آیا میدانستید که ورقه دوبعدی «گرافِن» میتواند وزن یک فیل را تحمل کند؟! این ماده شگفتانگیز؛ محققان، صنایع و نوآوران را مجذوب خود کرده و آنرا از یک شگفتیِ آزمایشگاهی به نیرویِ تغییردهنده بازی برای فناوری و تولید سوق داده است. این دادهنما که با حمایتِ HydroGraph (تولیدکننده ممتاز اینمحصولِ که یکی از آلوتروپهایِ کربن است)، ویژگیهای برجسته «گرافِن»، طیفی متنوع از انواع و کاربردهایش، همراه با چشماندازِ تجاری امیدوارکننده این ماده را ارائه میدهد. اگر مهندسان شیمی و علم مواد، قرن 20 را «قرن پلاستیک» بنامند، بیشک پادشاهیِ موادِ نوظهورِ قرن 21، به Graphene میرسد. یک ماده تازهکشفشده بهشکل لانهزنبوری که ضخامتی بهاندازه یک اتم دارد! احتمالاً در منابع علمی، آنرا با القابی نظیرِ سبکترین، قویترین، نازکترین، بهترین هادی حرارتی و الکتریکی و ... شناختهاید؛ اما واقعاً «گرافِن» چیست؟
کاشفان یک پدیده
22 اکتبر سال 2004 بود که «آندره کنستانتینوویچ گایم» (۱۹۵۸؛ فیزیکدان هلندی متولد روسیه) و «کنستانتین سرگویچ نووسلف» (1974؛ فیزیکدان انگلیسی-روسی) نتایج یافتههای خود را در نشریه Science منتشر کردند؛ کشف آنها که روشی ساده برای جداسازی لایههای اتمی منفرد گرافیت بود و باعنوانِ «گرافِن» معرفی شد؛ حاصل یک تلاش جمعیِ بههمراهیِ محققان «دانشگاه منچستر» و IMT بود. این دونفر در سال ۲۰۱۰ بهطور اشتراکی برنده «جایزه نوبل فیزیک» شدند.
تعریفِ ساده یک ساختار پیچیده
دو ساختار مختلف «الوتروپ» (Allotrope) از «کربن»؛ یعنی «گرافیت» (نرم و سیاهرنگ در مداد) و «الماس» (سخت و درخشان در جواهرات)، نامهایی آشنا برای عموم هستند؛ اما احتمالاً افراد کمی از این حقیقت آگاهاند که این دو چیز کاملاً متفاوت، از اتمهای یکسان ساخته شدهاند؟ تفاوتی ناشی از چینش اتمها. جدا از «گرافیت» و «الماس»، دانشمندان البته انواع مختلفی از ساختارهای کربنی را با ویژگیهای جالبتوجه توسعه دادهاند: «فولرن» و «نانولولههای کربنی» ازآنجملهاند. «گرافِن» را باید آخریننمونه (فعلاً) ازایندست خواند. «گرافِن» چیزی جز یکلایه «گرافیت» نیست؛ لایهای نازک بهضخامت یک اتم! که ساختاری دوبعدی دارد و هر لایهاش، از حلقههای کربنیِ ششوجهی ساخته شدهاند و اینگونه، ساختاری لانهزنبوری را پدید میآورند. در وصف نازکبودنِ آن، همینقدر بگوییم که اگر شما بخواهید ساختاری گرافِنی با قطر حدود یکمیلیمتر بسازید، نیاز به سهمیلیون لایه «گرافِن» دارید!
10 مزیت رقابتی برای حضور در بازار
امروزه دانشمندان روی مواد مختلف برپایه ساختار «گرافِن» تحقیق میکنند. انتظار میرود روزی کلمه «ساختار گرافِنی» همانند کلمه «پلاستیکی» که اشاره به انواع مختلف ساختارهای پلاستیکی دارد، برای طیف وسیعی از «مواد گرافِنی» بهکار رود. سادهاش اینکه: بسیارمحکم و نازک، بسیارسبک، تقریباً شفاف؛ و هادی حرارتی و الکتریکی بسیارخوبی بوده و ویژگیهایی خاص در علم الکترونیک نیز دارد. ذینفعان صنعت، برای خواص بینظیرِ این ماده دوبعدی، ارزش بسیاری قائلاند. «شورای گرافِن» (GC) یک نظرسنجی انجام داد و از پاسخدهندگان پرسید: ویژگیهای آن، چقدر برایشان اهمیت دارد؟ آنها اینگونه پاسخ دادند (اعداد به نزدیکترین مضربِ پنج، گِرد شدهاند):
1. رساناییِ الکتریکی: 50درصد
2. رساناییِ حرارتی: 30درصد
3. ذخیرهسازی شارژ الکتریکی: 30درصد
4. چقرمگی: 30درصد
5. استحکام کششی: 30درصد
6. مقاومت در برابر خوردگی: 30درصد
7. خواص حفاظتی: 25درصد
8. مقاومت خمشی: 20درصد
9. محافظت در برابر اشعه ماوراءبنفش: 20درصد
10. پیشگیرنده شعله: 20درصد
این ویژگیهایِ استثنایی، «مزیت رقابتی» را برایش ایجاد و به افزایش تقاضای آن کمک میکند.
