گرافن: نازكترین روان كننده جامد تازه های فناوری نانو (12)
چهارشنبه 26 آذر 1393 8:42 PM
یكی از نكات مهم در بكارگیری یك روان‌كننده جامد در مقیاس میكرو و نانو، ضخامت روان‌كننده و سازگاری فرآیند ترسیب روان‌كننده با محصول هدف است. گرافن، یك ماده كربنی قوی به نازكی یك اتم و با انرژی كم سطحی، كاندیدای مناسبی برای این كاربردها است. اكنون وانگ سیوپ كیم و همكارانش از موسسه مواد و ماشین‌آلات كره جنوبی امكان استفاده از گرافن بعنوان روان‌كننده جامد را شرح داده‌اند.
فیلم‌های گرافنی که با روش ترسیب بخار شیمیایی روی کاتالیست‌های فلزی مس و نیکل رشد داده شدند و به بستر سیلیکون / دی‌اکسید سیلیکون انتقال داده شدند؛ ویژگی‌های اصطکاکی و چسبندگی عالی از خود نشان دادند. این فیلم‌های گرافنی نیروهای اصطکاکی و چسبندگی را بطور موثری کاهش می‌دهند.
از دیدگاه عملی، گرافن تولید شده با روش ترسیب بخار شیمیایی (CVD) در مقایسه با گرافن‌های تولید شده با روش‌های دیگر، به دلیل مقیاس‌پذیری و انتقال‌پذیری عالی آن بهترین گزینه بعنوان روان‌كننده جامد است. با این حال، مشخصه‌های مربوط به اصطكاك‌شناسی این نوع گرافن در مقیاس میكرو و نانو هنوز گزارش نشده است.
کیم توضیح می دهد که ما نشان دادیم که گرافن تولید شده با روش CVD خواص اصطکاکی و چسبندگی عالی در مقیاس میکرو و نانو دارد، بطوری که برای کاربردهای عملی مناسب است. بویژه نتایج‌مان نشان می‌دهند که ضریب اصطکاک گرافن چندلایه‌ای با ضخامت چند نانومتر با ضریب اصطکاک گرافیت توده‌ای (یک روان‌کننده جامد مناسب) قابل مقایسه است. این نتایج که برای اولین بار است که گزارش می‌شوند، نشان‌دهنده امکان استفاده گرافن تولید شده با روش CVD بعنوان روکش سطحی برای کاهش نیروی‌های اصطکاک و چسبندگی و حفاظت از سطح بستر، هستند.
طبق گفته این محققان گرافن ضخیم‌ترِ رشد داده‌شده با نیکل و انتقال‌یافته روی سیلیکا در مقایسه با گرافن نازک‌تر رشد داده‌شده با مس و انتقال‌یافته روی سیلیکا، در مقابل سرخوردن بادوام‌تر است، اما گرافن رشد داده‌شده با نیکل تحت فشار تماسی 37 مگاپاسکال در مقیاس میکرو به آسانی سائیده شد.
این محققان می‌گویند که هدف نهایی‌شان ساخت روان‌کننده‌های جامد بادوام‌تر و بسیار نازک با استفاده از گرافن است.
این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ACS Nano منتشر کرده‌اند.
***********
گرافن چندلایه‌ای برای افزاره‌های الكترونیكی جدید
عدم توانایی گرافن در تشكیل یك باندگپ، مشكل اصلی این ماده برای استفاده در افزاره‌های الكترونیكی جدید است. وجود باندگپ جهت ساخت افزاره‌هایی از قبیل ترانزیستورها، تراشه‌های كامپیوتری و پیل‌های خورشیدی ضروری است. اكنون گروهی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) راهی برای تولید مقادیر قابل‌توجهی از گرافن به شكل دو یا سه لایه‌ای پیدا كرده است. موقعی كه این لایه‌ها بدرستی مرتب شوند، این ساختارها، گرافنی با باندگپ بسیار مطلوب می‌دهند.میكائیل استرانو، در MIT و یكی از این محققان، می‌گوید: این یك تحول در فناوری گرافن است.
موقعی كه تركیبات برم یا كلر (ارائه شده به رنگ آبی) وارد قطعه‌ای از گرافیت (نشان داده شده به رنگ سبز) می‌شوند، این اتم‌ها راه‌شان را برای ورود به این ساختار در بین هر سه صفحه پیدا می‌كنند. بنابراین فاصله بین این صفحه‌ها افزایش می‌یابد و مجزا كردن آنها آسان‌تر می‌شود.
