ما هي مادة الجرافين واستخداماتها واكتشافها .

ما هي مادة الجرافين وإستخداماتها وإكتشافها .

الجرافين Graphene هي مادة تم إكتشافها حديثاً في عام 2004 وجذبت إنتباه كل العلماء بسبب خصائصها المميزة لها والتي لا يوجد مثلها ولها دور في تغيير المستقبل وتغير العالم فإن لها خصائص فائقة في التوصيل للكهرباء ولها طيف موجي شديد الإضاءة فتستخدم في كثير من الصناعات المستقبلية مثل النانو جرافين وبطاريات الجرافين والحواسيب أيضاً فهي فائقة التوصيل عن السيليكون.

الغرافين (Graphene):

مادة الجرافين هي مادة من أصل الكربون، والغرافين مادة مكونة من طبقة وحيدة من ذرات الكربون، مرتبطة مع بعضها البعض على شكل أنماط سداسية متكررة، ذات سمك ذرة كربون واحدة أي انها أصغر سمكاً من الورقة بمليون مرة لذلك هي أرفع مادة معروفة علي الإطلاق حتي الأن، وبما أنها تتكون من شكل بلوري ذات صف واحد من الذرات فتعتبر ثنائية الأبعاد فتشبه قرص العسل.

علي الرغم من رقتها فإنها متينة للغاية قال البروفسور جيمس هون من قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة كولومبيا: "إنه قوي إلى درجة أنك بحاجة لوجود فيل متوازن فوق قلم رصاص حتي تستطيع اختراق صفيحة من الغرافين بسماكة كيس حافظ".
الجرافين مادة غير مماسية فحتي ذرة الهيليوم تكاد لا تستطيع العبور من خلال هيكلها السداسي.

الغرافين المثالي يكون على هيئة سداسية لكن عيوب التصنيع ربما تخلفه إلى هيئة خماسية أو سباعية ، يعد تصنيع الغرافين على هيئة سداسية مستوية أمرا عسيرا وباهظا، حيث تكلف عينة بحجم شعرة الرأس 1000 دولار امريكي .

خصائص الجرافين :

• تنكمش بالحرارة وتتمدد بالبرودة فهي عكس كل المواد المعروفة التي تنكمش بالبرودة وتتمدد بالحرارة.

• فائقة التوصيل للحرارة فكفاءتها ذات كفاءة النحاس .

• يسهل إجراء تعديلات عليها بخطوة واحدة فقط، بحيث تصبح أفضل أشباه الموصلات، وتحل محل السيليكون.

• أفضل موصل حرارة علي الإطلاق .

• تعتبر هذه المادة هجين الكتروني، إذ أن تهجين أفلاكها من النوع sp2، وتكون هذه المادة على شكل صفيحة بعرض ذرة واحدة وطول 50 ذرة.

• تعتبر مادة قوية جدا جرّاء نمطها غير القابل للتحطيم والروابط القوية بين ذرات الكربون، وحتى عندما تتمدد أجزاء من الغرافين، فإنها تبقى أقوى المواد التي نعرف بوجودها.

• تلك الروابط القوية الموجودة بين ذرات الكربون هي روابط مرنة جداً أيضاً؛ إذ يُمكن سحب وحني صفيحة الغرافين إلى حدود معينة دون أن تتحطم، مما يعني أن الغرافين مادة قابلة للحني وللتمديد.

• الجرافين شفاف للغاية فهو يمتص 2.3% من الضوء المرئي الذي يصدم سطحه، مما يعني أنه بإمكانك الرؤية عبر هذه المادة دون أن تواجه أي وهج.

• الجرافين مادة غير مماسية ولكن يمكن صنع نوع منها يقوم بتنقية مياه البحر أو المياه الملوثة فتسمح بمرور جزئ الماء فقد .

استخدامات وتطبيقات الجرافين :

الجرافين المادة المثالية للتقنيات المستقبلية ، رغم أن تلك المادة أمامها وقت طويل قبل الوصول إلى أيدي المستهلكين، من المؤكد أنها ستؤثر إيجابا على تطوير نوعيات متنوعة من الأجهزة الحديثة.

في البطاريات:

حيث يؤكد باحثون في العديد من الجامعات الغربية أن الجرافين قد يحل مشكلة إعادة شحن البطاريات لما يمتاز به من سرعة في إعادة الشحن، كما أن البطاريات التي سيدخل في تصنيعها ستكون أشد قدرة على الصمود، ومن المتوقع أن يسهم في إعادة شحن البطارية في عشرين ثانية، وفي توفير تسعين بالمئة من طاقتها.

في الدوائر الكهربية للحواسيب:

حيث هناك عدة تجارب في جامعة هارفارد الأمريكية لإستخدام الجرافين في تصميم الشبكات الكهربائية في الحواسيب، وقد يستبدل شرائح السليكون المستخدمة في تصنيع الحواسيب لاحقا.

في الهواتف:

حيث قد يمنح الجرافين للجوالات الذكية مزيدا من الصلابة ومقاومة الكسر، وهذا قد يدعم الجهود المبذولة في سبيل تطوير جوالات ذكية مرنة ، ومن الممكن صناعة هواتف قابلة للطي من الجرافين فهو مادة شديدة الصلابة ومرنة.

في الطاقة:

حيث قد يسهم الجرافين أيضا في تطوير خلايا شمسية عالية الطاقة، حيث من الممكن استخدامه في تحويل الطاقة الشمسية إلي طاقة مشغِّلة للأجهزة الإلكترونية، إلا أن تكلفة ذلك ستكون عالية.


