1

کاربردهای گرافن (قسمت اول) :

گرافن ویژگی های زیادی دارد که می تواند کاربردهای مختلفی داشته باشد. گرافن بسیار نازک است و از لحاظ مکانیکی بسیار محکم ب وده و م اده ای ش فاف و ی ک رسانای انعطاف پذیر است. در یک محدوده وسیع چه با تغلیظ شیمیایی و چه با ب ه

کارگیری یک میدان الکتریکی، می توان رسانایی گرافن را بهبود بخشید.

تحرک پذیری )قابلیت سیار بودن( گ رافن ک ه در وس ایل ارتب اطی پ ارامتری دارای اهمیت بسیار موثری میباشد، باال بوده و پتانسیل این م اده را ب رای کاربرده ایی ب ا

فرکانس باالی الکتریکی نشان می دهد.

از آنج ایی ک ه گ رافن ی ک رس انای ش فاف اس ت می توان د کاربرده ایی چ ون داشته باشد ک هنمایشگرهای لمسی، سلول خورشیدی و پانل های نوری

گ ردد ک ه بس یار(ITO)در این مورد گرافن می تواند جایگزین اینیدیوم- تین اکسید گران قیمت می باشد.

سنسورهای گازی و الک تریکی انعط اف پ ذیر یکی از دیگ ر زمین ه ه ای ک اربرد این ک ه ب ر اس اس گ رافن ب امواد ک++امپوزیتیماده به شمار می رود. ان واع جدی د

و ص نعتم++اهواره ش ناخته ش ده ان د می توانن د در مقاومت باال و وزن کممورد استفاده قرار گیرند.هوافضا

محققان دانشگاه کلمبیا می گویند که برای سوراخ کردن یک ورق گرافن به نیرویی نیوتن نیاز خواهد بود، به عنوان مثال به فیلی ک ه در ح الت تع ادل20000بیش از

روی یک مداد قرار گرفته نیاز است تا ی ک ورق گ رافن شکس ته ش ود. گ رافن ب ه

2

دلی ل داش تن خ واص مک انیکی مث ل سنس ور فش ار و تش دیدگر، ی ک م اده کام ل محسوب می شود. عالوه بر مقاومت شگفت انگیز گ رافن، وی ژگی ه ای دیگ ر آن نیز در کاربردهای عملی پتانسیل قاب ل توج ه ای نش ان می ده د. گ رافن م اده ای است که تحت دم ای ات اق پ ایین ت رین مق اومت را دارا می باش د و از این رو می تواند در پالستیک ها مورد استفاده قرا گیرد تا آنه ا را ب ه رس انای الک تریکی تب دیل کند. ساختار دوبعدی گرافن ب اعث می ش ود ک ه ی ک م اده ع الی ب رای سنس ورها باشد، چرا که همه حجم گرافن در معرض محیط اطرافش ق رار می گ یرد و ب ازده شناسایی مولکول های جذب شده در این حالت بس یار ب اال اس ت. این ام ر امک ان ساختن سنس ورهایی ک ه مولک ول ه ای خطرن اک موج ود در فض ای فرودگ اهی و

ایستگاهای زیرزمینی را شناسایی می کند، فراهم می آورد.

بخش دیگری است که گرافن می تواند در این زمینه مورد بهره ب رداریکامپیوتر ساختهIBM گیگاهرتزی توسط شرکت 100قرار گیرد. یک ترانزیستور پایه گرافنی

شده است و این شرکت اظهار می کند که ساخت پردازنده یک تراهرتزی در آین دهای نزدیک امکان پذیر خواهد بود.

به کار گیری گرافن می تواند آینده علم را تغییر دهد

پتانسیل باالی گرافن ب رای این م اده کاربردهه ای مختلفی را ایج اد می کن د ک ه از میان آنها می توان به اف زایش ک ارایی ب اتری ه ای الک تریکی ب ا اس تفاده از پ ودر گرافن، تهیه ظروف پالستیکی جهت نگهداری غذا برای مدت زمان طوالنی، ساخت توربین های بادی قوی تر و باالخره اس تفاده در وس ایل ورزش ی و در نتیج ه بهب ود

کارایی آنها اشاره کرد.

کاربردهای پزشکی :(1

مطابق با تحقیق ات انج ام ش ده در آک ادمی عل وم چین در ش انگهای، می ت وان از استفاده کرد. صفحات دو بعدی این ماده بهکاغذ ضدباکتریگرافن برای ساخت

را خواه د گ رفت.(E.Coli)ط ور م وثری جل وی رش د ب اکتری ه ای اشرش یاکلی همچ نین محققین دیگ ری مانن د چونه ای ف ان و همک ارانش متوج ه ش ده ان د ک ه مشتقات گرافن، از قبی ل اکس ید گ رافن و اکس ید گ رافن احی اء ش ده م انع رش د میکروب ها می شوند. فان می گوید که این ی ک یافت ه مهم اس ت، زی را مطالع ات قبلی نشان داده اند که گرافن و به ویژه اکسید گرافن، با شرایط زیس تی س ازگار هستند و سلول های زیستی می توانند روی بستر های گرافنی به خوبی رشد کنن د، در حالی که انواع دیگر نانوذرات، مانند نقره، که به عنوان مواد ضد باکتری شناخته

شده اند، اغلب برای سلول های زیستی سمی مبیبا شند.

