صفحه و آرایه ای از ورقه های گرافن فلزی که روی آن معلق NEMS این ابزار یک سوئیچ
٧٦
است، تشکیل شده است. موجبر ذکر شده از سه باریکه فلزی طلا تشکیل می شود که روی یک بستر سیلیکونی نیمه عایق با
ضخامت 500 میکرومتر رسوب داده شده اند. باریکه مرکزی طلا امواج میکروویو را منتشر کرده و دو باریکه دیگر به عنوان
الکترود اتصال با زمین عمل می کنند. بنابر گفته محققان، فلس های گرافنی به لطف نیروهای وان در والسی روی موجبر معلق
باقی می مانند، اما آنها همچنین می توانند از طریق اتصالات فلزی متصل شوند.
میرسیا دراگومان می گوید سوئیچ گرافنی بسیار ساده تر و کاراتر از سوئیچ هایی است که از مواد معمولی همچون سیلیکون
ساخته می شوند. در این ابزار، میدان الکترومغناطیسی به سادگی و با اعمال یک ولتاژ مستقیم روشن و خاموش می شود. او
این سوئیچ ویژگی های خوبی دارد. زمانی که خاموش است میدان الکترومغناطیسی را دفع می کند و زمانی که " : می افزاید
". روشن است، اتلاف بسیار کمی در آن ایجاد می کند
تاکنون گرافن تنها در کاربردهای محدودی دیده شده است و اگر در بازارهای بزرگی همچون " : دراگومان توضیح می دهد
" ارتباطات و سلامتی مورد استفاده قرار نگیرد، در سطح تحقیقات دانشگاهی باقی خواهد ماند
یکی از مشکلات اصلی پیل های خورشیدی گرافنی این است که امکان ساخت ساختارهای گرافنی قابل کنترل از نظر
اندازه، بزرگ به اندازه کافی، پایدار و قابل فرآوری، وجود ندارد. اکنون نقاط کوانتومی گرافنی ساخته شده بوسیله محققان
دانشگاه ایندیانا در ایالات متحده ممکن است راه حلی برای این مشکل پیشنهاد کنند. این محققان روش ساختی ابداع کرده اند
که در صورت ترکیب با شیمی کربن پیشرفته، آنها را قادر می سازد که در سرتاسر شیمی محلول نقاط کوانتومی سیاه، قابل
فرآوری در محلول و با اندازه یکنواخت بسازند .آنها همچنین شرح داده اند که این نقاط کوانتومی گرافنی می توانند به عنوان
حساس کننده ها برای پیل های خورشیدی استفاده شوند.
لیانگ- شی لی، یکی از این محققان می گوید: طبق اطلاعات ما، اینها بزرگ ترین صفحات گرافن پایدار هستند و حتی
از صفحات ساخته شده با روش پایین به بالا، نیز بزرگ تر هستند.
، ساختار مولکولی نقطه کوانتومی گرافنی 1 b ، اتصال 5،3،1 – تری آلکیل فنیل به گوشه گرافن a
پیکربندی این نقطه کوانتومی 1 که از نظر تئوری حداقل انرژی را دارد c
این محققان برای کاهش تمایل نانوساختارهای گرافنی به تجمع و تشکیل ذرات بزرگ تر نامحلول، راهبردی برای
محافظت از صفحات گرافن با محصور کردن آنها در سه بعد، توسعه داده اند .
لی توضییح می دهد: ما با اتصال کوالانسی بخش هایی از 5،3،1 – تری آلکیل فنیل چندگانه(در موضع 2) به گوشه های گرافن ها
به این راهبرد رسیدیم. این تجمع روی گوشه ها به گروه های فنیل فرعی برای پیچیدن اطراف صفحه گرافنی نیرو وارد می کند.
در نتیجه این نیرو، زنجیرهای آلکیل در مواضع 1 و 3 خارج این صفحه توسعه می یابند و زنجیره آلکیل در موضع 5 نیز از پهلو
توسعه می یابد .این روش یادآور درج اتم ها یا مولکول ها در گرافیت است که انرژی پیوندی بین لایه ای را به شدت کاهش
می دهد.
گروه جانبی این پوشش، شامل یک حلقه کربنی شش گوشه و سه دم دراز خاردار ساخته شده از کربن و هیدروژن، می باشد.
بدلیل اینکه صفحه گرافنی سخت است، این حلقه جانبی مجبور به یک چرخش 90 درجه ای نسبت به سطح گرافن است، ولی
سه دم خاردار آزاد هستند .
این دانشمندان کارایی نقاط کوانتوم گرافنی خود را در پیل های خورشیدی به عنوان جاذب نور، بررسی کردند. آنها توانستند
یک چگالی جریانی برابر 200 میکروآمپر بر سانتی متر مربع و یک ولتاژ مدار باز برابر 48 /. ولت، ایجاد کنند. این نقاط کوانتومی
گرافنی توانستند مقدار قابل توجهی از نور در محدوده نور مرئی تا نور نزدیک به مادون قرمز را جذب کنند
٧٧
رشد گرافن بر روی بلورهای مس
ژوزف لیدینگ و اریک پاپ، از محققان دانشگاه ایلینو با بررسی و به کارگیری فناوری های تصویربرداری دریافتند که
کیفیت گرافن به ساختار بلوری سابستریت مس بستگی دارد.