پرتقاضاترین انواع «گرافِن»
محصولات مختلف، بهاشکال مختلف «گرافِن»؛ فراتر از ساختار ورقهای یکلایه آن نیاز دارند.
اکسید گرافِن: مدلی که توسط اکسیژن اصلاح شده تا قابلیت پخش و مخلوطشدنش را افزایش دهد. ایننوع، در مواردی مانند جوهرهای رسانا و دارورسانی استفاده میشود.
نانوپلاکتهای گرافِن: ساختارهاییاند که از چندینلایه ورقههای «گرافِن» دوبعدی که رویهم چیده شدهاند، تشکیل شده و معمولاً در مواد ساختاری و مبدلهای صدا استفاده میشوند.
گرافِن تک و دولایه: از یک یا دولایه ورقههای «گرافِن» تشکیل شدهاند و میتوانند برای صفحهنمایش انعطافپذیر، دستگاههای ذخیرهسازی انرژی و سیستمهای تصفیه آب مفید باشند.
انواع دیگر شامل «نانوروبان» (نوارهایی با اندازه نانو)، «نقطه کوانتومی» (قطعاتی با اثرات کوانتومی) و «نانولوله» (ورقهای تایلشده) است. انتظار میرود «اکسید گرافِن» تا سال 2030 بالاترین تقاضای تجاری را داشته باشد. طبق گزارش Global Market Insights؛ دراینجا سهم بازار هرنوع عمده آورده شده است:
اکسید گرافِن: 44.3درصد
نانوپلاکتهای گرافِن: 32.7درصد
گرافِن تک و دولایه: 14.5درصد
سایر موارد: 8.5درصد
انواع «گرافِن»
محصولات مختلف، بهاشکالِ مختلف «گرافِن»؛ فراتر از ساختار ورقهای تکلایه آن نیاز دارند. دقت کنید که انواع مختلف، بعضاً در کاربردهایی مشابه، همپوشانی دارند.
نانوپلاکتهای گرافِن
ساختارهاییاند که از چندینلایه ورقههای «گرافِن» دوبعدی که رویهم چیده شدهاند، تشکیل شده و معمولاً در مواد ساختاری و مبدلهای صدا استفاده میشوند.
اکسید گرافِن
مدلی که توسط اکسیژن اصلاح شده تا قابلیت پخش و مخلوطشدن را افزایش دهد؛ و در مواردی مانند جوهرهای رسانا و دارورسانی استفاده میشود.
گرافِن تک و دولایه
از یک یا دولایه ورقه «گرافِن» تشکیل شدهاند و میتوانند برای صفحهنمایش انعطافپذیر، دستگاههای ذخیرهسازی انرژی و سیستمهای تصفیه آب مفید باشند.
نقطهعطفهای تاریخی در مسیر
مسیر «گرافِن» از کشف تا تجاریسازی؛ مملو از نوآوریست و چشمانداز پیشرفتِ آن از حالا احساس میشود. بهادعای Research and Markets؛ متعادلکردن منحنیهای تقاضا و عرضه برای جلوگیری از کمبود تا 2033 مهم است. برای یکنواختکردن عرضهوتقاضا، ظرفیت تولید بیشتری برای «گرافِن» موردنیاز است که راه را برای شرکتها و سرمایهگذاران آینده دراینفضا هموار میکند.
1859 - تلاشهای پراکنده برای مطالعه «گرافِن»
1947 - مطالعه نظری درمورد خواص الکتریکی «گرافِن»
2004 - جداسازی «گرافِن» تکلایه و کشف خواص منحصربهفرد آن
2010 - شروع آزمایشهای تحقیق و توسعه صنایع تجاری
2013 - راهاندازی پروژه پرچمدار «گرافِن» اتحادیه اروپا؛ ابتکار تحقیقاتی یکمیلیاردیورویی
2014 - ظهور محصولات مصرفی حاوی «گرافِن»
2016 - ظهور تولیدکنندگان با ظرفیت چندتُنی
2018 - تأیید «گرافِن» توسط شرکتهای شیمیایی تخصصی در مواد آنها
2019 - ترکیب مواد تقویتشده با «گرافِن» توسط شرکت «فوردموتور» در وسایلنقلیه
2020 - ایجاد اولین مزرعه خورشیدی مجهز به «گرافِن» با تولید انبوه در جهان ازطریق مزرعه خورشیدی پروژه Spearhead
2022 - پیشرفت در کنترل نقص و عملکرد
2025-پذیرش کامل تجاری در صنایع مختلف
2027-تبدیل «گرافِن» به ماده افزودنی استاندارد برای کامپوزیتها، لاستیک، پلاستیک، رنگ و ...
2030- ازدُورخارجکردن مواد قدیمی و جایگزینیِ «گرافِن»
مصطفی رفعت