3

این دانشمندان برای ساخت کاغذ گرافنی، ابتدا اکسید گرافن احیاء ش ده در آب را تولید نموده و سپس این محلول را در سرتاس ر ی ک کاغ ذ ص افی، تحت خال ص اف کردند. در نهایت بک کاغذ اکسید گرافن و اکسید گرافن احیاء شده ای از این فیل تر کاغذی جدا شد. تصاویر عبوری از میکروس کوپ الک ترونی نش ان دادن د ک ه غش اء

قرار داده شده روی این صفحات گرافنی به شدتE.Coliهای سلولی باکتری های تخریب شدند. طبق گفته این دانشمندان، این تخریب ب ه این دلی ل اتف اق می افت د که گرافن وارد ایندوزوم سیتوپالسم این سلول ها می شود و آن را به بیرون سلول

درصد این سلول ها فقط بعد از دو ساعت تماس ب ا ی ک99انتقال می دهد. تقریبا درج ه س انتی گ راد،37 گرم در میلی لی تر از اکس ید گ رافن در دم ای 85محلول

تخریب شده اند.

این گروه تحقیقاتی اکنون بر روی علت ضدباکتری بودن اکسید گرافن مطالع ه می کند. محققین در تالش هستند تا در نهایت مواد ضد ب اکتری جدی دی از گ رافن تهی ه

کنند تا بتوان آنها را به منظور التیام زخم مستقیماً روی پوست قرار داد.

دانشمندان با بررسی گرافن به وسییله پرتوهای مادون قرم ز مش اهده کردن د ک ه این ماده از میزان جذب بسیار باالی پرتوها برخ وردار اس ت و این در ح الی اس ت که بر اساس مدل الکترون های مستقل پیش بینی می گردد که این ماده نبای د هیچ نوع پرتوی را جذب کند. بر اساس مشاهدات مذکور، سرعت الکترون ها ن یز ث ابت نبود و به انرژی حرکت بستگی داشت. به گفته محققان آمریکایی، با این اطالع ات

، فرض یه ه اینانوالکترونیکمی توان در م ورد ب ه ک ارگیری گ رافن در فن اوری جدیدی ارائه کرد

جدید با استفاده از گرافن : OLEDصفحه نمایش های (2

پژوهشگرانی از دانشگاه استنفورد با استفاده از گرافن به عن وان الک ترود ش فاف)توانستند به طور موفقیت آمیزی مدل کامالً جدی دی از دیوده ای ن ور- گس یل آلی

OLED).را توسعه دهند

به گزارش سرویس علم و فناوری پایگ اه اطالع رس انی ص با ب ه نق ل از ن انو، این ه ا ب ر روی زی ر الی ه ه ایOLEDپیش رفت می توان د ب رای تولی د انب وه و ارزان

پالستیکی انعطاف پذیر با اندازه بزرگ و قیمت کم راه را هموار سازد، به گون ه ایکه مانند کاغذ دیواری پیچیده شوند و در مواقع لزوم استفاده گردند.

OLEDها به خاطر کیفیت تصویر بسیار خوب، توان مصرف پایین و ساختار بس یار سال است که توسعه یافته اند و اخیراً در تلویزیون ه ا و ص فحه20نازک ،بیش از

4

نم ایش ه ای بس یار ن ازک مانن د دوربینن ه ای دیجیت الی و گوش ی تلفن هم راهکاربردهای فراوانی پیدا کرده اند.

OLED،ها از ساختار آلی فعال و تابناکی که بین دو الکترود ق رار داده ش ده اس ت تش کیل می ش وند. یکی از الکتروده ا بای د ش فاف باش د. اس تفاده از اکس ید قل ع

در این ساختارها مرسوم است. با این حال، ایندیوم یک ماده کمی اب(ITO)ایندیوم و گران قیمت است و بازیافت آن مشکل می باشد. تاکنون دانشمندان برای ی افتن

جایگزین مناسبی برای این ماده تالش فراوانی کرده اند.

نسل بعدی افزوده های اپتوالکترنیکی نیاز به الکترودهای رسانا و شفافی دارند ک ه سبک، ارزان، انعطاف پذیر و سازگار با محیط زیس ت ب وده و ب ا روش ه ای تولی د انبوه سازگاری داشته باشند. گ رافن، در ط ول دو س ال گذش ته ب ه خ اطر خ واص الکتریکی و نوری منحصر به فرد خود توانسته است خود را مط رح کن د ب ه ت ازگی محققانی از دانشگاه استانفورد، توانستند برای اولین بار به طور موفقیت آمیزی از

ها استفاده کنند. آنها ب ا اس تفاده از گ رافن ب هOLEDگرافن به عنوان الکترود در OLED هایی رسیده اند که دارای عملکردی مشابه با افزوده ه ای کن ترلی س اخته

می باش د. این ام ر می توان د در کاربرده ای واقعیITOش ده از آن دهای ش فاف بسیار جذاب و امید بخش باشد.