گرافن از جمله موادی است که در صنایع الکترونیک کاربرد فراوان دارد به طوری که آینده ی این صنعت به گرافن
بستگی دارد. کیفیت گرافن از جمله مسایل حل نشده در فناوری نانو است.
سابستریت مس برای رشد گرافن مناسب است زیرا ارزان قیمت بوده و همچنین رشد گرافن تک لایه را تسریع
می بخشد. محققان حدس می زنند که زبری سطح سابستریت مس در رشد گرافن تاثیر دارد ولی دانشمندان دانشگاه ایلینو
معتقدند که ساختار بلوری مس نیز در این فرآیند، بسیار با اهمیت است.
ورقه های مس دارای ساختارهای بلوری متفاوتی هستند. زمانی که گاز متان به سطح آنها برخورد می کند شکل های
بلورهای مس در تشکیل گرافن از اتم های کربن، بسیار تاثیرگذار است. شکل های بلوری مس با ضرایب عددی نشان داده
می شوند و محققان دانشگاه ایلینو با به کارگیری فناوری های تصویربرداری دریافتند که شکل های بلوری مس که دارای ضرایب
عددی بالاتری دارند، گرافن های با کیفیت پایین تری تولید می کنند. این محققان ضریب عددی 100 و 111 را شناسایی
کرده اند که به ترتیب دارای ساختار مکعبی و شش وجهی متراکم هستند.
تولید تک بلورهای مس، بسیار گران قیمت و مشکل است زیرا درصدی از بلورهای با ضریب عددی 111 نیز به عنوان
ناخالصی حضور دارد و محققان را در تولید گرافن های با کیفیت بالا و عاری از هرگونه عیب و نقص دچار مشکل می سازد.
دانشمندان بر روی مواد دوبعدی از قبیل عایق ها برای بهبود کارآیی تجهیزات گرافن، مطالعه و تحقیق می نمایند.
به چاپ رسیده است. Nano Letters نتایج تحقیقات انجام شده در مجله ی
تلفن همراهی که می توان آن را تا زد و با چکش کوبید !
یک شرکت در نظر دارد در بهار سال 2012 تلفن همراه قابل انعطافی را
عرضه کند که می توان به راحتی آن را به هر زاویه ای تا زد و حتی با چکش بر
روی آن کوبید .شرکت سامسونگ در دورانی که به نمایش گذاشتن
نمایشگرهای قابل انعطاف به یکی از اصلی ترین بخشهای نمایشگاه های
تکنولوژی به شمار می رود، موفق شده قدمی بزرگ را در زمینه تحقق بخشیدن به ایده ای رویایی به جلو بردارد.
٧٨
به گزارش پایگاه خبری فناوری اطلاعات برسام و به نقل از مهر، این تلفن همراه که ظاهری مانند گوشی های
"گلکسی" ا دارد به اندازه ای قابل انعطاف است که می توان آن را به راحتی به شکل لوله درآورده و یا تا زد.
خود را با ابعاد 4٫5 اینچ و ضخامت 0٫3 AMOLED این شرکت در ماه ژانویه سال جاری نمایشگرهای قابل انعطاف
میلیمتر به نمایش گذاشت و بر اساس گزارشات جدیدی که از محصولات این شرکت ارائه شده، تلفنهای همراه مجهز به این
تکنولوژی در سه ماهه دوم سال آینده در بازارها عرضه خواهند شد .
این تکنولوژی بر اساس صفحات کربنی به ضخامت یک اتم که گرافن نامیده می شوند، ابداع شده است، این لایه های
باریک بر روی یکدیگر قرار می گیرند و سپس لایه ای از
کریستال مایع به عنوان محافظ کل این لایه ها را پوشش می
دهد. سامسونگ تصاویری از طرح اولیه این تلفن همراه با نام
"گلکسی اسکین" را منتشر کرده است.
تلفنهای همراهی که در ساخت آنها از گرافن استفاده شود
عملا نشکن خواهند بود، ویژگی که موجب محبوبیت فوری و
بی چون و چرای این تلفنهای همراه نسبت به دیگر مدلهای
موجود در بازار خواهد شد.
بر اساس آنچه از محصول جدید سامسونگ منتشر شده،
گوشی های جدید و قابل انعطاف این شرکت از نمایشگری
قابل انعطاف با وضوح 800 در 480 برخوردار است، دوربینی
هشت مگاپیکسلی داشته و حافظه داخلی آن یک گیگابایت
در نظر گرفته شده است.
بر اساس گزارش دیلی میل، این ویژگی ها در کنار پردازشگر
1٫2 گیگاهرتزی به گوشی کنونی سامسونگ که در بازارهای
جهانی موجود است شباهت زیادی دارد. 22
تولید گرافن که به نازکی کاغذ و محکم تر از استیل است
این گرافن کاغذی که از گرافیت اصلاح شده توسط فرآیندهای شیمیایی به شبکه های تک لایه شش ضلعی کربنی
ساخته شده و به نازکی کاغذ در آمده، بسیار مستحکم است .
