گرافین

گرافین (به انگلیسی: Graphene) نامِ یکی از آلوتروپ‌هایِ کربن است. این ماده تشکیل‌شده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی است که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است. یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی کل صفحهٔ گرافین و بین تمام اتم‌ها به اشتراک گذاشته‌شده و الکترونِ آزاد است.
در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ‌هایِ کربن)، هر کدام از اتم‌هایِ چهارظرفیتیِ کربن، با سه پیوندِ کووالانسی به سه اتمِ کربنِ دیگر متصل شده‌اند و یک شبکهٔ گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر رویِ لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترونِ ظرفیت نیز یک پیوندِ شیمیایی داده‌است، اما این پیوندِ این الکترونِ چهارم، از نوعِ پیوندِ واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌هایِ گرافیت به راحتی بر رویِ هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوکِ مداد به کار بروند. گرافین ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌هایِ گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترونِ پیوندیِ کربن، به عنوان الکترونِ آزاد باقی‌مانده‌است.
هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس دربارهٔ گرافین نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هایِ زیادی برایِ ساختِ آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نامِ قضیهٔ مرمین-واگنر در مکانیکِ آماری و نظریهٔ میدان‌هایِ کوانتومی وجود داشت که ساختِ یک مادهٔ دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساختِ این ماده شده و نشان دادند که قضیهٔ مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزهٔ نوبلِ فیزیکِ ۲۰۱۰ نیز به خاطرِ ساختِ ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.

معرفی

گرافین ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد. گرافین به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک‌پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده‌است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده‌است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده‌است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافین در حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافین است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که برهم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهٔ بین صفحه‌ای ۰٫۳۳۵ نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافینی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافینی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافین کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافین چند لایه، گرافین ضخیم یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می‌نامند.
از نظر مکانیکی، مقاومت کششی نهایی گرافین برابر ۱۳۰ گیگاپاسکال (در مقایسه با مثلاً ۴۰۰مگاپاسکال فولاد) است. از نظر الکتریکی، گرافین خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد. در گرافین طیف حامل‌ها شبیه به طیف فرمیون‌های دیراک بدون جرم می‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح و کسری، در این سامانه باعث شده‌است که توجه بسیاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک به آن جلب شود. علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافین به‌طور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافین موجود در سامانهٔ مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافین تک لایه تقریباً برابر با ۹۷ درصد و مقاومت صفحهٔ آن ۲/۲ می‌باشد و گذردهی نوری برای گرافین‌های دو، سه و چهار لایه به ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحهٔ به ترتیب ۱، ۷۰۰ و ۴۰۰ است که نشان دهندهٔ آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافین گذردهی نوری سامانه کم می‌شود. از سوی دیگر چگالی حامل بار در گرافین از مر تبه ۱۰۱۳ بر سانتی‌متر مربع با تحرک‌پذیری تقریباً 15000 cm۲/V.s و با مقاومتی از مرتبه ۶-۱۰ اهم-سانتی‌متراست که به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) می‌باشد. خواص منحصربفرد گرافین آن را کاندیدهای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع‌کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف، و حسگرها قرار داده‌است. همچنین، رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافین، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع‌کننده نور (OLED) معرفی می‌کند. بکارگیری بسیاری از این سامانه‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافینی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست.

بزرگترین گرافین ساخته شده

مشخص است که گرافین تنها به نانو مربوط نمی‌شود، همچنین نباید این دو واژه را طوری به کار برد که گویی مشابه هم می‌باشند. تاکنون گرافین به صورت دو بعدی با طول ۱۰۰ متر و عرض ۲۳ سانتیمتر توسط شرکت sony ساخته شده‌است. همچنین ورق‌های گرافین بااندازهٔ کمتر از ۲۰ نانومتر از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدارند، چون حداقل پایداری گرافین هنگامی است که تعداد اتم‌ها بیشتر از ۶۰۰۰ اتم باشد؛ و ۲۴۰۰۰ اتم لازم است تا فلورن پایدار شود. این مبحث در دینامیک مولکولی سیستم‌ها بسیار مهم است، چون نتایج گرفته شده در کمتر از ۲۰ نانومتر می‌تواند درست نباشد.

