ما هو الجرافين؟

الجرافين مادة لها خصائص عديدة قادرة على إحداث ثورة في التكنولوجيا

الجرافين

صورة OpenClipart-Vectors في Pixabay

الجرافين مادة تتكون من طبقة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون مرتبة في هياكل سداسية ، وارتفاعها يعادل ارتفاع الذرة. يمكن إنتاج هذه المادة عن طريق استخراج الطبقات السطحية من الجرافيت ، وهو معدن وفير على الأرض وواحد من أكثر المتآصلات شيوعًا للكربون.

الروابط الكيميائية وسمك الجرافين مسؤولان عن العديد من الخصائص المهمة لهذا العنصر ، مثل المقاومة الميكانيكية والتوصيلات الحرارية والكهربائية. جذبت هذه الميزات العلماء وصناعة التكنولوجيا بسبب إمكانيات استخدامها اللانهائية.

اكتشاف الجرافين

تم اكتشاف الجرافين المستقر ثنائي الأبعاد بالصدفة في عام 2004 من قبل الفيزيائيين الروس أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف. حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010. ومع ذلك ، فإن وجود تآصل الكربون هذا معروف منذ عام 1930.

خصائص الجرافين

يحتوي الجرافين على العديد من الخصائص التي تجعله مادة لها العديد من التطبيقات التكنولوجية. تعرف على الخصائص الرئيسية لهذا التآصل.

الخواص الميكانيكية

الجرافين هو أقوى مادة معروفة على الإطلاق. تنبع هذه المقاومة من الروابط القوية المتكونة بين ذرات الكربون. المواد المستخدمة على نطاق واسع في البناء المدني ، مثل الصلب ، لا تتحمل سوى ثلث هذا الضغط.

خاصية أخرى مثيرة للاهتمام للجرافين هي معامل يونغ المرتفع ، مما يشير إلى أنه بالإضافة إلى كونه مقاومًا ، فإن هذه المادة مرنة جدًا. وبالتالي ، فهي قادرة على العودة إلى حجمها الأصلي بسهولة نسبية.

المساحات الصغيرة لكل سداسي كربون مسؤولة عن عدم نفاذية الجرافين ، والتي يمكن استخدامها كشبكة صغيرة قادرة على احتجاز الغازات التي تتسرب بسهولة من حاوياتها ، مثل غاز الهيدروجين. بالإضافة إلى كونه شديد المقاومة ، فإن الجرافين خفيف جدًا: كثافته 0.77 جم / م 2 ، وبعبارة أخرى ، أخف بحوالي ألف مرة من ورقة.

الخواص الكهربائية

يمكن للإلكترونات أن تنتشر عبر الجرافين بحرية تقريبًا دون التعرض للانحراف أو الاصطدامات. بسبب البنية السداسية للروابط الكربونية ، تتحرك الإلكترونات داخل هذه الطبقات الرقيقة بسرعات نسبية ، أي قريبة من سرعة الضوء.

في درجة حرارة الغرفة ، تكون المقاومة الكهربائية للجرافين هي الأدنى. وبالتالي ، يمكن اعتبار هذا العنصر أفضل موصل معدني.

الخواص البصرية

من خلال السماح بمرور 97.5٪ من الضوء الساقط ، يكون الجرافين غير مرئي للعين المجردة. ينشأ هذا السلوك البصري من الخصائص النسبية للإلكترونات في الجرافين. هذا يعني أنه من خلال تكديس عدة أوراق من الجرافين ، من الممكن إنتاج جسم أسود تمامًا ، قادر على امتصاص كل الإشعاع الساقط عليه تقريبًا.

الخصائص الحرارية

نظرًا لخصائصه الكهربائية ، يعد الجرافين موصلًا حراريًا ممتازًا. هذه المادة قادرة على تبديد الحرارة بشكل أسرع من أي مادة معروفة. علاوة على ذلك ، تشير بعض الدراسات إلى أن درجة حرارة انصهارها تبلغ 3851 درجة مئوية.

لذلك ، فإن الخصائص والخصائص الرئيسية للجرافين هي:

  • إنها رقيقة للغاية: إنها سماكة الذرة.
  • إنه شديد المقاومة: أقوى بحوالي 200 مرة من الفولاذ ؛
  • إنها مرنة.
  • إنه مقاوم للماء
  • إنه شفاف: ينقل حوالي 97.5٪ من أشعة الضوء ؛
  • لديها موصلية حرارية وكهربائية عالية: فهي توصل طاقة كهربائية أسرع 100 مرة من النحاس. أظهرت الدراسات أيضًا أن السرعة التي تنتقل بها الإلكترونات عبر الجرافين هي 1000 كم / ثانية (60 مرة أسرع من السيليكون) ؛
  • لديها صلابة عالية
  • لها تأثير جول أقل: تفقد طاقة أقل على شكل حرارة عند توصيل الإلكترونات.