این پژو هش توانسته است توان ب القوه ف وق الع اده گ رافن را نش ان ده د و راه کامالً جدیدی به روی توسعه رساناهای شفاف، کارآمد و اقتصادی جهت افزاره های

ه ا و س لول ه ای فوتوولتائی ک آلی، ب از OLEDاپتوالکترونیکی انعطاف پذیر، مانند کند. انتقال گرافن نازک و بزرگ به روی یک زیر الیه انعطاف پذیر قبالً انج ام ش ده

OLEDاست. با ترکیب این دو فناوری، میتوان انتظ ار داش ت ک ه در آین ده نزدی ک های گرافنی بر روی پالستیک انعطاف پذیر ساخته شوند.

ابر خازن ها:(3

توسعه منابع تولید انرژی در یک دهه اخ یر ش تاب قاب ل ت وجهی پی دا ک رده و دلی ل اصلی آن افزایش بحران ه ا و چ الش ه ا ی موج ود در زمین ه ت امین ان رژی ب رای

مردم جهان بوده است.

در این می ان نی از ب ه تجه یزات و فن اوری ه ای الزم ب رای این منظ ور یکی از دل مشغولی های دانش مندان در س ال ه ای اخ یر ب وده و ناگفت ه پیداس ت ط راحی و ساخت ابر خازن ها به عنوان با اهمیت ترین ابزار ذخیره سازی انرژی ه ای تولی د شده، از مهم ترین این نگرانی ها بوده است. در این خصوص ب ه ت ازگی در آمریک ا

5

گروهی از محققان با استفاده از ماده گ رافن، اب ر خ ازن ه ای جدی دی را ط راحی نموده اند که با استفاده از آن می توان به آینده ذخیره سازی بهتر انرژِی های تولید شده امیدوار بود. زمانی که شما با کمبود انرژی مواجه هستید و تالش می کنی د ب ا استفاده از تکنیک های نوین این کمبود را جبران کنی د، ب ه تجه یزاتی نی از داری د ت ا بتوان این انرژی تولید شده را در آنها ذخیره کرد. ح ال هیچ تف اوتی نمیکن د درب اره چه نوع انرژی صحبت کنید. انرژی الکتریکی که تولید می شود، می تواند از توربین های بادی یا آبی یا نظایر آنها باشد. در حال حاضر تجهیزات و ذخیره کننده ه ایی از این دست وجود دارند اما در برابر افزایش احتمالی تقاضا ها قابل اطمینان نیستند.

یعنی نمی توان آنها را برای استفاده های کالن شهری و صنعتی به کار گرفت.

در حال حاضر ابرخازن ه ای ذخ یره کنن ده ان رژی متع ددی در ق الب فن اوری ه ای مختلف وجود دارند که تا حدی انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می کنن د، ام ا این کافی نیست. برای این منظور با استفاده از شبیه سازی های رایانه ای الکترودهای مخصوصی را با استفاده از ورقه های گرافنی کربنی تهیه نموده ان د. در اینج ا بای د به نکته مهمی توجه کرد. در حال حاضر ابرخازن هایی که در صنایع مختلف ب ه ک ار گرفت ه می ش وند، دارای مح دودیت ه ای ک اربردی گون اگونی هس تند و ج الب این است که این محدودیت ها عمدتاً به سطوح الکترودهای به کار گرفته ش ده در آنه ا باز می گردد. ب ا بررس ی ه ایی ک ه روی س اختار ط بیعی گ رافن و مشخص ه ه ای شیمیایی آن انجام گرفته، مشخص شده است که سطوح ارائ ه ش ده از این م اده، بازده باالتری در ذخیره سازی انرژی دارند. از این ابرخازن ه ا ب رای تنظیم جری ان برق موجود در شبکه های برق استفاده شده تا به سامانه های مرتبط با آن آس یب ه ای کم تری وارد ش ود. همچ نین دانش مندان امی دوار هس تند ت ا از آ ن در طی ف گسترده ای از س امانه ه ای حم ل و نق ل درون ش هری اس تفاده کنن د. هم اکن ون برخی ابزار آالت صنعتی با استفاده از نسخه ابت دایی این فن اوری ک ار میکنن د، ام ا آنها تالش می کنند برای راه اندازی تجهیزات صنعتی بزرگ تر نیز از ابرخ ازن ه ای

قدرتمندتر و قابل اطمینان تر استفاده گردد.

مهم ترین مزیت اس تفاده از گ رافن در این فراین د، خ روجی قاب ل توج ه ابرخ ازن هایی است که با استفاده از الکترودهای گرافنی ساخته می شوند و ت ا پیش از این در ابرخازن ها وجود نداشتند. در این فرایند ابتدا اکسید گرافن را در حالل آبی قرار داده تا گرافن به صورت خودکار به ورقه های بسیار نازک و پ ولکی اکس ید گ رافن تبدیل شود و نکته جالب این است که ض خامت این ص فحات در ح د اتم اس ت. در مرحله بعد اتم ه ای اکس یژن از م دار خ ارج می ش وند ت ا الک ترود گراف نی ب رای

استفاده آماده گردد.

