کاربردهای گرافن

گرافن ورقه‌ای به ضخامت یک اتم (اتم‌های کربن) است که به شکل لانه‌زنبوری می‌باشد. از ویژگی‌های آن می‌توان به نازک بودن، قوی‌بودن و رساناترین ماده در جهان (از نظر الکتریسیته و گرما) اشاره کرد. مواد مبتنی بر Graphene به شکل الیاف، پارچه، فیلم و مواد کامپوزیتی وجود دارند. همچنین به دلیل خواص فیزیکی، شیمیایی و ترمومکانیکی قابل‌توجهی که دارند، جزو گسترده‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی هستند. در ادامه سعی داریم تا علاوه بر معرفی چیستی این ترکیب کربنی به کاربردها و مزایا و معایب این محصول انقلابی بپردازیم.

گرافن چیست؟

گرافن (آلوتروپ اصلی کربن) توسط اتم‌های کربن sp2 که در یک شبکه لانه‌زنبوری دوبعدی به هم متصل شده‌اند، تشکیل می‌شود. این ماده را می‌توان با فرایندهای لایه‌برداری مکانیکی، فرایندهای الکتروشیمیایی و گرافیت شیمیایی سنتز کرد. Graphene دو بعدی عنصر اساسی همه آلوتروپ‌های کربن از جمله فولرن‌های صفر بعدی (0D)، نانولوله‌های کربنی یک‌بعدی (1D) و گرافیت سه‌بعدی (3D) است. همه این آلوتروپ‌ها را می‌توان با اصلاح Graphene به دست آورد. علاوه بر این، Graphene سبک، جامد و سخت است که رسانایی الکتریکی و گرمایی استثنایی را نشان می‌دهد که از آن بعنوان نازک‌ترین و قوی‌ترین ماده در میان نانوموادها یاد می‌شود. این ماده نه‌تنها محدود به سطح بالایی از هدایت حرارتی و الکتریکی (با تحرک سریع الکترون و استحکام مکانیکی) نمی‌شود، بلکه ساختار متمایز نانو حفره‌ای آن غیرقابل‌نفوذ در برابر گازها خواهد بود. همچنین Graphene دارای اثر ضدمیکروبی، پایداری حرارتی، مقاومت شیمیایی عالی، سطح ویژه و انعطاف‌پذیری بالا است.

در میان آلوتروپ‌های کربنی مختلف مانند فولرن‌ها، نانولوله‌های کربنی، گرافن، اکسیدگرافن و نقاط کوانتومی مبتنی بر کربن، Graphene به دلیل خواص منحصربه‌فردش بیشترین مطالعه را در انرژی‌های پوشیدنی و باتری‌ها دارد. برخلاف نانولوله‌های کربنی، Graphene عاری از ناخالصی‌های فلزی است. این خاصیت آن را به ماده زیست سازگارتری نسبت به نانولوله‌های کربنی تبدیل می‌کند گرافن دارای مساحت سطح بالاتری نسبت به نانولوله‌های کربنی تک‌جداره (SWCNTs) است که برای قابلیت الکترو اکتیویته بسیار مفید خواهد بود. گرافن به دلیل وجود پیوندهای sp2 در ساختار و پیکربندی الکترونی خود، دارای استحکام مکانیکی فوق‌العاده بالا، باند الکترونیکی قابل‌تنظیم، هدایت حرارتی فوق‌العاده و خاصیت ارتجاعی عالی است.

استفاده از گرافن در صنایع

مواد مبتنی بر گرافن به طور گسترده در زمینه‌های کاربردی بسیاری از جمله فناوری‌های پوشیدنی، کشاورزی، پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی، خودرو، دریایی و هوافضا استفاده می‌شوند. نیاز به انرژی‌های تجدیدپذیر برای مقابله با بحران مرتبط با آلودگی قرن حاضر را می‌توان به طور قابل‌توجهی با مواد کامپوزیتی Graphene برطرف کرد. سلول‌های خورشیدی به‌ویژه باتری‌های Li-ion و سلول‌های سوختی میکروبی نمونه‌های برجسته‌ای از کاربرد کامپوزیت Graphene در انرژی‌های تجدیدپذیر و سبز هستند. علاوه بر این، دمای بدن انسان، فشارخون و ضربان قلب را می‌توان به‌راحتی با حسگرهایی که از مواد کامپوزیت Graphene ساخته شده‌اند، کنترل کرد. این ماده می‌تواند با موفقیت در دستگاه‌های دارورسانی، ژن‌درمانی، توالی‌یابی DNA، مهندسی بافت و استخوان‌های مصنوعی، تصویربرداری زیستی و درمان‌های سرطان بالقوه استفاده شود.

