ما فائدة الجرافين؟ إليك مثالان تطبيقيان لفهم آفاق استخدام الجرافين

في عام 2010، فاز جيم ونوفوسيلوف بجائزة نوبل في الفيزياء لأبحاثهما حول الجرافين. وقد تركت هذه الجائزة أثراً بالغاً في نفوس الكثيرين. فليست كل أداة تجريبية تُمنح جائزة نوبل شائعة كالشريط اللاصق، وليس كل موضوع بحثي سحرياً وسهل الفهم كالجرافين، "البلورة ثنائية الأبعاد". إن منح جائزة نوبل لعمل أُنجز عام 2004 في عام 2010 يُعدّ إنجازاً نادراً في تاريخ جوائز نوبل في السنوات الأخيرة.

الجرافين مادة تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة بإحكام في شبكة سداسية ثنائية الأبعاد تشبه خلية النحل. ومثل الماس والجرافيت والفوليرين وأنابيب الكربون النانوية والكربون غير المتبلور، فهو مادة بسيطة تتكون من عناصر الكربون. وكما هو موضح في الشكل أدناه، يمكن اعتبار الفوليرين وأنابيب الكربون النانوية ملفوفة بطريقة ما من طبقة واحدة من الجرافين، والتي تتكون بدورها من طبقات عديدة من الجرافين. استمر البحث النظري حول استخدام الجرافين لوصف خصائص مختلف المواد الكربونية البسيطة (الجرافيت وأنابيب الكربون النانوية والجرافين) لما يقرب من 60 عامًا، ولكن يُعتقد عمومًا أن هذه المواد ثنائية الأبعاد يصعب أن توجد بشكل مستقر بمفردها، بل فقط ملتصقة بسطح ركيزة ثلاثية الأبعاد أو داخل مواد مثل الجرافيت. لم يحقق البحث في الجرافين تطوراً جديداً إلا في عام 2004 عندما قام أندريه جيم وطالبه كونستانتين نوفوسيلوف بفصل طبقة واحدة من الجرافين من الجرافيت من خلال التجارب.

يمكن اعتبار كل من الفوليرين (يسار) وأنابيب الكربون النانوية (وسط) ملفوفة بطبقة واحدة من الجرافين بطريقة ما، بينما يتم تكديس الجرافيت (يمين) بواسطة طبقات متعددة من الجرافين من خلال اتصال قوة فان دير فالس.

يمكن الحصول على الجرافين اليوم بطرق عديدة، ولكل طريقة مزاياها وعيوبها. وقد تمكن جيم ونوفوسيلوف من الحصول على الجرافين بطريقة بسيطة، حيث استخدما شريطًا شفافًا متوفرًا في المتاجر الكبرى لفصل الجرافين، وهو عبارة عن طبقة من الجرافيت تتكون من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون، من قطعة من الجرافيت البيروليتي عالي الرتبة. ورغم سهولة هذه الطريقة، إلا أن التحكم فيها ليس دقيقًا، ولا يمكن الحصول إلا على جرافين بحجم أقل من 100 ميكرون (عُشر المليمتر)، وهو ما يكفي للتجارب، ولكنه يصعب استخدامه في التطبيقات العملية. أما الترسيب الكيميائي للبخار، فيمكنه إنتاج عينات من الجرافين بحجم عشرات السنتيمترات على سطح المعدن. ورغم أن مساحة المنطقة ذات التوجيه المتناسق لا تتجاوز 100 ميكرون [3، 4]، إلا أنها مناسبة لاحتياجات الإنتاج في بعض التطبيقات. هناك طريقة شائعة أخرى وهي تسخين بلورة كربيد السيليكون (SIC) إلى أكثر من 1100 درجة مئوية في الفراغ، بحيث تتبخر ذرات السيليكون القريبة من السطح، ويتم إعادة ترتيب ذرات الكربون المتبقية، مما يمكن أن يؤدي أيضًا إلى الحصول على عينات من الجرافين ذات خصائص جيدة.

الجرافين مادة جديدة ذات خصائص فريدة: موصليته الكهربائية ممتازة كالنحاس، وموصليته الحرارية أفضل من أي مادة معروفة. وهو شفاف للغاية، إذ لا يمتص سوى جزء ضئيل (2.3%) من الضوء المرئي الساقط عموديًا، بينما ينفذ معظمه. كثافته عالية جدًا لدرجة أن ذرات الهيليوم (أصغر جزيئات الغاز) لا تستطيع اختراقه. هذه الخصائص المذهلة ليست موروثة مباشرة من الجرافيت، بل من ميكانيكا الكم. خصائصه الكهربائية والبصرية الفريدة تجعله يتمتع بآفاق تطبيق واسعة.

على الرغم من أن الجرافين لم يظهر إلا منذ أقل من عشر سنوات، فقد أظهر العديد من التطبيقات التقنية، وهو أمر نادر في مجالي الفيزياء وعلوم المواد. عادةً ما تستغرق المواد العامة أكثر من عشر سنوات، بل عقودًا، للانتقال من المختبر إلى الاستخدام العملي. ما فائدة الجرافين؟ دعونا نلقي نظرة على مثالين.

