مع تطور التكنولوجيا في عصرنا هذا نحتاج كل يوم إلى المزيد من المواد التي تستطيع تلبية رغبتنا في التطور العلمي والتكنولوجي.

مادة الجرافيين واحدة من المواد التي تم التوصل إليها في عام 2004م، والتيأعطت الكثير من الوعود والمزايا التي بقي العلماء يحلمون بها لفترة كبيرة من الزمان، كما حاز مكتشفها على جائزة نوبل عام 2010م لِمَا أظهرته هذه المادة من خصائص ومميزات مدهشة يمكنها تطويرالتكنولوجيا الحالية إلى حدٍ كبير.

 

ما هو الجرافيين:

الجرافيين هو مادة تتكون من عنصر الكربون فقط مثلها مثل الماس؛ ولكنَّها تختلف عن الماس كونها مادة ثنائية الأبعاد والماس مادة ثلاثية الأبعاد، كما تختلفان فيما بينهما في كثير من الخواص الأخرى.المواد ثنائية الأبعاد هي المواد التي تمتد في إتجاهين (مثل الورقة) بحيث يكون سمكها مهملًا؛ فسمك الجرافيين عبارة عن ذرة واحدة فقط؛أمَّا الماس فهو يتكون من ذرات تتشكل في شكل هندسي في الإتجاهات الثلاثة من الفراغ. إنَّالجرافيين يتمتع ببعض الخصائص التي تجعله فريدًا من نوعه، مثل كونه المادة الأقوى المعروفة إلى الآن؛ إذ أنَّه أقوى من الصلب بمئتي مرة، كما أنَّه المادة الأرفع على الإطلاقبسُمكٍ يتكون من ذرة واحدة فقط، بالإضافة لذلك فالجرافيين لديه توصيليلة كهربية أعلى من النحاس حيث يعتبره البعض فائق التوصيل بل كما أنَّه مادة شفافة وموصِلة جيدة للحرارة.

صورة 1         لتوضيح شكل الجرافيين
 

كيفية اكتشافه:

في القرن الماضي تم التنبؤ بإمكانية وجود مادة ثنائية الأبعاد من الكربون نظريًا؛ ولكن كان الفيزيائيون يعتقدون باستحالة وجودها مستقرة في الطبيعة؛ ولكن في عام 2004م قام العالم أندريه جيم (Andre Geim)وكوستيانوفوسيلوف(KostyaNovoselov) بعزل طبقة واحدة من الجرافيين بطريقة بسيطة للغاية؛ باستخدام شريط لاصق، الأمر الذي لم يرد الفيزيائيون تصديقه لوقت طويل؛ ولكنَّهم خضعوا للحقيقة البينة أمامهم في النهاية.

لكي نقومبعزل طبقة من الجرافيين فإننا نبدأ بكتلة من الجرافيت التي تتكون في حقيقة الأمر من طبقات من الجرافيين المُتراصَّة فوق بعضها البعض، ثم يتم عزل مجموعة من الطبقات عن طريق شريط لاصق، بعد ذلك نحضر شريط لاصق آخر ونلصقه بالشريط الأول، ثم نقوم بفصلهما، وبذلك يحتوي كل شريط منهما على نصف الكمية التي كانت تتواجد في البداية على الشريط الأول، وبتكرار نفس الأمرباستخدام شريط آخر وآخر يمكنأن نصل إلى طبقة واحدة من الجرافيين. إنَّ هذه الطريقة تعتبر من أبسط الطرق المتوفرة لتحضير الجرافيين؛ ولكن لا يمكن استخدامها على مستوى الصناعة إذ أنَّها مكلفة في الوقت والمال.

 

في ماذا يمكن أن يستخدم:

نظرًا للتوصيلية الكهربية العالية والخصائص الأخرى الفريدة للجرافيين،يعتقد العلماء بإمكانية استخدام الجرافيين في الكثير من التطبيقات الهامة في المستقبل، كما أنَّه الآن قد أصبح قابلًا للاستخدام في عدة تطبيقات؛ من هذه التطبيقات إمكانية استخدامه في تنقية المياه،وفي الأجهزة الإلكترونية التي يمكن ثنيها،وفي الحبر المستخدم في طباعة الإلكترونيات، وفي تخزين الطاقة، بالإضافة إلى إمكانية استخدامه لمعرفة ترتيب النيوكليوتيدات في الحمض النووي (DNA)، كما يستخدم في مركبات الفضاء التي تحتاج إلى مواد تتحمل الظروف القاسية في الفضاء، بالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى.