6

این مقوله جذاب، آینده روشنی دارد که هنور تحقیقات عمده ای در زمینه آن انجام نشده است. با این حال در گوش ه و کن ار جه ان کاره ای تحقیق اتی در ح ال انج ام است که برخی از آنها قابلیت ارائ ه ش دن در ابع اد ص نعتی و نیم ه ص نعتی را ن یز دارند. در این میان برخی از دانشمندان از نانولوله های کربنی استفاده نموده اند تا از وی ژگی ه ای خ اص آنه ا از جمل ه ض ریب ب االی اس تحکام و رس انایی خ وب و الکتریکی استفاده کند. با این حال باید گفت تم ام فن اوری ه ایی ک ه در این زمین ه ارائه می شوند، هم ه ه دفی مش خص و مش ابه دارن د و آن اف زایش ت وان ذخ یره

سازی اترژی در ذخیره کننده ها می باشد.

این ابرخازن ها باز هم ق ابلیت توس عه و اف زایش ب ازده ذخ یره ان رژی را دارن د و همان طور ک ه ب را ی این منظ ور ب ه اس تفاده از گ رافن روی آورده ش ده اس ت، ممکن است در آینده ای نه چندان دور مواد بهتری پیدا شوند ک ه توس عه این دانش را تسریع کنند. اکنون دانشمندان در تالش هس تند این فن اوری را ب ه مرحل ه تولی د نیم ه ص نعتی و ص نعتی برس انند و آن را در اختی ار کارخانج ات و مراک ز مختل ف

تحقیقاتی قرار دهند.

شناساگرهای بسیار حساس جرم :(4

گرافن به عنوان یک حسگر بس یار حس اس ج رم می باش د. محقق ان در دانش گاه کلمبیا اولین تشدید کننده های نانومکانیکی گرافنی را ساخته اند. این افزاره ها ک ه ش امل ص فحات گ رافن نوس ان کنن ده معل ق ش ده روی ش یارهای میک رو ان دازه هستند، می توانند ب ه عن وان شناس اگرهای ق وی و بس یار حس اس ج رم اس تفاده

شوند.

صفحات گرافن عالوه بر خواص الکتریکی عالی، بسیارس خت و مس تحکم هس تند. این صفحات می توانند برای ساخت افزاره های فرکانس ب اال اس تفاده ش وند. این افزاره ها به خاطر چگالی کم خود، به اضافه شدن جرم بسیار حس اس هس تند. ب ا وجود این که نانو لول ه ه ای کرب نی همین مزای ا را دارن د و آنه ا ن یز ب رای س اخت شناساگرهای بسیار حساس جرم استفاده شده اند، اما مزیت گرافن این است ک ه این ماده یک صفحه دوبعدی است که می توان آن را قلم زنی کرد و به ه ر ش کلی در آورد. مزیت فوق این امکان را فراهم می سازد که روی خواص تش دیدی کنن ده

نهایی کنترل بیشتری ایجاد گردد.

محققان برای ساخت افزاره ه ای خ ود ابت دا ورق ه ه ای گراف نی ت ک الی ه را روی بسترهای سیلیکون/ س یلیکا ق رار داده و س پس الکتروده ای فل زی را الگ و داده و برای تولید گرافن معلق شده، سیلیکا را اچ کردند. این افزاره ها در فرک انس ه ای

7

مگ اهرتز ک ه وابس ته ب ه هندس ه اف راره65مگاهرتزی، با فرکانس حداکثر ح دود ک ه ب هDCاست، نوسان می کنند. این فرکانس همچ نین می توانن د ب ا ی ک ولت اژ

الکترود گیت اعمال می شود و به صفحه گرافن تنش وارد می کند، تنظیم شود.

هنگامی که یک شیء روی این اف زاره ه ا ق رار می گ یرد، این فرک انس تغی یر می کند. این تغییر با الکترودها شناسایی می شود و برای محاس به ج رم ش یء م ذکور استفاده می شود. اندازه گیری ها نشان می دهند که این افزاره ها به ج رم ح دود

یک زپتوگرم حساس هستند.

گرافن با خواص آب دوستی و آب گریزی :(5

یک گروه تحقیقاتی در آمریکا روشی برای تولی د گ رافن ارائ ه ک رده اس ت ک ه ب ه وسیله آن می توان با تغییر شرایط، گرافن هایی ب ا خ واص دف ع کنن دگی ی ا ج ذب کنندگی آب تولید کرد. این گرافن ها می توانند در صنعت کاربردهای بسیاری داشته

باشند.

دیکرسون و همکارانش از دانشگاه وندربیت، برای تولید فیلم ه ای اکس ید گراف نی روشی ارائه کردند که پس از اعمال تغییراتی در سطح آن، زبری س طح ب ه نح وی تغییر می کند که آب در سطح جمع نمی شود، بلکه به طور غلطان روی آن ح رکت

می کند. این سطح می تواند در شیشه ی جلو خودروها مورد استفاده قرار گیرد.

به اعتقاد دیکرسون، فیلم های گرافنی شفاف ب وده و از آنج ا ک ه از ک ربن س اخته شده اند، بسیار ارزان هستند. روش این گروه به سرعت قابل صنعتی شدن اس ت و به کمک آن می توان برای مصارف تجاری، فیلم های مذکور را ب ه ص ورت انب وه

تولید کرد.

