تعريف مادة الغرافين Graphene، وكيف تم اكتشافها صناعة الغرافين ولماذا يُعتبر الغرافين استثنائي
ملخص درس الغرافين
- ما هو الغرافين؟ Graphene
- كيف تمَّ اكتشافه
- صناعة الغرافين
- لماذا يُعتبر الغرافين استثنائي
إليك ما تريد معرفته عن مادة قد تحتل مكان السيليكون قريباً.
الغرافين (Graphene): مادة ناشئة، موجودة في كل مجالات الأبحاث في العالم اليوم؛ قد تُغير من طريقة تصنيع المكونات الالكترونية وتساعد في نمو الأداء الحسابي. اقترح العديد من الباحثين إمكانية مساهمة هذه المادة في تعزيز سرعة الانترنت، وفي إمكانية استخدامها كغطاء لمس حساس، ومن الممكن استغلالها لإطالة حياة الحواسيب العادية، فهذه المادة أقوى من الألماس و توصل الكهرباء والحرارة أفضل من أي مادة أخرى، كما أنه من المرجح أن تلعب دوراً مهماً في العديد من المنتجات والعمليات في المستقبل.
موقع مدينة الـعـلـم التعليمي يقدم لكم طلاب المملكة العربية السعودية إجابة السؤال الصحيحة والنموذجية وهي إجابة السؤال الذي يقول... تعريف مادة الغرافين، وكيف تم اكتشافها صناعة الغرافين ولماذا يُعتبر الغرافين استثنائي
حل السؤال هو كالتالي
ما هو الغرافين
الغرافين مادة مكونة من طبقة وحيدة من ذرات الكربون، مرتبطة مع بعضها البعض على شكل أنماط سداسية متكررة، وتكون سماكة الغرافين أقل من سماكة الورقة العادية بحوالي مليون مرة، ولذلك فهو رقيق إلى درجة نستطيع معها اعتباره مادة ثنائية الأبعاد.
الكربون عبارة عن عنصر غني جداً ويمتلك العديد من الخواص والجوانب المهمة، وقد يصبح ألماساً أو غرافيت ناعم بالاعتماد على الطريقة التي تترتب بها الذرات، ويمنح النمط المسطح والمشابه لخلية العسل خواصاً استثنائية للغرافين، بما في ذلك كونه أقوى مادة موجودة في العالم.
قال البروفسور جيمس هون James Hone 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".
تعتبرهذه الطبقات ذات ذرات الكربون الاحادية الأساس لمواد مهمة أخرى، حيث يتشكل الغرافيت (Graphite) عند تُراكم الغرافين فوق بعضه، وتتكون الأنابيب النانوية الكربونية (Carbon nanotubes)، والتي تعتبر مادة ناشئة أخرى، من غرافين مُدور، وتُستخدم هذه الأنابيب في الدراجات ومضارب كرة المضرب وحتى في هندسة الأنسجة الحية.
شرح كيف تمَّ اكتشافه
هناك طرق عدة للحصول على الغرافين، وستجد أنك قمت بصناعة الغرافين لمرات عديدة خلال حياتك. ارسم خطاً باستخدام قلم الرصاص، ونتيجةً لذلك سيتكون بعض الأجزاء الصغيرة من الغرافين. لكن حتى مجيء العقد الأول من هذا القرن؛ لم يمتلك أي شخص الأدوات والاهتمام اللازمين لعزل الغرافين.
دُرس الغرافين نظرياً في أربعينات القرن الماضي. وفي ذلك الوقت، اعتقد العلماء أنه من المستحيل وجود مادة ثنائية الأبعاد، ولذلك لم يحاولوا عزل الغرافين. بعد تلك الدراسات ببضعة عقود، ازدادت أهمية ذلك المجال، وبدأ الباحثون بالحلم بوجود تقنيات قادرة على تقشير الغرافيت.
حاول الباحثون إقحام جزيئات بين طبقات الغرافيت وقشر وفرك الغرافيت، لكن لم يصلوا أبداً إلى طبقة أحادية الذرات. في النهاية، تمكّنوا من عزل الغرافين على سطح مواد أخرى، لكن ليس على مادته الأصلية.