این گرافن کاغذی در مقایسه با استیل پنج برابر سبکتر بوده و از پنج تا شش برابر تراکم کمتری برخوردار است. این
ماده همچنین از دو برابر استحکام بیشتر، 10 برابر مقاومت کششی بیشتر و 10 برابر استحکام خمشس بالاتر نسبت به استیل
برخوردار است .
این مساله نه تنها یک پیشرفت چشمگیر در ویژگی های استیل، بلکه گامی به جلو در استحکام کلی مواد است. از
آنجایی که این ماده گرافن است، با چند ویژگی جالب الکتریکی، حرارتی و الکترونیکی نیز اشباع شده است .
بهترین ویژگی این ماده سخت و پرهزینه نبودن آن برای تولید بوده و از این رو می توان از آن در صنعت خودرو سازی و
. هوانوردی استفاده کرد 23
٧٩
فناوری کامپیوتری برای رفع بوی بد پا
گرافن، ماده ای جدید است که رسانایی و انعطاف پذیری زیادی دارد. اکسید آن هم بسیار
باکتری کش خوبی است! با این که هنوز مشخص نیست اکسید گرافین چه طور باکتری ها را
می کشد، اما این ماده می تواند شما را از بوی…
گرافن به عنوان ابرماده جدید زمان ما شناخته می شود .استحکام و انعطاف پذیری گرافن
باورنکردنی است و در عین حال، بسیار رسانا است و استفاده از آن در شبه رساناهای
انعطاف پذیر ، فناوری رایانه ای را قدرتمند تر ساخته است. با این همه، اگر هنوز هم احساس
می کنید که این ابرماده تاثیر چندانی روی زندگی شما ندارد، شاید این خبر برایتان جالب باشد که استفاده از این لایه نازک
کربنی که ضخامتی در حد قطر یک اتم دارد، می تواند شما و کفش هایتان را از شر بوی بد پا خلاص کند .
اما چه طور یک ابرماده رسانا و انعطاف پذیر که عمده ترین کاربردش هم در صنعت رایانه سازی است، به کفش و جوراب و
بوی پا ربط پیدا می کند؟ دلیل بوی بد کفش ها، باکتری ها هستند. بر اساس گزارش نیوساینتیست، ورقه های اکسید گرافن در
کشتن باکتری ها خیلی خیلی موثرند .
محققین دانشگاه علوم چین واقع در شانگهای اولین شواهد مربوط به باکتری کش بودن اکسید گرافین را در آزمایشگاه
خود به دست آورده اند. به گفته این محققین ، به خوبی روشن نیست که این فرایند چه طور و چرا اتفاق می افتد. مثل بسیاری از
دانسته های دیگر ، ما فقط می دانیم که این اتفاق می افتد ! خب، شاید همین قدر برای این که کاربردهای تازه ای برای
اکسیدگرافن پیدا کنیم کافی باشد، بعد به چگونگی آن هم خواهیم پرداخت. به هر حال یکی از پیشنهادهای محققن برای
کاربردهای احتمالی اکسید گرافن در آینده، رفع بوی بد کفش است. همچنین به اعتقاد آن ها ممکن است در آینده بتوان با
استفاده از این ماده، بسته بندی هایی برای مواد غذایی درست کرد که غذای تازه را برای مدت زمان طولانی تر نگه دارد ، بدون
این که غذا فاسد بشود .
کشف خواص جدید گرافن برای توسعه دستگاههای الکترونیکی آینده
فیزیکدانان آمریکایی موفق شدند خواص جدیدی از ماده گرافن را پیدا کنند که با کمک آنها می توان دستگاههای
الکترونیکی آینده را توسعه داد .
به گزارش خبرگزاری مهر، ماده گرافن از یک لایه تک اتمی کربن تشکیل شده است و در سالهای اخیر به عنوان یکی
از مولکولهای مورد توجه فیزیکدانان و مهندسان الکترونیک قرار داشته است. این ماده از پتانسیل بالایی برای جایگزینی با
سیلیکون در ساخت نیمه رساناها برخوردار است .
اکنون گروهی از دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و لابراتوار ملی لارنس برکلی دریافتند درصورتیکه که گرافن در
شرایط کشش قرار گیرد نانو حبابهایی را شکل می دهد که در آنها الکترونها همانند زمانی که در یک میدان مغناطیسی واقع
شده اند رفتار می کنند .
نتایج این تحقیقات گامی مهم در شناخت این ماده و امکان استفاده از آن در ساخت سیستمهای نیمه رساناها است .
دانشمندان این خاصیت جدید را با ساخت یک ورقه گرافن بر روی سطح یک بلور پلاتین کشف کردند به این ترتیب
توانستند یک ساختار سه بعدی بدشکل شده را به دست آورند که به سه جهت مختلف کشیده می شد .
این محققان تشکیل حبابهای نانویی از 4 تا 10 نانومتر را در این ماده مشاهده کردند که در اطراف آنها الکترونها به
روش عجیبی رفتار می کردند به طوری که در داخل این حبابها الکترونها به جای اینکه همانند آن چیزی که در گرافن نرمال
رخ می دهد در باندهای انرژی در کنار هم قرار گیرند در سطوح کوانتومی انرژی تشکیل گروه دادند .