قطب كهربائي ناعم وشفاف
في العديد من الأجهزة الكهربائية، تُستخدم مواد موصلة شفافة كأقطاب كهربائية. فالساعات الإلكترونية، والآلات الحاسبة، وأجهزة التلفاز، وشاشات الكريستال السائل، وشاشات اللمس، والألواح الشمسية، وغيرها الكثير من الأجهزة، لا غنى لها عن الأقطاب الكهربائية الشفافة. يُستخدم أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) تقليديًا في صناعة الأقطاب الكهربائية الشفافة. ونظرًا لارتفاع سعر الإنديوم ومحدودية توفره، فإن هذه المادة هشة وتفتقر إلى المرونة، كما أن ترسيب القطب الكهربائي يتطلب طبقةً وسطى من الفراغ، مما يرفع التكلفة نسبيًا. لذا، سعى العلماء طويلًا لإيجاد بديل لها. فإلى جانب متطلبات الشفافية، والتوصيلية الجيدة، وسهولة التحضير، تُعد مرونة المادة نفسها عاملًا مهمًا، إذ تجعلها مناسبة لصنع "الورق الإلكتروني" أو غيره من أجهزة العرض القابلة للطي. لذا، تُعد المرونة جانبًا بالغ الأهمية. والجرافين مثال على هذه المواد، فهو مناسب جدًا للأقطاب الكهربائية الشفافة.

تمكن باحثون من سامسونج وجامعة تشنغجونجوان في كوريا الجنوبية من الحصول على غرافين بطول قطري يبلغ 30 بوصة باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار، ثم نقلوه إلى غشاء من البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) بسماكة 188 ميكرون لإنتاج شاشة لمس قائمة على الغرافين [4]. وكما هو موضح في الشكل أدناه، يتم أولاً ربط الغرافين المُنمّى على رقاقة النحاس بشريط العزل الحراري (الجزء الأزرق الشفاف)، ثم تُذاب رقاقة النحاس كيميائياً، وأخيراً يُنقل الغرافين إلى غشاء PET بالتسخين.

معدات الحث الكهروضوئي الجديدة
يتمتع الجرافين بخصائص بصرية فريدة للغاية. فعلى الرغم من أنه يتكون من طبقة ذرية واحدة فقط، إلا أنه قادر على امتصاص 2.3% من الضوء المنبعث في كامل نطاق الأطوال الموجية، من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء. هذه النسبة لا ترتبط بأي خصائص أخرى للجرافين، وإنما تُحدد بواسطة الديناميكا الكهربائية الكمومية [6]. يؤدي امتصاص الضوء إلى توليد حاملات الشحنة (الإلكترونات والفجوات). يختلف توليد حاملات الشحنة ونقلها في الجرافين اختلافًا كبيرًا عن مثيلاتها في أشباه الموصلات التقليدية. وهذا ما يجعل الجرافين مناسبًا جدًا لأجهزة الحث الكهروضوئي فائقة السرعة. يُقدّر أن هذه الأجهزة قد تعمل بتردد 500 جيجاهرتز. وفي حال استخدامها لنقل الإشارات، يمكنها نقل 500 مليار صفر أو واحد في الثانية، وإتمام نقل محتويات قرصي بلو راي في ثانية واحدة.

استخدم خبراء من مركز أبحاث توماس ج. واتسون التابع لشركة آي بي إم في الولايات المتحدة الأمريكية مادة الجرافين لتصنيع أجهزة الحث الكهروضوئي التي تعمل بتردد 10 جيجاهرتز [8]. في البداية، تم تحضير رقائق الجرافين على ركيزة من السيليكون مغطاة بطبقة من السيليكا بسمك 300 نانومتر باستخدام طريقة "تمزيق الشريط"، ثم تم تركيب أقطاب كهربائية من الذهب والبلاديوم أو الذهب والتيتانيوم عليها بمسافة فاصلة قدرها 1 ميكرون وعرض 250 نانومتر. وبهذه الطريقة، تم الحصول على جهاز حث كهروضوئي قائم على الجرافين.

رسم تخطيطي لجهاز الحث الكهروضوئي للجرافين وصور مجهر المسح الإلكتروني (SEM) لعينات فعلية. يمثل الخط الأسود القصير في الشكل 5 ميكرونات، والمسافة بين الخطوط المعدنية ميكرون واحد.

من خلال التجارب، وجد الباحثون أن جهاز الحث الكهروضوئي ذو البنية المعدنية المصنوعة من الجرافين يمكن أن يصل تردد تشغيله إلى 16 جيجاهرتز كحد أقصى، ويعمل بسرعة عالية في نطاق أطوال موجية يتراوح بين 300 نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية القريبة) و6 ميكرومترات (الأشعة تحت الحمراء)، بينما لا يستجيب أنبوب الحث الكهروضوئي التقليدي للأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال الموجية الأطول. ولا يزال تردد تشغيل جهاز الحث الكهروضوئي المصنوع من الجرافين قابلاً للتحسين بشكل كبير. ويجعله أداؤه المتميز يتمتع بآفاق تطبيق واسعة، تشمل الاتصالات والتحكم عن بُعد والرصد البيئي.

باعتبارها مادة جديدة ذات خصائص فريدة، تتوالى الأبحاث حول تطبيقات الجرافين بوتيرة متسارعة، يصعب حصرها هنا. في المستقبل، قد نرى أنابيب تأثير المجال المصنوعة من الجرافين، والمفاتيح الجزيئية، وأجهزة الكشف الجزيئية في حياتنا اليومية... الجرافين الذي يخرج تدريجياً من المختبرات سيُسهم بشكل كبير في حياتنا اليومية.

نتوقع ظهور عدد كبير من المنتجات الإلكترونية التي تستخدم الجرافين في المستقبل القريب. تخيل كم سيكون الأمر مثيراً للاهتمام لو أمكننا طي هواتفنا الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة، ووضعها على آذاننا، وحشرها في جيوبنا، أو لفها حول معصمنا عندما لا نستخدمها!