A shekarar 2010, Geim da Novoselov sun lashe kyautar Nobel a fannin kimiyyar lissafi saboda aikinsu a kan graphene. Wannan kyautar ta bar babban tasiri ga mutane da yawa. Bayan haka, ba kowace kayan aikin gwaji na lambar yabo ta Nobel ba ce kamar tef ɗin manne, kuma ba kowace abu ta bincike ba ce mai sihiri da sauƙin fahimta kamar graphene mai "lu'ulu'u mai girma biyu". Aikin da aka yi a shekarar 2004 za a iya bayar da shi a shekarar 2010, wanda ba kasafai ake samunsa a tarihin kyautar Nobel a cikin 'yan shekarun nan ba.
Graphene wani nau'in abu ne wanda ya ƙunshi wani Layer guda ɗaya na ƙwayoyin carbon da aka shirya a hankali a cikin wani layin hexagonal mai girma biyu na zuma. Kamar lu'u-lu'u, graphite, fullerene, carbon nanotubes da amorphous carbon, abu ne (mai sauƙi) wanda ya ƙunshi abubuwan carbon. Kamar yadda aka nuna a cikin hoton da ke ƙasa, ana iya ganin fullerenes da carbon nanotubes a matsayin waɗanda aka naɗe su ta wata hanya daga wani Layer guda ɗaya na graphene, wanda aka tara shi da layuka da yawa na graphene. Binciken ka'idar kan amfani da graphene don bayyana halayen abubuwa daban-daban na carbon mai sauƙi (graphite, carbon nanotubes da graphene) ya daɗe kusan shekaru 60, amma gabaɗaya ana ganin cewa irin waɗannan kayan masu girma biyu suna da wahalar wanzuwa su kaɗai, kawai a haɗe su da saman substrate mai girma uku ko cikin abubuwa kamar graphite. Sai a shekara ta 2004 ne Andre Geim da ɗalibinsa Konstantin Novoselov suka cire wani Layer guda na graphene daga graphite ta hanyar gwaje-gwajen da binciken kan graphene ya cimma sabon ci gaba.
Ana iya ɗaukar dukkan fullerene (hagu) da carbon nanotube (tsakiya) a matsayin waɗanda aka naɗe su da wani Layer na graphene ta wata hanya, yayin da graphite (dama) ke tara shi da layuka da yawa na graphene ta hanyar haɗin van der Waals force.
A zamanin yau, ana iya samun graphene ta hanyoyi da yawa, kuma hanyoyi daban-daban suna da nasu fa'idodi da rashin amfani. Geim da Novoselov sun sami graphene ta hanya mai sauƙi. Ta amfani da tef mai haske da ake samu a manyan kantuna, sun cire graphene, takardar graphite mai kauri ɗaya kawai na atoms na carbon, daga wani yanki na pyrolytic graphite mai girma. Wannan ya dace, amma ikon sarrafawa ba shi da kyau, kuma graphene mai girman ƙasa da microns 100 (kashi ɗaya cikin goma na milimita) ana iya samunsa ne kawai, wanda za a iya amfani da shi don gwaje-gwaje, amma yana da wuya a yi amfani da shi don aikace-aikacen aiki. Tacewar tururin sinadarai na iya haɓaka samfuran graphene tare da girman santimita goma a saman ƙarfe. Kodayake yankin da ke da daidaito daidai yake microns 100 kawai [3,4], ya dace da buƙatun samarwa na wasu aikace-aikace. Wata hanyar gama gari ita ce dumama lu'ulu'u na silicon carbide (SIC) zuwa sama da 1100 ℃ a cikin injin tsabtace iska, don haka atom ɗin silicon da ke kusa da saman ya ƙafe, kuma an sake tsara sauran atom ɗin carbon, wanda kuma zai iya samun samfuran graphene tare da kyawawan halaye.
Graphene sabon abu ne mai siffofi na musamman: ƙarfin lantarki yana da kyau kamar jan ƙarfe, kuma ƙarfin zafinsa ya fi kowane abu da aka sani. Yana da haske sosai. Ƙaramin ɓangare (2.3%) ne kawai na hasken da ake iya gani a tsaye zai sha ta graphene, kuma yawancin hasken zai ratsa ta. Yana da kauri sosai har ma da ƙwayoyin helium (ƙananan ƙwayoyin iska) ba za su iya ratsawa ba. Waɗannan halayen sihiri ba a gada su kai tsaye daga graphite ba, amma daga makanikan quantum. Halayen lantarki da na gani na musamman suna tabbatar da cewa yana da fa'idodi masu yawa na amfani.
Duk da cewa graphene ya bayyana kasa da shekaru goma, ya nuna aikace-aikacen fasaha da yawa, wanda ba kasafai ake samu ba a fannin kimiyyar lissafi da kimiyyar kayan aiki. Yana ɗaukar fiye da shekaru goma ko ma shekaru goma kafin kayan gabaɗaya su koma daga dakin gwaje-gwaje zuwa rayuwa ta gaske. Menene amfanin graphene? Bari mu dubi misalai biyu.