٨٠
تصویر گرافن در حالت بدشکل شده
این محققان در این خصوص اظهار داشتند: "درصورتیکه الکترون در یک مسیر مدور در یک میدان مغناطیسی بسیار
شدید تا 300 تسلا قرار گیرد سطوح انرژی با سطوحی که الکترون اشغال می کند یکسان می شود که این میدان مغناطیسی
30 برابر میدانی است که در دستگاههای روزنانس مغناطیسی به کار می رود. به طوری که اسکنرهای روزنانس مغناطیسی در
میدان مغناطیسی با شدت کمتر از 10 تسلا عمل می کنند درحالی که میدان مغناطیسی زمین در سطح خاک برابر با 31
میکروتسلا است ".
براساس گزارش ساینس، به اعتقاد این محققان، رصد این پدیده راه جدیدی برای درک چگونگی کنترل حرکت
الکترونها در گرافن و در نتیجه درک چگونگی تغییر دادن خواص الکتریکی از طریق بدشکل کردن آن است .
کشف روشی جدید برای ساخت نانوسیمها از گرافن
فیزیکدانان آمریکایی روش جدیدی را کشف کردند که می تواند با استفاده از ماده جدید گرافن تحولی در تولید
نانوسیمها ایجاد کند.
به گزارش خبرگزاری مهر، دانشمندان مدرسه فیزیک موسسه تکنولوژی جورجیا با استفاده از تکنیک جدیدی به نام
موفق شدند نانوسیمهای جدیدی را از ماده گرافن به دست آورند . " (TCNL) "نانو لیتوگرافی ترموشمیایی
در این فرایند، این فیزیکدانان اکسید گرافن عایق را با یک میکروسکوپ الکترونیکی نیروی اتمی گرم کردند و به این
ترتیب موفق شدند نانوسیمهایی به قطر 10 نانومتر به دست آورند .
نتایج این تحقیقات یک گام رو به جلو در توسعه کابردهای الکترونیکی نانومدارات گرافنی است گرافن مهترین گزینه
برای جانشینی نیمه رساناها است .
براساس گزارش ساینس، این تکنیک با اشکال مختلفی از گرافن کار می کند و می تواند تضمینی برای توسعه آینده
مدارات الکترونیکی برپایه گرافن باشد .
این محققان در این خصوص اظهار داشتند: "ما نشان دادیم که با گرم کردن محل به محل اکسید گرافن عایق با
استفاده از میکروسکوپ الکترونیکی نیروی اتمی قادر خواهیم بود نانوسیمها را تولید کنیم و بتوانیم خواص الکترونیکی را برای
رسانایی الکتریکی این ماده تنظیم و کنترل کنیم ".
٨١
گرافن ماده ای است که از یک لایه اتمهای کربن ساخته شده است این ماده به دلیل رسانایی بسیار بالایی که دارد می
تواند تحولی در علم مواد به خصوص در ساخت نیمه رساناهای جدید، پانلهای خورشیدی فتوولتائیک و تراشه های رایانه ای
ایجاد کند.
گرافن و ساخت تراشه های رایانه ای جدید
گروهی از دانشمندان اروپایی در بررسیهای خود دریافتند که ماده ای به نام "مولیب دنیت" خاصیت نیمه رسانایی دارد
و می تواند در ساخت تراشه های رایانه های آینده مورد استفاده قرار گیرد .
به گزارش خبرگزاری مهر، دانشمندان اروپایی به سرپرستی "آندارس کیس" از لابراتوار الکترونیک و ساختارهای نانویی
پلی تکنیک فدرال اکوله در لوزان سوئیس و با بودجه کمیسیون اروپا دریافتند که تراشه های الکترونیکی آینده می توانند از
سیلیکون و یا گرافن ساخته نشوند بلکه ماده ای به نام "مولیب دنیت" در تولید این تراشه ها به کار رود .
نتایج تحقیقات این پژوهشگران که در مجله علمی "نیچر نانو تکنولوژی" منتشر شده است نشان می دهد که "مولیب
دنیت" یک نیمه رسانای بسیار موثر است که می تواند برای ساخت ترانزیستورهای کوچکتر، موثرتر و کم مصرف تر استفاده
شود .
"مولیب دنیت" یک ماده معدنی در دسترس در طبیعت است و درحال حاضر به عنوان ماده اولیه در ساخت آلیاژهای
فولادی استفاده می شود، اما تاکنون پناسیل این ماده به عنوان یک نیمه رسانا کشف نشده بود .
این دانشمندان کشف کردند که "مولیب دنیت" به خاطر یک شکاف 1.8 الکترون ولتی یک ماده نیمه رسانای عالی
است .
ساختار دو بعدی "مولیب دنیت"، این ماده را از نظر الکتریکی بسیار موثرتر از سیلیکون می کند و بنابراین مصرف
انرژی ترانزیستورهای "مولیب دنیتی" در حالت آماده به کار 100 هزار برابر کمتر از ترانزیستورهای سنتی است .