معموال گرافن را با روش الیه برداری مک انیکی تولی د میکنن د ک ه روش ی خش ک و محصول آن بسیار شکننده است. در روش ارائه شده از سوی دیرسون، گرافن ب ه صورت نازک اما مستحکم تولید میشود. از این روش در تولید س رامیک ه ا و دیگ ر پوشش ها استفاده می شود. این روش رسوب الکتروفورتیک ن ام دارد ک ه روش ی مرطوب بوده و در آن، میدان الکتریکی روی محیط سیال اعم ال می ش ود. از این روش در تولید فیلم هایی از نانو ذرات استفاده می شود که بعد از تولید ب ه س طح

دیگری منتقل می شود.

و ولت اژ الک تریکی، ذراتPHدیکرسون و همکارانش دریافتند که می توان با تغی یر اکسید گرافن را به صورت فیلم ایجاد کرد. برای تولی د گ رافن دو راه برد متف اوت

8

ارائه شد. در یکی، ذرات اکسید گرافن ب ه ط ور انف رادی روی س طح نشس ت می کردند و در راهبرد دیگر ذرات به صورت کلونی نشس ت ک رده و گ رافن تولی د می شود. گرافن حاصل از راهبرد اول صاف تر بوده و آب روی آن پخش می شود، اما گرافن دوم سطح غیر یکنواختی داشته و آب روی آن می غلطد. گروه مذکور قص د دارد روی بهبود خواص سطحی این گرافن ها کار کن د ت ا خ واص آب دوس ت و آب

گریزی را در هر دو نوع سطح بهبو د بخشد.

از این گرافن ها در تولید فل ور گ رافن ک ه م اده ای ش بیه تفل ون اس ت، اس تفادهخواهد شد تا خواص دفع آب آن افزایش یابد.

افزایش خواص مکانیکی ک++امپوزیت ه++ای پلیم++ری ب++ا اس++تفاده از(6گرافن:

روش افزودن و درصد وزنی گرافن، با توجه ب ه اینک ه اف زودن آن از ی ک ح دی ب ه تشکیل صفحات روی یکدیگر منتج شده و در نهایت افزایش خواص مکانیکی زی ادی را در پی نداشته و در صورت گلوله ای شدن و به یکدیگر چسبیدن حتی باعث افت خ واص می ش ود، این نکت ه را تاکی د می نمای د ک ه چگ ونگی توزی ع آنه ا در رزین

بایستی بررسی و تحت کنترل انجام پذیرد. استفاده از درصدهای پ ایین ورق ه ای گ رافن در ک امپوزیت ب ه عن وان ی ک م زیت مطرح است و با توجه به سطح آزاد صفحات گرافن و تمایل به پیوند باال نسبت ب ه نانو لوله های کربنی )تعداد پیوندهای آزاد بیشتری دارد( معم وال هنگ ام اس تفاده از این م اده از درص دهای وزنی بس یار کم اس تفاده می گ ردد ت ا از گلول ه ش دن و

چسبیدن ذرات به یکدیگر جلوگیری شود. به عالوه با توجه به هزینه اولیه این نانو ذرات، استفاده از درصدهای پایین این مواد )نحوه توزیع( باعث اقتصادی تر شدن کاربرد آنه ا در ن انو ک امپوزیت ه ای پلیم ری

خواهد شد. با توجه به این که ورق گرافن به صورت صفحه ای در ک امپوزیت توزی ع می گ ردد، به نظر می رسد ورق م ذکور ب ا ک اهش دادن احتم ال ب روز ت ورق در ک امپوزیت،

باعث افزایش طول عمر آن شود. % درص د وزنی ورق گ رافن1در نمودار زیر مشاهده می گردد که تنها ب ا اف زایش

درص د اف زایش یافت ه45چند الیه ای، استحکام کششی رزین اپوکسی ب ه م یزان است.

منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه کامپوزیت

9

:ایجاد خاصیت مغناطیسی در گرافن

محققان دانشگاه منچستر موفق شدند با دستکاری در ساختار گرافن، در این م اده خاصیت مغناطیسی ایجادکنند. با این کار دامنه کاربرد گرافن در ص نعت الکترونی ک

افزایش می یابد.

آیا مواد آلی می توانند خاصیت مغناطیس ی داش ته باش ند؟ ی ک گ روه تحقیق اتی در دانشگاه منچستر نشان دادند که چنین چیزی امکان پذیر است. در مق اله ای ک ه این

به چاپ رساندند، نشان دادند که می توانNature Physicsگروه تحقیقاتی در نشریه گرافن را به صورت مغناطیسی درآورد.

گرافن ماده ای است ورقه ای به ضخامت یک اتم از جنس ک ربن ک ه دارای س اختار فنسی شکل است. در حالت دست نخورده، این ماده هیچ نش انه ای از مغناطیس ی بودن، نظیر آهن و نیک ل از خ ود نش ان نمی ده د. کس ی ک ه موف ق ب ه اثب ات این

ج ایزه نوب ل را ب ه خ ود اختص اص۲۰۱۰ویژگی قابل توجه گرافن گردیده در س ال داده است.

این تحقیقات که توسط ایرینا گریگورا و آن دره گیم ) یکی از دری افت کنن ده ج ایزهنوبل( انجام شده می توان برای آینده گرافن در صنعت الکترونیک حیاتی باشد.