اگرچه گرافن در سال 2004 كشف شده است، اما تولید انبوه آن تاكنون یك چالش بوده است. با این حال، روش جدید این محققان را می‌توان در مقیاس بزرگ انجام داد. طبق گفته استرانو با استفاده از این روش كه كاربردهای عملی و واقعی گرافن را ممكن می‌سازد، می‌توان ترتیب دقیقی از لایه‌ها ایجاد كرد. ترتیب این لایه‌ها معروف به پشته‌های A-B است كه در فضاهای بین آنها اتم‌هایی است كه منجر به خواص الكترونیكی مطلوب می‌شوند.
استرانو و همكارانش متوجه شدند كه موقعی كه این گرافیت در محلول قرار داده می‌شود، بصورت طبیعی از مكان‌هایی كه اتم‌ها وارد شده‌اند، مجزا شده و ورقه‌های گرافنی دو یا سه لایه‌ای تشكیل می‌شود. استرانو می‌گوید: "بدلیل اینكه این فرآیندِ پراكندگی می‌تواند بسیار ملایم باشد، ما به ورقه‌های بسیار بزرگ‌تر از ورقه‌های ساخته شده با دیگر روش‌ها می‌رسیم. گرافن یك ماده‌ی بسیار آسیب‌پذیر است، بنابراین نیاز به یك فرآیند ملایم دارد".
این محققان جزئیات نتایج كار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر كرده‌اند.
***********
محققان در دانشگاه استانفورد با پیچاندن ذرات ریز گوگرد در صفحه‌های گرافنی، ماده كاتدی نویدبخشی برای باتری‌های قابل‌شارژ گوگرد – لیتیوم ساخته‌اند. این باتری‌ها را می‌توان در مقیاس بزرگ برای نیرو دادن به وسائل نقلیه الكتریكی استفاده كرد. این كاتدهای جدید گوگرد – گرافن موقعی كه با آندهای مبتنی بر سیلیكون تركیب شوند، می‌توانند منجر به باتری‌های قابل‌شارژی شوند كه چگالی انرژی بسیار بالاتری از آنچه هم‌اكنون ممكن است، دارند.
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش‌روی وسائل نقلیه الکتریکی که از باتری‌ها توان می‌گیرند، چگالی‌های توان و انرژی پایین باتری‌های لیتیوم قابل شارژ است. نقطه ضعف این باتری‌ها مواد کاتدی کنونی آنها است که ظرفیت‌های ویژه‌شان بسیار کمتر از ظرفیت‌های ویژه مواد آندی است.
مراحل تولید یك كامپوزیت گوگرد – گرافن كه می‌توان آن را بعنوان ماده كاتدی برای باتری‌های قابل‌شارژ گوگرد – لیتیوم با چگالی انرژی بالا استفاده كرد.
محققان دانشگاه استانفورد بمنظور رفع این مشکل، از گوگرد استفاده کرده‌اند که ظرفیت ویژه تئوری برابر با 1672 میلی‌آمپر 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 می‌شود، و پلی‌سولفیدها در الکترولیت حل می‌شوند. این مشکل‌ها سبب عمر چرخه کم، ظرفیت ویژه پایین و راندمان انرژی پایین می‌شوند.
این محققان برای حل این مشکل‌ها راهبردی ارائه کردند. آنها ذرات ریز گوگرد را برای بدام‌اندازی پلی‌سولفیدها و جلوگیری از حل شدن‌شان، با پلی اتیلن گلایکول (PEG) روکش‌دهی کردند. این روکش پلیمری انعطاف‌پذیر همچنین با اصلاح انبساط حجمی ذرات گوگرد در طی تخلیه هر چرخه، عمر چرخه را بهبود می‌دهد. سپس این محققان ذرات گوگرد روکش‌داده شده را در صفحه‌های گرافن تزئین شده با نانوذرات دوده، پیچاندند. نانوذرات دوده رسانایی گوگرد را بهبود می‌دهند.
محققان مذکور شرح دادند که کاتد گوگرد – گرافن منتج می‌تواند برای بیش از 100 چرخه، ظرفیت ویژه بالایی بین 500 تا 600 میلی‌آمپر ساعت بر گرم داشته باشد. این مواد کاتدی جدید را می‌توان برای ساخت باتری‌های قابل شارژی با چگالی انرژی بالاتری از چگالی دیگر باتری‌های قابل شارژ امروزی استفاده کرد. طبق گفته این محققان افت ظرفیت برای 100 چرخه فقط 10 تا 15 درصد است که بسیار عالی است.
این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nano Letters منتشر کرده‌اند.