محدودیت‌های گرافین

ضخامت گرافین یک لایه اتم کربن است که دارای پتانسیل بالقوه‌ای برای جایگزینی با سیلیکون می‌باشد که پیشرفت جامعهٔ آینده به آن مدیون خواهد بود. باوجود اینکه دارای مشخصات بالقوه‌ای همچون قدرت و وزن سبک و انعطاف‌پذیری و هدایت بالایی هستند اما محدودیت‌های این ماده به نوعی مانع استفاده آن‌ها در میکروپردازنده‌ها و وسایل الکترونیکی می‌باشد.
اینکه گرافین چگونه در دستگاه‌هایی در جهان واقعی به کار رود و دوم اینکه ورق‌های گرافین ماهیت شکننده‌ای دارند که این ناشی از اتصالات ضعیف آن‌ها می‌باشد. اگر هدایت حرارتی گرافین را به عنوان فاکتور مثبتی برای این ماده در نظر بگیریم، نباید از این نکته غافل شویم که هدایت حرارتی گرافین معلق بسیار بیشتر از گرافین بر روی بستر است، حال آنکه همین هدایت حرارتی باعث می‌شود که حرارت توزیع شده و یک نقطهٔ داغ به وجود نیاید؛ و افسوس اینکه گرافین در جهان واقعی باید بر روی یک بستر قرار بگیرد ونه اینکه آزادانه و معلق در خلأ باشد. یعنی وقتی وسیله‌ای ساخته می‌شود حتماً باید بر روی بستر قرار گیرد اما این منجر به کاهش شدید هدایت حرارتی گرافین می‌شود. همچنین هدایت حرارتی با رشد تعداد لایه‌های گرافینی و رسیدن به ۳۴ لایه افزایش می‌یابد (که ضخامت بسیار کمی است) اما پس از اینکه به حالتی به نام تودهٔ گرافیت می‌رسیم، هدایت حرارتی خوب نیست. تلاش‌های بسیاری صورت گرفته‌است تا راه‌های جدیدی کشف شود تا بتوان گرافین را در جهان ماکروسکوپیک به کار برد. اتصالات سه بعدی ساختار فوم گرافین و گرافیت فوق‌العاده نازک یا استفاده از بورون نیترید هگزاگونال همه در این راستا کشف شدند. ژرمانن دیگر مادهٔ سه بعدی است که برای استفاده در الکترونیک یا وسایل تبدیل انرژی حرارتی می‌تواند به کار رود.
به منظور درک فیزیک، نیاز به تئوری است یعنی اگر فقط آزمایش کنید شما روند را می‌بینید اما معنای نتایج را درک نمی‌کنید؛ بنابراین تئوری و آزمایش دو جزء جدایی ناپذیرند.
گرافین همچنین دارای محدودیت‌های دیگری در جهان واقعی می‌باشد، می‌دانیم پیوندهای بین اتم‌های کربن قوی‌ترین پیوندها در طبیعت می‌باشد، پس ورق بدون نقصی از گرافین باید دارای این خاصیت باشد، اما در کاربردهای واقعی، گرافین این‌طور نیست. آزمایشی که بر روی تافنس شکست گرافین دارای نقص جزئی صورت گرفت مقدار استحکام آن به‌طور قابل ملاحظه‌ای از استحکام گرافین ذاتی پایین‌تر بود؛ لذا درست است که استحکام گرافین ذاتی بسیار بالاست، اما وقتی گرافین دارای نقص باشد، دیگر پیوندهای بین اتم‌های کربن، قوی‌ترین نمی‌باشد. می‌دانیم در ورق‌های بزرگتر، همیشه نقص‌ها افزایش می‌یابد پس گرافین در جهان ماکرو استحکام بسیار پایینی خواهد داشت؛ لذا تولید ورق گرافین با استانداردهای دقیق و بدون نقص بسیار اهمیت دارد.
ساختارهای دوبعدی دیگری همچون گرافین (ساختار لانه زنبوری SP2) وجود دارد که از آن جمله می‌توان به ۱- سیلیسین ۲- بروفن ۳- فسفورن ۴- استنن ۵- ژرمانن ۶- گرافین (محتوی SP+SP2 هیبریدیزه شده) اشاره کرد. اما این ساختارهای دو بعدی همه به جز گرافین ناپایدارند یا پتنت ثبت شده برای آن‌ها بسیار کم است طوری‌که اعتمادی به این ساختارها وجود ندارد.
با توجه به اینکه از اولین ترانزیستورهای با گیت بالا چیزی نگذشته‌است. با توجه به این زمان کوتاه و اینکه همهٔ جانشینان احتمالی با جریان اصلی در ترانزیستورهای معمولی با مشکلات جدی روبه رو هستند، لذا می‌شود به توسعهٔ سریع گرافین کمک کرد. مفاهیم جدیدی که در این سال‌ها بررسی شده، همچون ترانزیستورهای اسپینی یا وسایل مولکولی، به نظر می‌رسد که به دور از واقعیت نسبت به گرافین باشد و معلوم نیست که به مرحلهٔ تولید برسند. در حال حاضر جایگزین ترانزیستورهای معمولی (سیلیکونی) غیرممکن است. با این حال تحقیقات ITRS به شدت به مطالعهٔ گستردهٔ در زمینهٔ گرافین توصیه می‌کند و حتی برنامهٔ تحقیق و توسعه برای نانوالکترونیک بر پایهٔ کربن شکل گرفته‌است؛ لذا راه برای اینکه گرافین به عنوان جایگزین قرار گیرد باز است. اما برای هیجان زده شدن در این مورد زمان زیادی لازم است.

گرافن و کنترل تبخیر آب

یک پوشش گرافنی، قادر به کنترل تبخیر آب از طریق توقف میزان تبخیر روی سطوح آب دوست یا هیدروفیلیک (hydrophilic) و سرعت بخشیدن به تبخیر روی سطوح آب گریز یا هیدروفوبیک (hydrophobic) است. تبخیر قطره آب، پدیده پیچیده‌ای بوده و نقش مهمی در طبیعت و صنعت ایفا می‌کند. درک مکانیسم تبخیر در مقیاس اتمی و کنترل میزان تبخیر، برای کاربردهایی از جمله انتقال حرارت و کنترل دمای بدن بسیار حائز اهمیت است. زمانی که یک سطح آب دوست با گرافن پوشش داده می‌شود، خط تماس قطره آب، به دلیل تنظیم و اصلاح زاویه‌های خیس شدن، به‌طور چشمگیری کوتاه یا کشیده می‌شود؛ این مسئله منجر به تغییر در میزان تبخیر می‌شود. مولکول آب، قبل از تبخیر، یک وضعیت پیشرو (و جدید) در خط تماس ایجاد می‌کند. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر نشان داد که چگالی آب در حالت‌های گذار (transition states) در خط تماس بسیار زیاد است.