Lantarki mai laushi mai haske
A cikin kayan lantarki da yawa, ana buƙatar amfani da kayan lantarki masu haske a matsayin lantarki. Agogon lantarki, kalkuleta, talabijin, nunin lu'ulu'u na ruwa, allon taɓawa, allunan hasken rana da sauran na'urori da yawa ba za su iya barin wanzuwar electrodes masu haske ba. Elektrode mai haske na gargajiya yana amfani da indium tin oxide (ITO). Saboda tsadar indium da ƙarancin wadatar indium, kayan yana da rauni da rashin sassauci, kuma elektrode ɗin yana buƙatar a ajiye shi a tsakiyar Layer na injin, kuma farashin yana da yawa. Na dogon lokaci, masana kimiyya suna ƙoƙarin nemo madadinsa. Baya ga buƙatun haske, kyakkyawan watsawa da shiri mai sauƙi, idan sassaucin kayan da kansa yana da kyau, zai dace da yin "takardar lantarki" ko wasu na'urorin nuni masu naɗewa. Saboda haka, sassauci kuma muhimmin al'amari ne. Graphene irin wannan abu ne, wanda ya dace sosai da electrodes masu haske.
Masu bincike daga Samsung da Jami'ar Chengjunguan da ke Koriya ta Kudu sun sami graphene mai tsawon inci 30 ta hanyar adana tururin sinadarai sannan suka mayar da shi zuwa wani fim mai kauri na polyethylene terephthalate (PET) mai kauri micron 188 don samar da allon taɓawa mai tushen graphene [4]. Kamar yadda aka nuna a cikin hoton da ke ƙasa, ana haɗa graphene da aka shuka a kan takardar jan ƙarfe da tef ɗin cire zafi (ɓangaren shuɗi mai haske), sannan a narkar da takardar jan ƙarfe ta hanyar sinadarai, kuma a ƙarshe ana canza graphene zuwa fim ɗin PET ta hanyar dumama.
Sabbin kayan aikin haɓaka hoto na lantarki
Graphene yana da halaye na musamman na gani. Duk da cewa akwai Layer ɗaya kawai na atoms, yana iya shan kashi 2.3% na hasken da aka fitar a cikin dukkan kewayon tsawon rai daga haske mai gani zuwa infrared. Wannan lambar ba ta da alaƙa da sauran sigogin kayan graphene kuma ana ƙaddara ta hanyar electrodynamics na quantum [6]. Hasken da aka sha zai haifar da samar da masu ɗaukar kaya (electrons da ramuka). Samarwa da jigilar masu ɗaukar kaya a cikin graphene sun bambanta sosai da na semiconductors na gargajiya. Wannan ya sa graphene ya dace sosai da kayan aikin shigar da hotuna masu sauri. An kiyasta cewa irin waɗannan kayan aikin shigar da hotuna na iya aiki a mita na 500ghz. Idan ana amfani da shi don watsa sigina, zai iya aika sifili biliyan 500 ko ɗaya a cikin daƙiƙa ɗaya, kuma ya kammala watsa abubuwan da ke cikin faifan Blu-ray guda biyu a cikin daƙiƙa ɗaya.
Masana daga Cibiyar Bincike ta IBM Thomas J. Watson da ke Amurka sun yi amfani da graphene don ƙera na'urorin shigar da haske na lantarki waɗanda za su iya aiki a mita 10GHz [8]. Da farko, an shirya flakes na graphene a kan wani abu mai silicon wanda aka rufe da silica mai kauri 300 nm ta hanyar "hanyar tsaga tef", sannan aka yi electrodes na zinariya ko titanium na palladium tare da tazara na micron 1 da faɗin nm 250. Ta wannan hanyar, ana samun na'urar shigar da haske ta hanyar graphene.
Zane-zanen tsarin kayan aikin shigar da wutar lantarki ta graphene da hotunan samfuran zahiri na na'urar daukar hoto ta electron microscope (SEM). Layin gajeriyar baƙar fata da ke cikin hoton ya yi daidai da microns 5, kuma nisan da ke tsakanin layukan ƙarfe shine micron ɗaya.
Ta hanyar gwaje-gwaje, masu binciken sun gano cewa wannan na'urar shigar da ƙarfe ta ƙarfe ta graphene za ta iya kaiwa ga matsakaicin ƙarfin aiki na 16ghz, kuma za ta iya aiki da sauri mai yawa a cikin kewayon tsawon rai daga 300 nm (kusa da ultraviolet) zuwa microns 6 (infrared), yayin da bututun shigar da ƙarfe ta gargajiya ba zai iya amsawa ga hasken infrared mai tsawon tsayi ba. Yawan aiki na kayan aikin shigar da ƙarfe ta graphene har yanzu yana da babban ɗaki don ingantawa. Ingantaccen aikin sa yana sa ya sami damar amfani da dama, gami da sadarwa, sarrafa nesa da sa ido kan muhalli.
A matsayin sabon abu mai siffofi na musamman, binciken da ake yi kan amfani da graphene yana fitowa ɗaya bayan ɗaya. Yana da wuya mu lissafa su a nan. A nan gaba, za a iya samun bututun tasirin filin da aka yi da graphene, maɓallan ƙwayoyin halitta da aka yi da graphene da kuma na'urorin gano ƙwayoyin halitta da aka yi da graphene a rayuwar yau da kullun… Graphene da ke fitowa a hankali daga dakin gwaje-gwaje zai haskaka a rayuwar yau da kullun.
Za mu iya tsammanin cewa adadi mai yawa na kayayyakin lantarki da ke amfani da graphene za su bayyana nan gaba kaɗan. Ka yi tunanin yadda zai zama abin sha'awa idan wayoyinmu na hannu da na'urorin hannu za a iya naɗe su, a manne su a kunnenmu, a saka su a aljihunmu, ko kuma a naɗe su a wuyan hannunmu lokacin da ba a amfani da su!
Lokacin Saƙo: Maris-09-2022