في العام 2002، أصبح الباحث اندري جيم Andre Geim من جامعة مانشستر مهتماً بالغرافين وتحدى طالب دكتوراه أن يقوم بتلميع طبقة من الغرافيت وصولاً إلى سماكة بضع طبقات قليلة جداً. تمكّن الطالب من الوصول إلى 1000 طبقة، لكن لم يُحقق هدف جيم المتمثل في رقم يقع بين 10 و100 طبقة.
حاول جيم سلوك نهج مختلف، واستخدم "تقنية الشريط". طبّق جيم هذا الشريط على الغرافيت وسحبه بعيداً ليحصل على رقائق من الغرافين متعدد الطبقات. ومع سحب المزيد من الأشرطة، حصل جيم على طبقات أقل سماكة حتى وصل إلى قطعة من الغرافين بسماكة 10 طبقات.
صناعة الغرافين
عمل فريق جيم على تحسين تقنيته، وفي في أكتوبر/تشرين الأول عام 2004؛ أنتج الفريق طبقة وحيدة من ذرات الكربون. وبعد ذلك نشرت النتائج في مجلة Science، ليحصل بذلك جيم وزميله كوستيا نوفوسيلوف Kostya Novoselov على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010 عن عملهم هذا.
ومنذ الحصول على أولى الطبقات باستخدام الشريط، تحسّن إنتاج الغرافين بسرعة كبيرة جداً. وفي العام 2009، كان الباحثون قادرين على إنتاج فيلم رقيق من الغرافين يصل عرضه إلى 30 إنش.
إجابة السؤال
لماذا يُعتبر الغرافين استثنائي
كانت ورقة جيم ونوفوسيلوف مهمة لقطاع واسع من العلماء بسبب وصفها للخواص الفيزيائية الغريبة للغرافين. تتحرك الالكترونات في الغرافين عند سرعة لا تُصدق وتبدأ بالتصرف كما لو أنّها عديمة الكتلة، محاكيةً بذلك حقل الفيزياء الذي يحكم الجسيمات المتحركة داخل أحجام فائقة الصغر.
كتب جيم و فيليب كيم Philip Kim -باحث شهير آخر في مجال الغرافين- في مقالة نُشرت في مجلة العلوم الأمريكية: "ذلك النوع من التفاعل الحاصل داخل المواد الصلبة فريدٌ وخاصٌ بالغرافين فقط. وبفضل هذه المادة الجديدة القادمة من قلم الرصاص، لن يبقى ميكانيك الكم النسبوي بعد الآن حبيس علم الكون أو فيزياء الطاقات العالية. لقد دخل الآن إلى المختبرات".
لا تتوقف الخواص الفريدة للغرافين عند فيزياء غريبة فقط، وإنما عند ما يلي أيضاً:
الموصلية: الالكترونات هي الجسيمات التي تُولد الكهرباء. ولذلك عندما يسمح الغرافين للإلكترونات بالتحرك بسرعة، فإنه يسمح بتحرك الكهرباء سريعاً أيضاً. وداخل الغرافين، من المعروف أن الإلكترونات تتحرك عند سرعة أكبر بحوالي 200 مرة مما هي الحال داخل السيليكون لأنها تتحرك بوجود مقاومة أقل. أيضاً، يُعتبر الغرافين موصلاً ممتازاً للحرارة، وهو موصل كهربائي مستقل عن درجة الحرارة ويعمل بشكلٍ عادي عند درجة حرارة الغرفة.
القوة والصلابة: تعتبرمادة قوية جداً جرّاء نمطها غير القابل للتحطيم والروابط القوية بين ذرات الكربون، وكما قُلنا سابقاً؛ فإنك حتى تستطيع اختراق صفيحة غرافين، تحتاج إلى موازنة فيل فوق قلم رصاص، وحتى عندما تتمدد أجزاء من الغرافين، فإنها تبقى أقوى المواد التي نعرف بوجودها.
المرونة: تلك الراوبط القوية الموجودة بين ذرات الكربون هي روابط مرنة جداً أيضاً؛ إذ يُمكن سحب وحني صفيحة الغرافين إلى حدودٍ معينة دون أن تتحطم، مما يعني أن الغرافين مادة قابلة للحني وللتمديد.
الشفافية: يمتص الغرافين 2.3% من الضوء المرئي الذي يصدم سطحه، مما يعني أنه بإمكانك الرؤية عبر هذه المادة