٨٢
این دانشمندان در این خصوص اظهار داشتند: "این یک ماده دو بعدی بسیار نازک است که به راحتی در نانوتکنولوژی
و پیلهای خورشیدی LED ، مورد استفاده قرار می گیرد. مولیب دنیت پتانسیل بالایی در ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک
دارد. در یک ورقه از مولیب دنیت با قطر 0.65 نانومتر الکترونها می توانند به همان راحتی حرکت کنند که در یک ورق
سیلیکون با قطر 2 نانومتر در جریانند. این درحالی است که امروز ساخت یک ورقه سیلیکون نازک مثل یک ورق تک لایه ای
مولیب دنیت امکانپذیر نیست ".
به گفته این محققان، خواص و مزایای مولیب دنیت برابر با خواص و مزایای گرافن است. با این تفاوت که گرافن در
طبیعت موجود نیست و فرایند تولید آن بسیار پرهزینه است .
براساس گزارش کوردیس، "تئوری باند" در فیزیک روشی برای نشان دادن انرژی الکترونها در یک ماده است. در نیمه
رساناها در میان این باندها فضاهای آزادی برای حرکت الکترونها وجود دارد که به این فضاها "شکاف باند" گفته می شود .
اگر شکاف چندان کوچک و یا وسیع نباشد بعضی از الکترونها می توانند از روی آنها پرش کنند به این ترتیب سطح
کنترل رفتار الکتریکی ماده به حداکثر می رسد و بنابراین می توان آنها را به راحتی روشن و خاموش کرد .
وجود این شکاف در "مولیب دنیت" موجب شده است که این ماده نسبت به گرافن یک مزیت پیدا کند. به طوریکه به
اعتقاد این دانشمندان، این ماده در آینده جایگزین سیلیکون خواهد شد. در حقیقت شبه فلز گرافن شکاف ندارد و تولید این
شکافها بر روی این ماده به صورت مصنوعی بسیار دشوار و پرهزینه است .
ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وبسیار سریع با استفاده از گرافن
گروه تحقیقاتی دانشگاه منچستر یک ترانزیستور گرافنی یک نانومتری ساخت که ضخامت آن یک اتم و قطرش برابر ده
اتم بود. عده ای پیش بینی کرده بودند که ترانزیستورهای مذکور که از مشتقات گرافن بودند روزی جای سیلیکون را به عنوان
پایه ی محاسبات آینده بگیرد.
به مدت چهل سال، یک قانون کلی به نام قانون مور بر محاسبات حکمفرما
بوده است. این قانون پیش بینی می کند که تقریباً هر دو سال، تعداد
ترانزیستورهای مورد استفاده روی تراشه ها دو برابر خواهد شد.با این وجود،
سیلیکون که تا به حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زیر ده نانومتر
ساختارهای پایداری ندارد. جدیدترین تراشه های امروز تنها چهل و پنج نانومتر
ابعاد دارند. بنابراین وجود جایگزینی برای سیلیکون احساس می شود.
گرافن ها از خواص رسانشی فوق العادهای برخوردارن و به همین دلیل نامزد نسل آینده ی ترانزیستورهای سرعت بالا
هستند. شرکت هایی مانند آی بی ام و نوکیا هم به آینده گرافن امید بسته اند. آی بی ام یک ترانزیستو 150 گیگاهرتزی تولید
کرده است؛ در حالی که سریع ترین ترانزیستور سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس 40 گیگاهرتز کار می کند.
به گفته دکتر یو مینگ لین از آی بی ام، "در ___________مورد سرعت ترانزیستورها، در حال حاضر هیچ مرزی برای حد نهایی
سرعت آنها وجود ندارد. هرچند به مشکلاتی برخورده ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی کنم که مشکلی با خواص گرافن
داشته باشیم"
ذخیره بسیار متراکم داده ها
یک نمونه حافظه شبیه حافظه های فلش کنونی ساختند که مبتنی بر گرافن Rise گروهی از پژوهشگران دانشگاه
طراحی شده بود و علاوه بر این که از چگالی و تراکم بیشتری برخوردار بود، اتلاف حافظه کمتری داشت.
٨٣
ذخیره انرژی
کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تلاش ها برای استفاده از
این ماده جهت ساخت خازن های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتقال جریان
الکتریسیته آغاز شده است .هم اکنون نیز بعضی از شرکت هایی که در ساخت
محصولات الکترونیکی ویژه از نانولوله های کربنی استفاده می کنند، در حال روی
آوردن به گرافن هستند. نمونه ای از این محصولات الکترونیکی ویژه، لباس هایی
هستند که می توان آن ها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آن ها شارژ کرد. همچنین از ترکیب گرافن و آب
برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. آب،سبب خیس نگهداشتن گرافن )به شکل ژل) می شود ویک نیروی دافعه میان
ورقه های منفرد ایجاد کرده و با جلوگیری از اتصال دوباره این ورقه ها به یکدیگر، امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای
واقعی ایجاد می کند. کارایی ژل گرافنی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره سازی و هم از نظر زمان
رهایش این بار بسیار بهتر از فناوری دیگرِ مبتنی بر کربن بود.
