گرافن جادوی قرن 21 (قسمت دوم)

کاربردهای بالقوه آن را به‌طور خلاصه می‌توان چنین عنوان کرد:

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.

شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام و نوکیا هم به آینده گرافن امید بسته‌اند. آی‌بی‌ام یک ترانزیستو 150 گیگاهرتزی تولید کرده است؛ در حالی که سریع‌ترین ترانزیستور سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس 40 گیگاهرتز کار می‌کند.

به گفته دکتر یو مینگ لین از آی‌بی‌ام، "در مورد سرعت ترانزیستورها، در حال حاضر هیچ مرزی برای حد نهایی سرعت آنها وجود ندارد. هرچند به مشکلاتی برخورده‌ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی‌کنم که مشکلی با خواص گرافن داشته باشیم"

ذخیره بسیار متراکم داده‌ها

گروهی از پژوهشگران دانشگاه Rise یک نمونه حافظه شبیه حافظه‌های فلش کنونی ساختند که مبتنی بر گرافن طراحی شده‌بود و علاوه بر این‌که از چگالی و تراکم بیشتری برخوردار بود، اتلاف حافظه کمتری داشت.

 ذخیره انرژی

 کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تلاش‌ها برای استفاده از این ماده جهت ساخت خازن‌های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتقال جریان الکتریسیته آغاز شده‌است. هم‌اکنون نیز بعضی از شرکت‌هایی که در ساخت محصولات الکترونیکی ویژه از نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کنند، در حال روی آوردن به گرافن هستند. نمونه‌ای از این محصولات الکترونیکی ویژه، لباس‌هایی هستند که می‌توان آن‌ها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آن‌ها 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 ورقه‌های منفرد ایجاد کرده و با جلوگیری از اتصال دوباره این ورقه‌ها به یکدیگر، امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای واقعی ایجاد می‌کند. کارایی ژل گرافنی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره‌سازی 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 کرده‌اند؛ این ماده می‌تواند مبنایی برای تولید نسل بعدی سامانه‌های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد.وی می‌گوید: «اگر بتوانیم این ماده را به‌درستی دستکاری کنیم، به‌طور مثال آیفون شما می‌تواند در عرض چند ثانیه و یا حتی کمتر شارژ شود».

  تجهیزات نوری، سلول‌های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف‌پذیر

 گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اصلی گرافن در این است که می‌تواند نور و الکتریسیته را از خود عبور دهد. این ویژگی‌ها در کنار مزایایی مانند استحکام و انعطاف‌پذیری باعث می‌شود تا استفاده از آن به افزایش بازده سلول‌های خورشیدی و لامپ‌های LED بیانجامد، مضاف بر این‌که در ساخت تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای لمسی، نوریاب‌ها و لیزرهای فوق‌ سریع نیز سودمند خواهد بود.

سامسونگ با همکاری دانشگاه سانگ‌کیون‌کوان کره جنوبی، بیشترین سرمایه‌گذاری را بر روی تحقیقات گرافن انجام داده است. این شرکت توانسته یک نمایشگر لمسی انعطاف‌پذیر 25 اینچی را با استفاده از همین فناوری تولید کند و قصد دارد طی پنج سال آینده ده‌ها محصول تجاری دیگر با استفاده از گرافن تولید کند

استفاده از گرافن در تولید نازک ‌ترین جامه نامرئی

جامه نامرئی یکی از فناوری‌های است که می‌تواند در حوزه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران دریافته‌اند که با استفاده از گرافن، می‌توان این البسه را تا حد بسیار زیادی نازک کرد. با این کار طیف کاربرد این فناوری افزایش محسوسی می‌یابد.

محققان دریافتند که حتی یک لایه اتمی از گرافن می‌تواند 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 به‌کار گرفته می‌شود. یکی دیگر از مزایای جامه گرافنی آن است که می‌توان مقاومت سطح موثر آن را در لحظه تنظیم کرد. با این کار می‌توان جامع قابل سوئیچ و قابل تنظیم تولید نمود.

استفاده از گرافن برای کاهش زمان شارژباتری ها

افزودن مقدار کمی گرافن به مواد موجود در باتری می‌تواند زمان شارژ باتری را به‌شدت کاهش دهد.باتری‌های جدیدی که در گروه انرژی در آزمایشگاه ملی Pacific Northwest و شرکت Vorbeck Material تهیه شده، می‌تواند زمان شارژ خودرو‌ها و ادوات الکترونیکی و حتی تلفن‌های همراه را از چند ساعت به چند دقیقه کاهش دهد.

محققان این پروژه ثابت کردند که افزودن مقدار کمی از گرافن می‌تواند پایداری چرخه‌ای و توان باتری‌های یون لیتیم را به‌شدت افزایش دهد، این در حالی است که این مسئله تأثیری روی ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی که در این باتری‌ها بالاست ـ ندارد. نتایج این پروژه منجر به تولید باتری‌هایی می شود که مقدار زیادی انرژی را در خود ذخیره کرده، خیلی سریع شارژ می‌شوند.