سنتكلم الآن بقليل من التفصيل عن بعض هذه التطبيقات:

 

• التطبيق الأول:

لنتكلم في البداية عن الأجهزة الإلكترونية التي يمكن ثنيها ومطها بدون التأثير على كيفية عملها أو تحطيم أجزائها الداخلية شيء كهذا سيكون رائع بالتأكيد للمستخدمين لِمَا سيوفره من سهولة الاستخدام للأجهزة الإلكترونية. المادة التي تستخدم الآن لهذا الغرض هي أكسيد إنديوم القصدير (indium tin oxide) والتي توفر كلًا من التوصيلية الجيدة للكهرباء والنفاذية الجيدة للضوء، كما توفر بعض الخصائص الميكانيكية الجيدة؛ ولكن على الرغم من خصائصها تلك إلا أنَّها تعاني من بعض القصور في الخصائص الميكانيكية؛ فثنيها أو مطها يمكن أن يؤدي إلى كسرها مما يسبب فقدانها لخصائصها الكهربية؛ لكن على العكس فإنَّ الجرافيين يوفر خصائص ميكانيكية جيدة؛ حيث يمكن ثنيه ومطه دون أن يُكسَر ودون التأثير على صفاته الكهربائية أو الضوئية؛ولكن الأمر ليس بهذه السهولة، فهناك بعض المشاكل التي يجب التغلب عليها أولًا كتكلفة التصنيع للجرافيين اللازم للإلكترونيات والثبات البيئي للجرافيين ضد العوامل الموجودة في الطبيعة مثل الرطوبة والمواد الموجودة في الهواء.

صورة2     شاشة قابلة للطي

 

 

• التطبيق الثاني:

هو استخدام الجرافيين في الإلكترونيات المطبوعة، والتي تعتبر نوع جديد من الإلكترونيات تختلف عن الإلكترونيات التقليدية التي تعتمد على السيليكون؛ حيث يمكن طباعة الأجهزة الإلكترونية مثل الدايودات المشعة للضوء والترانزيستورات والبطاريات عن طريق وضع المواد الفعالة في سائل وطباعتها على ركيزة مناسبة بعد ذلك. تعتمد جودة هذه الأجهزة على جودة مواد الحبر وكيفية ترتيبهم على الركيزة وثبات الحبر ضد العوامل البيئية المختلفة. تحتاج هذه الأجهزة إلى أن تكون المكونات رخيصة الثمن وسهلة الطباعة على الركيزة،وألا يحتاج الحبر إلى إجراء عمليات صعبة أو معقدة عليه بعد الطباعة. يمكن أيضًااستخدام الجرافيين كمادة فعالة في الحبر؛ حيث يوفر معظم المواصفات المطلوبة في الحبر من تكلفة بسيطة في الإنتاج، وثبات بيئي، وتوصيلية كهربية عالية، وخواص ميكانيكية مناسبة للحبر. يمكن الحصول على الجرافيين مذابًا في السائل بعدة طرق بسيطة منها أكسدة الجرافيت للحصول على الطبقات النانوية من الجرافيين.

 

صورة 3الإلكترونيات المطبوعة

 

 

• التطبيق الثالث:

هو معرفة ترتيب النيوكليوتيدات التي تكون الحمض النووي (DNA)، وهي المادة المسئولة عن نقل الصفات الوراثية في الكائنات الحية. إحدى الطرق لمعرفة القواعد التي تكون الحمض النووي (DNA) هي إنشاء ثقوب نانوية في المواد الصلبة،وتمرير تيار من الأيونات خلال هذه الثقوب وبعد ذلك يمرر الحمض النووي (DNA) من خلال الثقب، وبقياس التغيُّر في تيار الأيونات يمكن معرفة نوع النيوكليوتيدة التي تمر خلال الثقب؛لكن لدى هذه الطريقة عيبسيئ، وهو أنَّ أقل سمك يمكن الوصول إليه هو عشر نانومترات فقط، والذي يكافئ العديد من النيوكليوتيدات مما يُصعِّب من عملية التعرف على النيوكليوتيدات؛ هنا يأتي دور الجرافيين في هذا الشأن إذ أنَّ سُمك الجرافيين هو ذرة واحدة فقط؛ لذا فإنَّه من الممكن استخدامه بدلًا من المواد الأخرى لمعرفة تغير تيارالأيونات الناتج عن نيوكليوتيدة مفردة أو بضع نيوكليوتيدات، والتعرُّف على النيوكليوتيدات في النهاية؛ حيثُ لن يكون ذلك العيب موجودًا بعد الآن.

 

صورة 3    كيفية مرور الDNA في الثقوب النانوية بالمواد الصلبة

 

صورة 4  كيفية مرور الDNA خلال الثقب في الجرافيين

 

يوجد أيضًا الكثير من التطبيقات الرائعة الأخرى في العديد من المجالات مثل الطب والفضاء والإلكترونيات والطاقة وغيرهم، والتي لا يسعنا المجال الآن إلى التحدث عنها جميعًا؛ ولكنَّها بالتأكيد أسهمت كثيرًا في مجال العلم والتكنولوجيا، ونتمنى أن تستمر هذه المادة في إبهارنا بالتطبيقات التي تجعلها قابلة للتحقيق يومًا بعد يوم، وأن نكتشف مواد أخرى بخواص أفضل في المستقبل.

 

إعداد:Mohamed Taweela

مراجعة علمية:Esraa Adel

مراجعة لُغوية:Omnea Abd El-Aleem

تصميم:Mohamed Taweela

المصادر:

• http://sc.egyres.com/r5cUm
• http://sc.egyres.com/o6LwF
• http://sc.egyres.com/k2GKe
• http://sc.egyres.com/98oKO

 

#الباحثون_المصريون