الغرافين : كل ما تريد معرفته عن مادة الغرافين واستخداماتها

الغرافين : كل ما تريد معرفته عن مادة الغرافين واستخداماتها

مادة الغرافين. Source.


مادة شبه معدنية، متآصلة من الكربون، تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة على شكل سداسي، تتشابه مادة الجرافين من حيث البنية مع المواد الأخرى المتأصلة من الكربون مثل الفحم والألماس والجرافيت إلا أنها  تعتبر مادة استثنائية من حيث خواصها الفيزيائية ما جعلها تحت منظار العلماء لما تفتحه من مجالات واسعة للتطور التكنولوجي والصناعي، فهي أقوى مادة تم اختبارها على الأرض حتى الآن، حتى أنه يتم تشبيه ذلك بأنه حتى إذا قمت بجلب فيل ضخم وركزت حمله على سن قلم رصاص فاحتمالية  نجاح في النفاذ عبر مادة الجرافين ما تزال ضعيفة، رغم ذلك القوة هي أنحف مادة وجدت على سطح الأرض تتكون من طبقة واحدة من الذرات أقل مليون مرة سمكا من الورقة العادية، لدرجة جعلته يعتبر كمادة ثنائية الأبعاد، كما أنه ذو كفاءة عالية جدا في توصيل الكهرباء والحرارة، يضاف إلى ذلك فهو يكاد يكون مادة شفافة، ورغم ذلك فهو من الكثافة بحيث يمنع عبور أصغر الذرات من خلاله.



فما هي حكاية هذه المادة شديدة القوة والغرابة، وضع العلماء الكثير من النظريات حول الغرافين منذ العديد من السنوات، فقد كانت مادة الجرافين تتكون تلقائيا أثناء استخدام القلم الرصاص أو في بعض تطبيقات الجرافيت الأخرى، وبدأت النظريات حولها في الأربعينات كجزء من دراسة مادة الجرافيت، ويعود تاريخ اكتشافها تحت الميكرسكوب للعام 1962، لكنها لم تدرس منفصلة أبدا، كان لابد من أن تكون مدعومة بوضعها على سطح معدني، في العام 1990 بدأت المحاولات في الحصول على شرائح رقيقة من الجرافيت، لكن لم يتمكنوا من الحصول على أرق من 100-50 شريحة حتى عام 2004، ففي عام 2004 طور عالمان روسيان هما أندريه غييم وكونستانتين نوفوسيلوف طبقة من الجرافين في سمك ذرة واحدة استخلصاها من الجرافيت وحازا من خلال إنجازهما هذا على جائزة نوبل عام 2010. 



بعد 13 عام من إنتاج أول عينة معملية من الجرافين تحديدا عام 2017، صارت شرائح الجرافين تنتج للاستخدام التجاري.





تركيب مادة الغرافين. Source.




بفضل الخصائص الفيزيائية الإستثنائية للجرافين صار استخدامه من الخيارات المتاحة والمفضلة في عدد من الصناعات منها على سبيل المثال: ألواح اللمس في الهواتف الذكية نظرا لشفافيته وموصليته العالية، كذلك في شاشات التلفزيونات البلازما، كبديل أعلى موصلية وشفافية وأقل سعرا من الأنديوم أو أكسيد القصدير، كما أن المادة كذلك في طريقها لأن تصبح مادة محورية في مجال الطاقة نظرا لقدرتها الفائقة على التوصيل الكهربي، فهي تدخل الآن في صناعة الألواح الشمسية والبطاريات والمكثفات الفائقة وفي تخزين الهيدروجين، ما يجعلها بديلا أخف بكثير من المواد الأخرى.




إحدى استخدامات مادة الجرافين الحالية هو استخدامها في صناعة الترانزستور، وهو جزء هام وشديد الفاعلية في تطور الحاسب، فاستخدام الجرافين في الحواسب يقلص حجم الشرائح الحاسوبية إلى بضع ذرات، أو يتيح الوصول إلى قدرات حاسوبية فائقة،  ما يجعل مادة الجرافين مادة شديدة الأهمية.


لكن هل الجرافين هو الكنز الذي كانت تبحث عنه البشرية، هل لا يخلو من العيوب والانتقادات؟ بالطبع لا فما زالت الأبحاث مستمرة لوجود شكوك حول سمية الجرافين، خاصة في المصطحات المائية، فتحلله قد يشكل خطرا على الكائنات البحرية، كما أنه في مجال الصناعة نفسها في استخدامه كبديل للسيلكون في صناعة الترانزيستور يواجه مشكلة محورية هو أنه يصعب إيقاف تدفق التيار الكهربي خلال على خلاف السيلكون، فالأبحاث مازالت مستمرة في دمجه مع مواد أخرى للوصول إلى الخواص المطلوبة في الصناعة وإلى اكتشاف آثار استخدامه على البيئة والإنسان والحد منها، إلا أن مادة الجرافين بلا شك تحمل معها بشائر لمستقبل واعد في مجال التكنولوجيا.