تطبيقات الجرافين

نظرًا لخصائصه وخصائصه ، يعد الجرافين أحد أكثر المواد الواعدة المعروفة. تطبيقاتها التكنولوجية واسعة ، لكنها محدودة بالقدرة على إنتاج هذه المواد على نطاق واسع. الأجهزة مثل شاشات LED القابلة للطي ، والخلايا الكهروضوئية ، والترانزستورات الأكثر كفاءة ، والمكثفات الفائقة ، والمشتتات الحرارية ، وبطاريات الهواتف المحمولة الفائقة هي بعض الأمثلة على التقنيات التي تم تطويرها باستخدام الجرافين.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق الجرافين في مجالات أخرى للدراسة ، مثل:

مياه صالحة للشرب

الأغشية المكونة من الجرافين قادرة على تحلية وتنقية مياه البحر

انبعاثات CO2

مرشحات الجرافين قادرة على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عن طريق فصل الغازات الناتجة عن الصناعات والشركات

الكشف عن المرض

تعتمد المستشعرات الطبية الحيوية الأسرع بكثير على الجرافين ويمكنها اكتشاف الأمراض والفيروسات والسموم الأخرى.

بناء

تصبح مواد البناء مثل الخرسانة والألمنيوم أخف وزنا وأقوى مع إضافة الجرافين

جماليات

يدوم صبغ الشعر عن طريق رش الجرافين حتى 30 غسلة

الأجهزة الدقيقة

رقائق أصغر وأقوى بسبب استبدال السيليكون بالجرافين

طاقة

تتمتع الخلايا الشمسية بمرونة أفضل وشفافية أكبر وتكاليف إنتاج أقل باستخدام الجرافين

إلكترونيات

بطاريات بتخزين طاقة أفضل وأسرع

إمكانية التنقل

يمكن أن تحتوي الدراجات على إطارات وإطارات أقوى تزن 350 جرامًا باستخدام الجرافين

من بين الدراسات المتعلقة بالجرافين ، تبرز تلك التي تنطوي على تطوير كبلات نقل بيانات جديدة للإنترنت. بحسب استطلاع نشرته المجلة التواصل مع الطبيعة، الفكرة هي الاستفادة من كل السرعة التي تصل إليها الإلكترونات في الجرافين - تتحرك الخلايا فيه أسرع بمئات المرات من الكابلات المستخدمة حاليًا.

أهمية الجرافين للبرازيل

البرازيل هي جزء من السباق التكنولوجي في البحث عن طرق أرخص وأكثر كفاءة لإنتاج الجرافين. وفقًا للتقرير الصادر عن الإدارة الوطنية للإنتاج المعدني (DNPM) ، يجب أن يكون سوق الجرافين واحدًا من أكثر الأسواق ربحية في العالم ، مع إمكانية الوصول إلى تريليون دولار في 10 سنوات. بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك البرازيل أكبر احتياطيات من الجرافين في العالم.

سعر الجرافين

نظرًا لوسائله المعقدة للحصول عليه ، لا يزال سعر الجرافين مرتفعًا. تعمل أحدث التقنيات التي تسمح بإنتاج طبقات نقية ورقيقة من هذه المادة بترسيب البخار على ركائز معدنية ، مثل صفائح النحاس.

حاليًا ، يمكن أن تكلف ورقة من الجرافين مقاس 2.08 سم × 1.54 سم ما يصل إلى 275 دولارًا: بمتوسط ​​21 دولارًا لكل بوصة مربعة. ومع ذلك ، يمكن لعوامل مثل الشوائب وعدم التناسق أن تقلل هذا السعر بشكل كبير. يمكن أيضًا الحصول على الجرافين من الجرافيت: باستخدام كيلوغرام واحد من الجرافيت ، والذي يكلف دولارًا واحدًا تقريبًا ، من الممكن إنتاج 150 جرامًا من الجرافين ، والتي تتجاوز قيمتها 15 ألف دولار.

الفضول حول الجرافين

  • خصص مشروع الجرافين الرائد ، من الاتحاد الأوروبي ، حوالي 1.3 مليار يورو للبحوث المتعلقة بالجرافين والتطبيقات وتطوير الإنتاج على نطاق صناعي. إجمالاً ، تشارك 150 مؤسسة من 23 دولة في هذا المشروع.
  • الحقيبة الأولى التي تم تطويرها للسفر إلى الفضاء تحتوي على الجرافين في تكوينها. ومن المقرر إطلاقه في عام 2033 ، عندما تخطط ناسا للقيام ببعثات إلى المريخ.
  • البوروفين هو المنافس الجديد للجرافين. يُنظر إلى هذه المادة ، التي تم اكتشافها في عام 2015 ، على أنها نسخة محسنة من الجرافين ، فهي أكثر مرونة ومقاومة وموصلية.

عمليات الحصول على الجرافين وتطبيقاته وأهميته للبرازيل


$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found