دکتر دان لی، استاد دانشکده مهندسی مواد دانشگاه موناش به همراه همکارانش روی گرافن کار کرده اند؛ این ماده
اگر بتوانیم این ماده را " : می تواند مبنایی برای تولید نسل بعدی سامانه های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد.وی می گوید
" به درستی دستکاری کنیم، به طور مثال آیفون شما می تواند در عرض چند ثانیه و یا حتی کمتر شارژ شود
تجهیزات نوری، سلول های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر
گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اصلی گرافن در این است که می تواند نور و الکتریسیته را
از خود عبور دهد. این ویژگی ها در کنار مزایایی مانند استحکام و انعطاف پذیری باعث می شود تا استفاده از آن به افزایش بازده
بیانجامد، مضاف بر این که در ساخت تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای LED سلول های خورشیدی و لامپ های
لمسی، نوریاب ها و لیزرهای فوق سریع نیز سودمند خواهد بود.
سامسونگ با همکاری دانشگاه سانگ کیون کوان کره جنوبی، بیشترین
سرمایه گذاری را بر روی تحقیقات گرافن انجام داده است. این شرکت توانسته یک
نمایشگر لمسی انعطاف پذیر 25 اینچی را با استفاده از همین فناوری تولید کند و
قصد دارد طی پنج سال آینده ده ها محصول تجاری دیگر با استفاده از گرافن تولید
کند
استفاده از گرافن در تولید نازک ترین جامه نامرئی
جامه نامرئی یکی از فناوری های است که می تواند در حوزه های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران دریافته اند
که با استفاده از گرافن، می توان این البسه را تا حد بسیار زیادی نازک کرد. با این کار طیف کاربرد این فناوری افزایش
محسوسی می یابد.
محققان دریافتند که حتی یک لایه اتمی از گرافن می تواند خواص فوق الذکر را داشته باشد. برای این کار از سطوح
دارای فرکانس مناسب، یعنی سطوح رسانا با الگوهای مناسب، استفاده شد که با این کار مقاومت موثر سطح به کار گرفته
می شود. یکی دیگر از مزایای جامه گرافنی آن است که می توان مقاومت سطح موثر آن را در لحظه تنظیم کرد. با این کار
می توان جامع قابل سوئیچ و قابل تنظیم تولید نمود .
٨٤
افزایش شارژ باطری های قابل شارژ با استفاده از گرافن
محققان در دانشگاه استانفورد با پیچاندن ذرات ریز گوگرد در صفحه های گرافنی، ماده کاتدی نویدبخشی برای
باتری های قابل شارژ گوگرد – لیتیوم ساخته اند .این باتری ها را می توان در مقیاس بزرگ برای نیرو دادن به وسائل نقلیه
الکتریکی استفاده کرد. این کاتدهای جدید گوگرد – گرافن موقعی که با آندهای مبتنی بر سیلیکون ترکیب شوند، می توانند
منجر به باتری های قابل شارژی شوند که چگالی انرژی بسیار بالاتری از آنچه هم اکنون ممکن است، دارند.
یکی از بزرگ ترین چالش های پیش روی وسائل نقلیه الکتریکی که از باتری ها توان می گیرند، چگالی های توان و انرژی
پایین باتری های لیتیوم قابل شارژ است. نقطه ضعف این باتری ها مواد کاتدی کنونی آنها است که ظرفیت های ویژه شان بسیار
کمتر از ظرفیت های ویژه مواد آندی است.
مراحل تولید یک کامپوزیت گوگرد – گرافن که می توان آن را بعنوان ماده کاتدی برای باتری های قابل شارژ گوگرد –
لیتیوم با چگالی انرژی بالا استفاده کرد.
محققان دانشگاه استانفورد بمنظور رفع این مشکل، از گوگرد استفاده کرده اند که ظرفیت ویژه تئوری برابر با 1672
میلی آمپر ساعت بر گرم (حدود 5 برابر ظرفیت ویژه مواد کاتدی مرسوم) دارد .اگرچه گوگرد مزایای دیگری از قبیل هزینه کم
دارد، اما معایبی نیز دارد .برای مثال، گوگرد رسانای ضعیفی است، در طی تخلیه منبسط می شود، و پلی سولفیدها در
الکترولیت حل می شوند. این مشکل ها سبب عمر چرخه کم، ظرفیت ویژه پایین و راندمان انرژی پایین می شوند.
این محققان برای حل این مشکل ها راهبردی ارائه کردند. آنها ذرات ریز گوگرد را برای بدام اندازی پلی سولفیدها و
روکش دهی کردند. این روکش پلیمری انعطاف پذیر همچنین با (PEG) جلوگیری از حل شدن شان، با پلی اتیلن گلایکول
اصلاح انبساط حجمی ذرات گوگرد در طی تخلیه هر چرخه، عمر چرخه را بهبود می دهد. سپس این محققان ذرات گوگرد
روکش داده شده را در صفحه های گرافن تزئین شده با نانوذرات دوده، پیچاندند. نانوذرات دوده رسانایی گوگرد را بهبود
می دهند.