محقق ان دانش گاه منچس تر از گ رافن غ یر مغناطیس ی اس تفاده کردن د ک ه م واد غیرمغناطیسی نظ یر فلوئ ور را روی آن ق رار داده بودن د. همچ نین از گرافن ه ایی استفاده کردند که تعدادی از اتم های کربن از س اختار آن زدوده ش ده ب ود. ب ه این فض اهای خ الی می ت وان م وادی اف زود ک ه در نه ایت س اختار گ رافن خاص یت

مغناطیسی نظیر آهن پیدا کند.

10

پژوهشگران دریافتند برای این که گرافن بتوانند خ واص مغناطیس ی پی دا کن د بای د نقص ه ای موج ود در آن از هم فاص له داش ته و مق ادیر آن بس یار کم باش د. اگ ر نقص ه ا در مج اورت هم باش ند آنگ اه روی هم تاثیرگذاش ته و خ واص مغناطیس ی یکدیگر را دفع می کنند. در مورد فضاهای خالی، اگ ر تع داد آنه ا در س اختار گ رافن

زیاد باشد موجب از هم پاشیدگی گرافن می شود.

گیم می گوید، مقدار مغناطیس مشاهده شده بسیار اندک است و با افزایش آن نیز نمی توان مقدار مغناطیسی شدن را به حدی افزایش داد که بتواند به روی فلز آهنی بچسبد. اما با این وجود الزم است ک ه ب دانیم چ ه چ یزی درب اره گ رافن امکانپ ذیر اس ت و چ ه چ یزی امکانپ ذیر نیس ت. پیش از این ن یز فعالیت ه ایی مب نی ب ر

مغناطیسی کردن مواد غیرمغناطیسی به نتایج نه چندان جالبی ختم شده بود.

از نتایج این یافته می توان در اسپینترونیک استفاده کرد، ادوات اسپینترونیک به وفور در زندگی روزمره استفاده می شود یکی از مهمترین کاربرده ای آن در دیس ک های س خت رای انه ای اس ت. عملک رد آنه ا ب ر مبن ای جفت ش دن جری ان الک تریکی و مغناطیسی است. با افزودن این ق ابلیت جدی د، می ت وان کاربرده ای گ رافن را در

صنعت الکترونیک گسترش داد.

به نقل از : ستاد ويژه توسعه فناوري نانو

کاربردهای بالقوه آن را به طور خالصه می توان چنین عنوان کرد:

ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وبسیار سریع با استفاده از(1گرافن

گروه تحقیقاتی دانشگاه منچستر یک ترانزیستور گرافنی یک ن انومتری س اخت ک ه ضخامت آن یک اتم و قطرش برابر ده اتم بود. عده ای پیش بینی ک رده بودن د ک ه ترانزیستورهای م ذکور ک ه از مش تقات گ رافن بودن د روزی ج ای س یلیکون را ب ه

عنوان پایه ی محاسبات آینده بگیرد.

به مدت چهل سال، یک قانون کلی به نام قانون مور بر محاس بات حکمفرم ا ب وده است. این قانون پیش بینی می کند که تقریب اً ه ر دو س ال، تع داد ترانزیس تورهای مورد استفاده روی تراشه ها دو برابر خواهد شد.با این وجود، س یلیکون ک ه ت ا ب ه حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زی ر ده ن انومتر س اختارهای پای داری

11

ندارد. جدیدترین تراشه های ام روز تنه ا چه ل و پنج ن انومتر ابع اد دارن د. بن ابراینوجود جایگزینی برای سیلیکون احساس می شود.

ای برخ وردارن و ب ه همین دلی ل ن امزدگرافن ها از خواص رسانش ی ف وق الع ادهنسل آینده ی ترانزیستورهای سرعت باال هستند

شرکت هایی مانند آی بی ام و نوکیا هم به آین ده گ رافن امی د بس ته اند. آی بی ام ی ک گیگاهرتزی تولید کرده است؛ در ح الی ک ه س ریع ترین ترانزیس تور150ترانزیستو

گیگاهرتز کار می کند.40سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس

به گفته دک تر ی و مین گ لین از آی بی ام، "در م ورد س رعت ترانزیس تورها، در ح ال حاضر هیچ مرزی برای حد نه ایی س رعت آنه ا وج ود ن دارد. هرچن د ب ه مش کالتی برخورده ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی کنم که مشکلی با خ واص گ رافن

داشته باشیم"

ذخیره بسیار متراکم داده ها(2

ی ک نمون ه حافظ ه ش بیه حافظه ه ای فلشRiseگروهی از پژوهش گران دانش گاه کنونی ساختند که مبتنی بر گرافن طراحی شده بود و عالوه ب ر این ک ه از چگ الی و

تراکم بیشتری برخوردار بود، اتالف حافظه کمتری داشت.

ذخیره انرژی(3

کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تالش ه ا ب رای اس تفاده از این  ماده جهت ساخت خازن های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتق ال جری ان الکتریس یته آغ از شده اس ت. هم اکن ون ن یز بعض ی از ش رکت هایی ک ه در س اخت محص والت الکترونیکی ویژه از نانولوله های کرب نی اس تفاده می کنن د، در ح ال روی آوردن ب ه گرافن هستند. نمونه ای از این محصوالت الکترونیکی وی ژه، لباس ه ایی هس تند ک ه می توان آن ها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آن ه ا ش ارژ ک رد. همچنین از ترکیب گرافن و آب ب رای ذخ یره ان رژی اس تفاده می کنن د. آب،س بب

12

خیس نگهداشتن گرافن )به شکل ژل( می شود ویک نیروی دافع ه می ان ورقه ه ای منفرد ایجاد کرده و با جلوگ یری از اتص ال دوب اره این ورقه ه ا ب ه یک دیگر، امک ان استفاده از این ماده را در کاربردهای واقعی ایجاد می کن د. ک ارایی ژل گراف نی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره سازی و هم از نظ ر زم ان

رهایش این بار بسیار بهتر از فناوری دیگرِ مبتنی بر کربن بود.