قد يستخدم الجرافين في صناعة مصعد للفضاء وهذه الفكرة غريبة بعض الشئ ولكن هو المادة الأمثل لهذه الفكرة حيث أنه صلب للغاية ولا يسمح بمرور الذرات خلاله وخفيف الوزن فيسهل تكوين مصعد للفضاء مجوف من الداخل من الجرافين.

لقد خصص الإتحاد الاوروبي 1.3 مليار دولار لبحث يفترض أن يستمر لمدة عقد كام (2013:2023) ،ويهدف هذا البحث لمعرفة  لمعرفة كيف  سيؤثر الجرافين علي مجالات الإلكترونيات والصحة والبناء والطاقة .

الجرافين والسرطان:

اكتشف علماء جامعة مانشستر، أن أكسيد الغرافين قادر على تدمير الخلايا الجذعية السرطانية، ومنع تكاثرها، وليست له أعراض جانبية كبيرة كالتي تنتج عن طرق العلاج المستخدمة حاليا.

يقول البروفيسورليسانتي: "الخلايا الجذعية السرطانية هي بداية لكثير من الخلايا السرطانية، وهي التي تسبب الانتشار، الذي عادة ما يؤدي في 90 بالمائة من الحالات إلى الوفاة. كما أن الخلايا الجذعية السرطانية يمكن أن تسبب عودة المرض من جديد بعد العلاج، لأن العلاج الكيميائي لا يؤثر في هذه الخلايا".

يقول العالم أرافيند فيجايراغافان: "لقد اندهشنا عندما اكتشفنا أن للغرافين خواصا مضادة للسرطان"، وأضاف: "الخلايا الجذعية السرطانية تتكاثر لتشكل ما نسميه الورم.. وقد شاهدنا كيف أن رقائق الغرافين منعت الخلايا الجذعية السرطانية من تشكيل الورم".

اختبر العلماء أكسيد الغرافين على أنواع من الأورام السرطانية، واكتشفوا أن رقائق الغرافين تدمر الخلايا الجذعية السرطانية وتمنعها من تشكيل الأورام في كافة الأنواع  أي أن هذه الطريقة يمكن أن تستخدم في علاج مختلف أنواع الأورام السرطانية.

موضوع ذات صلة
الجرافين مادة لعلاج السرطان

إكتشاف مادة الجرافين :

تم إكتشاف مادة الجرافين في جامعة مانشستر علي يد الاستاذ  أندريه جيم و الدكتور قسطنطين نوفوسيلوف عندما كانا يدرسان كفاءة الجرافيت كترانزستور ويقال أنهما اكتشفا الجرافين بفضل شريط لاصق حيث قاما بلصقه علي قطعة من الجرافيت ، ثم نزعه للحصول علي طبقة واحدة من المادة فطورا هذه المادة لتصبح الجرافين الذي عليه الأن .

 مادة الجرافيت عبارة عن طبقات جرافين متراصة فوق بعضها ،والجرافيت هي المادة الخام للجرافين وتحتوي سمك مادة الجرافيت حوالي 3 مليون طبقة جرافين ، ويتم إستخدامها في صناعة الأقلام الرصاص .

في عام 2010 فازا بجائزة نوبل في الفيزياء بسبب ذلك الأكتشاف.

في عام 2018 نجح علماء من منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية باستراليا في تحلية مياه البحر وجعلها صاحة للشرب بعد تمريرها مرة واحدة فقط علي صيغة معينة من الجرافين تدعي جرافير(GRAPHAIR)،وقال الباحث دونج هنسي أن هذه التقنية يمكنها أن تجعل أي مياه صالحة للشرب مهما كانت ملوثة.

صناعة الجرافين :

في البداية كانت عملية إنتاج الجرافين مبهظة الثمن حبث كان يكلف صنع 2جرام 1100 دولار أمريكي نلكن بنهاية عام 2015 أصبح بإمكانك شراء 10 جرام من الجرافين مقابل 1000 دولار فقط وعلاوة علي ذلك بفضل تحسين طرق الانتاج يتوقع المختصون أن يقل السعر أكثر ليصير في النهاية مقارباً لتكلفة الجرافيت الخام . 

ويتم تحضير الجرافين من عدة طرق :

التقشير الميكانيكي:

يتم في تلك الطريقة تقشير قطعة من الجرافيت ذات جودة بلورية عالية باستخدام شريط لاصق بواسطة لصقه على الجرافيت وانتزاعه ليترك خلفه عددا من طبقات الجرافين على سطح الشريط اللاصق ثم يتم إعادة تقشير الطبقات الموجودة على سطح الشريط اللاصق باستخدام شريط لاصق آخر، وهكذا حتى يتم الحصول على الجرافين المفرد .

الترسيب الكيميائي للبخار:

 يتم تسخين المعدن المراد عمل الترسيب عليه (النحاس أو النيكل ) إلى درجات عالية ثم إمرار غاز يحتوي على الكربون فيترسب الجرافين على سطح المعدن ثم نستخدم بوليميرًا ونقوم بنفس ما قمنا بعمله في حالة التقشير الميكانيكي لانتزاع الجرافين من سطح المعدن، ومن أهم ميزات تلك الطريقة هي الإنتاج بكميات كبيرة.

اختزال أكسيد الجرافين:

يتم في تلك الطريقة اختزال أكسيد الجرافين إلى جرافين، وأكسيد الجرافين نفسه يتم إنتاجه من أكسيد الجرافيت والذي يمكن تحضيره بأكثر من طريقةٍ على سبيل المثال: بواسطة نقع الجرافيت في محلول حمض الكبريتيك وبرمنجنات البوتاسيوم.