محققان مذکور شرح دادند که کاتد گوگرد – گرافن منتج می تواند برای بیش از 100 چرخه، ظرفیت ویژه بالایی بین
500 تا 600 میلی آمپر ساعت بر گرم داشته باشد. این مواد کاتدی جدید را می توان برای ساخت باتری های قابل شارژی با
چگالی انرژی بالاتری از چگالی دیگر باتری های قابل شارژ امروزی استفاده کرد. طبق گفته این محققان افت ظرفیت برای 100
چرخه فقط 10 تا 15 درصد است که بسیار عالی است.
منتشر کرده اند. Nano Letters این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی
٨٥
فیزیک ذرات پرانرژی
رانیز خشنود CERN گرافن ماده ای است که پژوهشگران مرکز تحقیقاتی
خواهد کرد. زیرا استفاده از این ماده، مطالعه ذرات کوانتومی در سرعت های بالا را
ساده تر خواهد کرد. با توجه به این که گرافن فقط دو بعد دارد، الکترون ها می توانند
تقریباً بدون وجود مقاومت در ساختار مشبک آن حرکت کنند.
اظهارات متخصصان و پژوهشگران حاکی از آن است که محصولات گرافنی تا
صنعتی شدن فاصله زیادی ندارند. به هر حال، همگام با افزایش نیازهای علمی و محاسباتی مواد جدیدی پا به عرصه می گذارند
که استفاده از آن ها می تواند بین عرضه و تقاضا تعادل ایجاد کند.
گرافن دسترسی به اینترنت پرسرعت را افزایش می دهد
دانشمندان برای گرافن کاربردی جدید یافتند، آنها موفق به کشف
شیوه ای شده اند که با استفاده از آن نازک ترین ماده روی زمین می تواند
نور بیشتری جذب و تبدیل کند، ویژگی که امکان دسترسی به اینترنت
پرسرعت را افزایش می دهد.
به گزارش مهر، این تیم که دو برنده نوبل فیزیک سال گذشته، "اندره
گایم" و "کستیا نووسلوف" نیز در آن حضور دارند، دریافته است که با
ترکیب کردن گرافن با نانوساختارهای فلزی می توان میزان ذخیره سازی نور و تبدیل آن به برق را در گرافنها 20 برابر افزایش
داد.
گرافن شکلی از کربن است که ضخامت آن تنها یک اتم کربنی است و با وجود این ضخامت کم هنوز 100 برابر
قدرتمند تر از فولاد است. همچنین مطالعات پیشین نشان داده بودند که با قرار دادن دو رشته فلزی بالای لایه ای از گرافن و
تاباندن نور بر روی این مجموعه می توان یک سلول خورشیدی ساده به وجود آورد.
محققان می گویند با وجود تحرک و سرعت بالای الکترونها در گرافن، ابزارهایی که با استفاده از این ماده ساخته می
شوند از سرعت شگفت انگیزی برخوردار خواهند بود، به بیانی دیگر سرعت آنها 10 تا صدها برابر بالاتر از سرعت ارتباطات در
سریعترین کابلهای اینترنتی رایج خواهد بود.
تنها نکته منفی در به کار گرفتن این ماده، کارایی پایین آن است. مشکل اینجا است که گرافن مقدار کمی نور جذب
می کند و بقیه نور بدون مشارکت در ایجاد انرژی برق به هدر می رود. از این رو تیم نووسلوف با همکاری محققان دانشگاه
های کمبریج و منچستر دریافتند می توانند با ترکیب نانوساختارهای فلزی مشهور به "نانوساختارهای پلاسمونیک" با گرافن
این مشکل را حل کنند.
با استفاده از این نانوساختار فلزی میزان جذب نور گرافن بدون قربانی شدن میزان سرعت این ماده، 20 برابر افزایش
پیدا کرد و به گفته دانشمندان می توان این کارایی را بیش از این نیز افزایش داد.
دانشمندان می گویند انتظار این بهبود در کارایی گرافن را با استفاده از نانوساختارهای فلزی داشته اند اما شگفتی
خوشایند دیگری که محققان در این کشف با آن مواجه شدند این است که این بهبود در کارایی می تواند بسیار بیشتر از این
باشد. به اعتقاد محققان گرافن همراه طبیعی پلاسمونیکها است.
بر اساس گزارش نیچر، این ابداع می تواند کاربرد گرافن را در صنایع نوری و توسعه ابزارهایی که می توانند نور را
هدایت یا کنترل کنند افزایش خواهد داد.
٨٦
ساخت عضله مصنوعی از نانو روبان اکسید گرافن
این عضله به هنگام گرم شدن الکتریکی قادر است 1.6 درصد مقدار اولیه خود منقبض یا منبسط شود. از این عملگر
می توان در تولید سیستم های الکترومکانیکی، میکرو سیالات یا حتی نانوربات ها استفاده کرد. ظرفیت کار ماکزیمم آن 49 ژول
بر کیلوگرم است که بسیار شبیه به عضله طبیعی بوده و قابل مقایسه با عملگرهای الکتروشیمیایی موجود در بازار است .
میخائیل کوزلو و همکارانش با استفاده از باز کردن نانولوله های کربنی چند جداره، نانوروبان های اکسید گرافن ساختند.