دکتر دان لی، استاد دانشکده مهندسی مواد دانشگاه موناش به هم راه همک ارانش روی گ رافن ک ار کرده ان د؛ این م اده می توان د مبن ایی ب رای تولی د نس ل بع دی سامانه های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد.وی می گوید: »اگر بت وانیم این م اده را به درستی دستکاری کنیم، به طور مثال آیفون شما می تواند در عرض چند ثانیه و ی ا

حتی کمتر شارژ شود«.

تجه++یزات ن++وری، س++لول های خورش++یدی و نمایش++گرهای لمس++ی(4انعطاف پذیر

گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اص لی گ رافن در این  است که می توان د ن ور و الکتریس یته را از خ ود عب ور ده د. این ویژگی ه ا در کن ار مزایایی مانند استحکام و انعطاف پذیری باعث می شود تا استفاده از آن به افزایش

بیانجامد، مضاف بر این ک ه در س اختLEDبازده سلول های خورشیدی و المپ های تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای لمسی، نوریاب ها و لیزرهای فوق س ریع

نیز سودمند خواهد بود.

13

سامس ونگ ب ا همک اری دانش گاه س انگ کیون کوان ک ره جن وبی، بیش ترین سرمایه گذاری را بر روی تحقیقات گرافن انجام داده است. این شرکت توانسته یک

اینچی را با استفاده از همین فناوری تولی د کن د و25نمایشگر لمسی انعطاف پذیر قصد دارد طی پنج سال آینده ده ها محصول تجاری دیگر با استفاده از گرافن تولی د

کند

استفاده از گرافن در تولید نازک ترین جامه نامرئی (5

جامه ن امرئی یکی از فناوری ه ای اس ت ک ه می توان د در حوزه ه ای مختل ف م ورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران دریافته اند که ب ا اس تفاده از گ رافن، می ت وان این البسه را تا حد بسیار زیادی نازک کرد. با این کار طیف کاربرد این فناوری اف زایش

محسوسی می یابد.

محققان دریافتند که حتی یک الی ه اتمی از گ رافن می توان د خ واص ف وق ال ذکر را داشته باشد. برای این کار از سطوح دارای فرکانس مناسب، یعنی سطوح رسانا با الگوهای مناسب، استفاده شد ک ه ب ا این ک ار مق اومت م وثر س طح به ک ار گرفت ه می شود. یکی دیگر از مزایای جامه گرافنی آن است ک ه می ت وان مق اومت س طح موثر آن را در لحظه تنظیم ک رد. ب ا این ک ار می ت وان ج امع قاب ل س وئیچ و قاب ل

تنظیم تولید نمود.

استفاده از گرافن برای کاهش زمان شارژباتری ها(6

افزودن مقدار کمی گرافن به مواد موجود در باتری می تواند زمان ش ارژ ب اتری را به ش دت ک اهش ده د.باتری ه ای جدی دی ک ه در گ روه ان رژی در آزمایش گاه ملی

Pacific Northwest و شرکت Vorbeck Materialتهی ه ش ده، می توان د زم ان ش ارژ خودرو ها و ادوات الک ترونیکی و ح تی تلفن ه ای هم راه را از چن د س اعت ب ه چن د

دقیقه کاهش دهد.

محققان این پروژه ثابت کردند که افزودن مقدار کمی از گ رافن می توان د پای داری چرخه ای و توان باتری های یون لیتیم را به شدت افزایش ده د، این در ح الی اس ت که این مسئله تأثیری روی ظرفیت ذخیره سازی انرژی که در این باتری ها باالست ندارد. نتایج این پروژه منجر به تولید باتری هایی می شود که مقدار زیادی ان رژی را

در خود ذخیره کرده، خیلی سریع شارژ می شوند.

14

ساعت ط ول می کش د ت ا ک امالً ش ارژ5 تا 2هم اکنون، باتری های تلفن همراه بین دقیق ه10شوند؛ اما باتری های جدیدیکه حاوی گ رافن اس ت، می توان د در کم تر از

شارژ شوند

فیزیک ذرات پرانرژی(7

ران یز خش نود خواه دCERNگرافن ماده ای است که پژوهشگران مرکز تحقیق اتی  ک رد. زی را اس تفاده از این م اده، مطالع ه ذرات کوانت ومی در س رعت های ب اال را ساده تر خواهد کرد. با توجه به این که گرافن فقط دو بعد دارد، الکترون ها می توانند

تقریباً بدون وجود مقاومت در ساختار مشبک آن حرکت کنند.