  فیزیک ذرات پرانرژی

 گرافن ماده‌ای است که پژوهشگران مرکز تحقیقاتیCERN‌ رانیز خشنود خواهد کرد. زیرا استفاده از این ماده، مطالعه ذرات کوانتومی در سرعت‌های بالا را ساده‌تر خواهد کرد. با توجه به این‌که گرافن فقط دو بعد دارد، الکترون‌ها می‌توانند 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 می‌گذارند که استفاده از آن‌ها می‌تواند بین عرضه و تقاضا تعادل ایجاد کند.

مشکلات گرافن

گرافن ماده ای است که از ورقه های مسطح کربن ساخته می شود و آرایش آن مثل لانه ی زنبور می باشد. در این ماده الکترونها می توانند به صورت مجازی 100 برابر سریعتر از الکترونهای حاضر در سیلیکون حرکت کنند به همین علت به طور بالقوه گرافن می تواند کاربردهای زیادی در صنایع الکترونیک داشته باشد. این ماده در حال حاضر اصلی ترین رقیب سیلیکون به شمار می رود.

برخلاف سیلیکون، گرافن فاقد باند گپ الکترونیکی است. باند گپ به محدوده انرژی گفته می‌شود که توسط الکترون‌ها اشغال نشده و برای کاربردهای الکترونیکی حائز اهمیت است. ایجاد یک باندگپ در محدوده انرژی الکترونی گرافن یک پیش نیاز ضروری برای به‌کارگیری گرافن در ترانزیستورها است.

به رغم موج فعلی پیشرفت، سرمایه‌گذاری و توجه رسانه‌ای، خیلی از پژوهشگران چنین اطمینانی به گرافن ندارند. برخی از آنها مطمئنند که گرافن همه خواصی را که از آن انتظار می‌رود، در خود ندارد.این ماده به خودی خود،  band gap را که یک ویژگی حیاتی برای کاربردهای الکترونیکی است، ندارد. (به این معنی که گرافن نمی‌تواند رسانایی الکتریکی را متوقف کند و «خاموش شود») بنابراین چون گرافن فاقد باند گپ است نمی‌توان از آن به‌عنوان سوئیچ که برای کاربردهای الکترونیکی لازم است، استفاده کرد. درحالی که در سیلیکون کلید روشن و خاموش (رسانش و عدم رسانش در جهات مختلف) بسیار دقیق عمل می­کند، یعنی مقدار رسانش آن در حالت روشن، نسبت به خاموش آن بالاست.  برای استفاده از گرافن در ترانزیستورها، باید یک شکاف انرژی در طیف انرژی الکترونی آن ایجاد کرد. در اینجا مهندسان وارد عمل می‌شوند. محققان دریافته‌اند که فشارهای محلی در ورقه گرافن می‌تواند خواص هدایت آن را تغییر دهد. با تغییر فشار محلی، شکاف انتقال می‌تواند ایجاد شود.

در فیزیک حالت جامد، تئوری باند (band) راهی برای نشان دادن انرژی الکترون‌ها در یک ماده‌ی داده شده است. در نیمه‌هادی‌ها فضاهای بدون الکترون بین باندها (رسانش و ظرفیت)وجود دارند که به آن‌ها باند گپ (band gap) می‌گویند. اگر آن گپ خیلی بزرگ یا خیلی کوچک نباشد، برخی از الکترون‌ها می‌توانند به داخل گپ بپرند و این موضوع درجه‌ی بالاتری از کنترل الکترون در رابطه با رفتار الکتریکی آن ماده را مهیا خواهد کرد که درنتیجه، خاموش و روشن کردن ترانزیستور آسان‌تر می‌شود. روش‌هایی برای ایجاد باند گپ ارائه شده است اما هر یک مشکلاتی داشته‌اند. همان طورکه گفتیم محققان روشی ارائه کرده‌اند که در عین ساده بودن قادر است شکاف‌هایی قابل تنظیم در ساختار گرافن ایجاد کند.

برای این منظور محققان وارد عمل شدند. آنها دریافتند که فشارهای منطقه‌ای در گرافن می‌تواند خواص هدایت را در این ماده تغییر دهد. با تغییر این فشارها، باند گپ گرافن دستخوش تغییر می‌گردد. مهندسی فشار، یکی از راهبردهای رایج در صنعت نیمه‌هادی‌ها است. در حال حاضر راه‌های متعددی برای ایجاد یک فشار قابل کنترل به گرافن شناخته شده است. برخی از این راه‌ها عبارتند از، مورفولوژی‌های فشار مانند چروک‌ها در گرافن تمیز معلق در یک محلول، بالون‌های گرافنی روی بستر الگودار و سوپر شبکه‌های فشاری گرافنی روی بستر شبکه‌ای نامنطبق.

مشکل دیگردانشمندان این است که این خواص «جادویی» تنها در مقیاس خیلی کوچک دیده شده‌اند. در نتیجه به رغم اینکه گرافن در مقیاس کوچک خیلی محکم‌تر از فولاد تقویت شده است، باید در مورد ادعاهایمان محتاط باشیم. باید محدودیت‌های گرافن را درک ‌کنیم. و در تلاش باشیم تا کاربردهای خاصی رابیابیم تا بتوانیم از آن خواص استفاده کنیم.