با این روش می توان نانوروبان هایی کم عرض با اندازه های بسیار یکنواخت تولید کرد. با فیلتر کردن نانوروبان های متفرق در
خلاء، آنها نانوروبان ها را به هم متصل کرده و یک سطح کف پوش مانند ایجاد کردند. این گروه تحقیقاتی با استفاده از گرم
کردن الکتریکی این عملگر، عملکرد خوب آن را مورد ارزیابی قرار دادند .
مطالعات الگوی پراش نشان داد که در اثر گرم کردن نانوروبان ها، تغییرات قابل بازگشتی در فاصله بین صفحه ای این
نانوروبان ها بوجود آمده است. این تغییرات ابعادی موجب می شود که فرآیند جذب و دفع مولکول های آب بین لایه های
نانوروبان اکسید گرافن اتفاق افتد. این گروه تحقیقاتی معتقد است که ورود و خروج مولکول های آب در ساختار نانوروبان
مسوول حرکت های بوجود آمده در عملگر است .
استفاده از نانوروبان های اکسید گرافن که با گرما حرکت می کنند، موجب می شود که نسل جدیدی از مواد به عنوان
مواد مستعد برای استفاده در عضله های مصنوعی معرفی شوند. به اعتقاد یکی از محققان این پروژه، بعد از بهینه کردن ساختار
و خواص مکانیکی آن، این عملگرها قادرند به صورت تجاری در بازار عرضه شوند .
و به همراه ترانزیستورهای گرافنی به عنوان مکملی در ظهور الکترونیک MEMS این عملگرها می توانند در راه اندازی
گرافنی موثر باشند. زمانی که ادوات الکترونیکی عاری از الکترولیت منقبض و منبسط می شوند، نیروی کافی تولید می کنند تا
بتوانند میکروگریپر را کنترل کرده و یا قطعات را در ادوات میکرو اپتو الکترومکانیکی حرکت دهد و یا در سیستم های
میکروسیالی دریچه ها را باز کند. این ادوات می تواند در تولید قطعات حرکت کننده(مانند بازو یا پا) در نانوربات ها استفاده
شود .
به چاپ رسیده است. این گروه پیش از این پروژه ای روی Chemical Physics Letters نتایج این تحقیق در نشریه
نانوکامپوزیت های رسانای الاستومیریک برای حسگرهای فشاری به انجام رسانده اند .
٨٧
محدودیت های پژوهش
1. عدم همکاری مسولین آزمایشگاه در زمینه در اختیار قرار دادن آزمایشگاه
2. عدم در اختیار بودن استاد مربوط به موضوع پژوهش
3. کمبود منابع ترجمه شده یا فارسی جدید در ارتباط با موضوع پژوهش.
٨٨
نتیجه گیری :
گرافن ماده ایست با پایه کربنی که انقلابی بزرگ در عرصه تکنولوژی ایجاد خواهد کرد و دنیای
آینده را هر چه باهوش تر ، سریعتر و دقیقتر می کند .گرافن ماده ای بسیار ارزشمند از لحاظ
علمی و بشدت اقتصادی می باشد که با ورود آن به عرصه زندگی و صنعت باعث تغییرات
چشمگیر و خیره کننده ای در روند زندگی در آینده نزدیک بشر خواهد شد .
امید است با پیشرفت های بیشتر کشور عزیزمان ایران در این زمینه بتوانیم قدم بلندی در زمینه
علمی و اقتصادی برداشته باشیم .
٨٩
منابع :
١. ""A.Hirsch, M.Brettreich, Fullerenes: Chemistry and Reactions, Willey VCH
Verlag GmbH, 2005.
2. P.Holister, C.Roman, T.Harper, Fullerenes, Cientifica Ltd., 2003.
3. http://www.sussex.ac.uk
4. L.K.Panina, V.E.Kurochkin, E.V.Bogomolova, A.A.Evstrapov, N.G.Spitsyna,
""Doklady Biological Science 357, 1997, page 53.
٢. www.nanoclub.ir
٣. http://www.knowclub.com/paper/
٤. Nature Nanotechnology, Vol. 4, April 2009
٥. http://www.physorg.com/news157717683.html
نتایج این تحقیق در . ٦ J. Appl. Phys. .منتشر شده است
٧. http://www.nanosat.ir/
٨. http://www.knowclub.com/paper/
٩. http://www.nanosat.ir/
١٠. http://physicsworld.com
١١. http://www.nanowerk.com http://nanotechweb.org
١٢. http://www.physorg.com/partners/the-ohio-state-university/
١٣. http://www.physorg.com/news146497821.html
جزئیات این پژوهش که بهعنوان بخشی از پایاننامه دکتر حسین چراغچی و با راهنمایی پرفسور کیوان . ١٤ "
اسفرجانی (دانشیاردانشگاه صنعتی شریف) انجام شده، در مجله PHYSICAL REVIEW B ؛ ( جلد 78
( 85 ؛ سال 2008 – منتشرشدهاست صفحات 123 .""
منبع . . ١٥ : http://www.physorg.com/news140787110.html
سایت نانو . ١٦
١٧. http://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111129123540.htm
سایت نانو . ١٨
١٩. http://viterbi.usc.edu
٢٠. .http://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111129112323.htm
مجله نانو تکنولوژی . ٢١
٢٢. www.tebyan.com
٢٣. www.tebyan.com__