گرافن ماده‌ای شگفت‌انگیز با کاربردهای فراوان

این ماده خواص اپتیکی، الکترونی و مکانیکی بدیعی داشته، اساس
شکل‌های مختلف کربنی را تشکیل می‌دهد، به‌طوری‌که از روی هم
قرار گرفتن صفحات گرافن، گرافیت و از لوله شدن آن نانولوله‌های
کربنی (در واقع نانولوله‌های کربنی تک‌جداره را می‌توان
استوانه‌هایی گرافنی دانست)، و از صفحات تاشده آن فولرین پدید
می‌آید و هم‌اکنون با اینکه تنها سه سال از کشف این ماده می‌گذرد،
صدها مقاله درباره آن به نگارش درآمده‌است
 

دانشمندان با انجام آزمایش‌های مختلف دریافته‌اند که این ماده
حتی در شرایطی که غلظت حامل‌های بار ظاهرا ً صفر است، باز هم
از قابلیت رسانش الکتریکی برخوردار است. در واقع الکترون‌های
پیرامون اتم‌های کربن با پتانسیل تناوبی شبکه لانه زنبوری
گرافن برهم کنش نموده و در نتیجه، شبه ذرات جدیدی با جرم حالت
سکون صفر (یا همان به اصطلاح فرمیون‌های بدون جرم دیراک) که
بسیار سریع‌تر از الکترون‌های سایر نیمه‌رساناها حرکت می‌کنند،
به وجود می‌آیند.

هم‌اکنون با استفاده از این ماده ترانزیستورهای نانومقیاس
بالستیک که می‌تواند در دمای اتاق کار کنند ساخته شده‌است که
در دستگاه‌های سوئیچینگ فوق‌العاده سریع، کاربرد دارد. در حال
حاضر دانشمندان با استفاده از نقاط کوانتومی گرافنی سعی در
ایجاد الکترونیک گرافنی دارند.

محققان مؤسسه پلی تکنیک رنسلر هم مشغول کار روی نانونوارهای
گرافنی هستند. گروهی از محققان نانوعلم مؤسسه دلفت کاولین هم
برای جریان‌های ابررسانایی، با اتصال گرافن به ابر رساناها یک
ترانزیستور دوقطبی ساخته‌اند.

در تمامی این کاربردها دانشمندان با دو چالش عمده مواجه هستند:
نخست آنکه علی‌رغم پیشرفت‌های اخیر در رشد اپیتکسیال گرافن،
هنوز محققان نتوانسته‌اند ویفرهای با کیفیت بالایی را که مناسب
کاربردهای صنعتی باشد تولید نمایند؛ دوم آنکه برای تولید
مقادیر کافی از آن، لازم است تا امکان کنترل دقیق تک تک ویژگی‌های
ابزارهای گرافنی وجود داشته باشد.

در حال حاضر دانشمندان برای تأمین گرافن دستگاه‌های نانومتری،
از روش حکاکی الکتروشیمیایی که به کمک نانولیتوگرافی پروب
روبشی انجام می‌شود، استفاده می‌نمایند
 

با این حال ساخت ریزپردازنده‌های گرافنی زودتر از ۲۰ سال آینده
محقق نخواهد شد و حتی برخی کاربردهای دیگر ممکن است بیش از آن
زمان ببرد.

نمونه‌های موجود گرافنی روی زیرلایه‌هایی از کاربید سیلیکون
رشد داده می‌شوند و کیفیت آنها به حدی است که بتوان در حسگر
گاز از آن استفاده نمود.

همچنین دانشمندان در حال انجام تحقیقاتی روی کاغذ اکسید گرافنی
و ساخت تشدیدگرهای گرافنی هستند و توانسته‌اند نوعی حسگر
گرافنی را که قابلیت تشخیص مولکول‌های خطرناک را دارد، بسازند.
آنها در حال بررسی ساخت غشاهای گرافنی برای استفاده در حسگرهای
زیست مولکولی هستند.

با استفاده از گرافن در مواد کامپوزیتی می‌توان پلاستیک
رسانایی ساخت که با توجه به هزینه کم تولید آن، کاربردهای
مختلفی خواهد داشت. با این حا ل به نظر نمی‌رسد که استحکام این
مواد به حد نانولوله‌های کربنی‌ای برسد که در هم رفتگی شبکه‌ای
ببشتری دارند.

کاربرد جذاب دیگر این ماده استفاده از پودر آن در باتری‌های
الکتریکی به جای گرافیت است. نسبت سطح به حجم بالا و رسانش
الکتریکی بسیار خوبی که پودرهای گرافنی دارند می‌تواند منجر به
بهبود بازدهی این باتری‌ها شده، حتی بهتر از باتری‌های مدرن
الیاف کربنی کنونی عمل کند. مزیت استفاده از گرافن در این مورد
نسبت به نانولوله‌های کربنی ارزان‌تر بودن تولید آنهاست. علی‌رغم
پیشرفت بسیار سریع و خوبی که گرافن داشته‌است، هنوز قابلیت‌های
زیادی از آن ناشناخته مانده‌است.

برای اطلاعات بیشتر درباره نتایج حاصل از آخرین تحقیقات و
دستاوردهای مربوط به این ماده عجیب به مقاله‌ای با عنوان

“The
rise of graphene” که در مجله Nature Materials به چاپ رسیده‌است،
مراجعه نمایید