خواص الکتریکی همراه با قابلیت بافندگی و بافته شدن در مواد پارچه مانند، Graphene را به انتخابی جذاب برای کاربردهای پوشیدنی تبدیل می‌کند. یک مثال استثنایی از کاربرد Graphene در فناوری پوشیدنی، استفاده از ابرخازن‌های متقارن و نامتقارن و میکرو ابرخازن‌ها است. گرافن به‌عنوان راه‌حل نهایی برای مواد و دستگاه‌های انرژی پاک و تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ در نظر گرفته می‌شود. می‌توان از آن برای فیلترکردن نمک از آب، توسعه زره‌های ضدگلوله و ساخت ربات‌های زیستی استفاده کرد.

مزایا و معایب گرافن

حال که دانستنی‌های گرافن را مطالعه کردیم به بررسی مزایا و معایب آن می‌پردازیم. از زمان کشف گرافن و پتانسیل‌های الکتریکی و مکانیکی خارق‌العاده آن، به طور جامع موردمطالعه قرار گرفت. این محصول به یک ماده مهم برای تحقیق و توسعه تبدیل شد. به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی و ترمومکانیکی شگفت‌انگیزش، تصور می‌شود Graphene امیدوارکننده‌ترین مشتق برای مواد نسل بعدی باشد. Graphene 200 برابر قوی‌تر از فولاد، رسانای برق و گرما بهتری در برابر مس، بسیار شفاف و در برابر گازها نفوذناپذیر است. Graphene دارای تحرک حامل و هدایت حرارتی بسیار بالا و تحرک آن ده‌ها یا حتی صدها برابر مواد سنتی مبتنی بر سیلیکون است. در زمینه علوم هوافضا، گرافن می‌تواند به‌عنوان یک‌لایه محافظ برای پوشاندن سطح برخی از اجزا و کاهش الکترون‌های ثانویه برانگیخته شده توسط پرتوهای کیهانی استفاده شود.

یکی از معایب گرافن این است که تولید آن باکیفیت بالا، فرایندی گران و پیچیده خواهد بود. اصلی‌ترین نقطه‌ضعف این ماده به‌عنوان کاتالیزور، حساسیت آن به محیط‌های اکسیداتیو است. به‌منظور رشد Graphene از مواد شیمیایی سمی در دماهای بالا استفاده می‌شود، به همین دلیل برخی از ویژگی‌های سمی را نشان می‌دهد. دانشمندان کشف کردند که Graphene دارای لبه‌های فوق‌العاده تیز است که می‌تواند به‌راحتی غشای سلولی را سوراخ کند. همچنین به آن اجازه دهد وارد سلول شود و عملکرد طبیعی را مختل کند.

سوالات متداول کاربردهای گرافن

۱- کاربرد گرافن در صنعت ساختمان چیست؟

از میان تمام بخش‌های مختلف، صنعت ساختمان می‌تواند بیشترین تحول را با استفاده از گرافن ایجاد کند. بتن در حدود ۸ درصد از انتشار جهانی CO2 نقش دارد، اما افزودن ۰.۰۳ درصد وزنی گرافن به سیمان، میزان مواد موردنیاز را تا یک‌سوم کاهش می‌دهد

 ۲- خاصیت شیمیایی Graphene چگونه است؟

پایداری شیمیایی و حرارتی مواد مبتنی بر Graphene به آنها اجازه می‌دهد تحت شرایط شدید عملکرد خوبی داشته باشند و قابل‌استفاده مجدد و سازگار با محیط‌زیست هستند. همچنین عملکرد فیلتراسیون را در تصفیه فاضلاب روغنی بهبود می‌بخشند.

 ۳- بزرگ‌ترین مشکل Graphene چیست؟

گرافن یک ابر ماده است. بزرگ‌ترین مشکل Graphene این است که نیروهای مولکولی که این ورقه‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند گرافیت بسیار قوی هستند و جداکردن ورقه‌ها از هم بسیار سخت خواهد بود.

 ۴- چه چیزی Graphene را قوی می‌کند؟

Graphene نقطه ذوب بسیار بالایی دارد و به دلیل آرایش منظم زیاد اتم‌های کربن ماده‌ای بسیار قوی است. گرافن رساناترین ماده روی زمین است و این پتانسیل را دارد که یک تلفن همراه را تنها در پنج ثانیه شارژ کند.

 ۵- چه چیزی می‌تواند گرافن را از بین ببرد؟

دمای بالا می‌تواند باعث تجزیه گرافن و زمانی که گرافن تا دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم شود، به مونوکسید کربن و گاز هیدروژن تجزیه می‌شود. گرافن همچنین می‌تواند توسط اسیدهای قوی از بین برود.