اظهارات متخصصان و پژوهش گران ح اکی از آن اس ت ک ه محص والت گراف نی ت ا صنعتی شدن فاصله زیادی ندارند. به هر حال، همگام ب ا اف زایش نیازه ای علمی و محاسباتی مواد جدیدی پا به عرص ه می گذارن د ک ه اس تفاده از آن ه ا می توان د بین

عرضه و تقاضا تعادل ایجاد کند.

مشکالت گرافن :

گرافن ماده ای است که از ورقه های مسطح ک ربن س اخته می ش ود و آرایش آن مثل النه ی زنبور می باش د. در این م اده الکترونه ا می توانن د ب ه ص ورت مج ازی

برابر سریعتر از الکترونهای حاضر در سیلیکون حرکت کنند ب ه همین علت ب ه100 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.

برخالف سیلیکون، گرافن فاق د بان د گپ الک ترونیکی اس ت. بان د گپ ب ه مح دوده ان رژی گفت ه می ش ود ک ه توس ط الکترون ه ا اش غال نش ده و ب رای کاربرده ای الکترونیکی حائز اهمیت است. ایجاد یک باندگپ در محدوده انرژی الکترونی گرافن

یک پیش نیاز ضروری برای به کارگیری گرافن در ترانزیستورها است.

15

به رغم موج فعلی پیشرفت، سرمایه گذاری و توجه رسانه ای، خیلی از پژوهشگران چنین اطمینانی به گرافن ندارند. برخی از آنها مطمئنند که گرافن هم ه خواص ی را

را که یکband gap که از آن انتظار می رود، در خود ندارد.این ماده به خودی خود، ویژگی حیاتی برای کاربردهای الکترونیکی است، ن دارد. )ب ه این مع نی ک ه گ رافن نمی توان د رس انایی الک تریکی را متوق ف کن د و »خ اموش ش ود«( بن ابراین چ ون گرافن فاقد باند گپ اس ت نمی ت وان از آن به عن وان س وئیچ ک ه ب رای کاربرده ای الک ترونیکی الزم اس ت، اس تفاده ک رد. درح الی ک ه در س یلیکون کلی د روش ن و

کند، یعنیخاموش )رسانش و عدم رسانش در جهات مختلف( بسیار دقیق عمل می ب رای اس تفاده مقدار رسانش آن در حالت روشن، نسبت به خاموش آن باالس ت.

از گرافن در ترانزیستورها، بای د ی ک ش کاف ان رژی در طی ف ان رژی الک ترونی آن ایجاد کرد. در اینجا مهندسان وارد عمل می شوند. محققان دریافته اند که فش ارهای محلی در ورقه گ رافن می توان د خ واص ه دایت آن را تغی یر ده د. ب ا تغی یر فش ار

محلی، شکاف انتقال می تواند ایجاد شود.

( راهی برای نشان دادن ان رژی الکترون ه اbandدر فیزیک حالت جامد، تئوری باند ) در یک ماده ی داده شده است. در نیمه هادی ها فض اهای ب دون الک ترون بین بان دها

band)رسانش و ظرفیت(وجود دارند که به آن ها باند گپ ) gapمی گوین د. اگ ر آن ) گپ خیلی بزرگ یا خیلی کوچک نباشد، برخی از الکترون ها می توانند ب ه داخ ل گپ بپرند و این موضوع درجه ی باالتری از کنترل الکترون در رابطه ب ا رفت ار الک تریکی آن م اده را مهی ا خواه د ک رد ک ه درنتیج ه، خ اموش و روش ن ک ردن ترانزیس تور آسان تر می شود. روش ه ایی ب رای ایج اد بان د گپ ارائ ه ش ده اس ت ام ا ه ر ی ک مشکالتی داشته اند. همان طورکه گفتیم محققان روشی ارائه کرده ان د ک ه در عین

ساده بودن قادر است شکاف هایی قابل تنظیم در ساختار گرافن ایجاد کند.

16

band این م اده ب ه خ ودی خ ود، gapرا ک ه ی ک وی ژگی حی اتی ب رای کاربرده ای الکترونیکی است، ندارد

برای این منظور محققان وارد عمل شدند. آنها دریافتند که فش ارهای منطقه ای در گرافن می تواند خواص هدایت را در این ماده تغییر دهد. با تغی یر این فش ارها، بان د گپ گرافن دستخوش تغییر می گ ردد. مهندس ی فش ار، یکی از راهبرده ای رایج در صنعت نیمه هادی ها است. در حال حاضر راه های متعددی برای ایجاد یک فشار قابل کنترل به گرافن شناخته شده است. برخی از این راه ها عبارتند از، مورفولوژی های فشار مانند چروک ها در گرافن تمیز معلق در یک محل ول، بالون ه ای گراف نی روی

بستر الگودار و سوپر شبکه های فشاری گرافنی روی بستر شبکه ای نامنطبق. مشکل دیگردانشمندان این است که این خ واص »ج ادویی« تنه ا در مقی اس خیلی کوچک دیده شده اند. در نتیجه به رغم اینکه گرافن در مقیاس کوچک خیلی محکم تر از ف والد تق ویت ش ده اس ت، بای د در م ورد ادعاهایم ان محت اط باش یم. بای د محدودیت های گرافن را درک کنیم. و در تالش باشیم تا کاربردهای خاص ی رابی ابیم

تا بتوانیم از آن خواص استفاده کنیم.