الجرافين : المادة التي ستغير مستقبلنا – إبراهيم العلو

 أمر بسيط …. حدثهم عن الجرافين: أكبر اكتشاف حدث خلال المائة عام الماضية.

انها مادة معجزة وتمثل حسب كثير من الخبراء نقطة البداية لتغيير جذري في حياتنا.

يتكون الجرافين من عنصر وحيد: الكربون. المادة الموجودة عبر الكوكب من رصاص الاقلام إلى الفيتامينات كما انها تشكل المكون الاساسي لمادة الحياة على سطح الارض. ولا زلنا نجهل الكثير عن هذه المادة التي تدخل تركيب 90% من المركبات الكيميائية. وبدأ العلماء مؤخراً باستشراف بعض مقدرات الجرافين الهائلة .

يقول الدكتور توماس بالاسيوس رئيس وحدة ابحاث الجرافين في معهد ماساتشوستس للتقانة

 ” الجرافين مادة فريدة. ينقل الحرارة بفعالية أكبر من النحاس. شفاف ومع ذلك يمتص الضوء ويرفع الناقلية الكهربائية أسرع ب 100 مرة من السيليكون. أرق من شعر الانسان بـ 80000 مرة وأقوى ب 200 مرة من الحديد. فائق المرونة. شديد الكثافة بحيث لا يستطيع الهليوم – أصغر ذرة غاز – اختراقه. “

ويقول الدكتور كلاوس كليتزينج الفائز بجائزة نوبل للفيزياء ان الجرافين 

” أفضل منظومة ثنائية البعد في العالم ويملك امكانيات غير محدودة . وبحسب شكله يطور قوى مختلفة. “

إذاً كيف تم اكتشاف الجرافين وما حجة العلماء بانه سيغير مستقبلنا؟

كيف ساهم الشريط اللاصق بتغيير العالم؟

حظي الجرافين بسمعة سيئة في الاوساط العلمية لغاية تشرين الاول عام 2004 واعتبر انه المادة المستحيلة الوجود. ويعزى ذلك لبنيته المتفردة: مجرد طبقة بسماكة ذرة كربون وحيدة مرتبة في شبكة سداسيات متناسقة تتشكل كشمع النحل.

وهذا يجعله مادة ثنائية البعد رغم اعتقاد علم الفيزياء ان المواد ثنائية البعد غير مستقرة وبالتالي مستحيلة الوجود فعلياً في درجة حرارة الغرفة.

وحتى العالم اندريه جييم وهو من اكتشف المادة اعتقد انها يجب ان لا تكون موجودة.

” إذا سألت 99.9% من العلماء فسيقولون ان فكرة المادة الثنائية البعد سخيفة وان الجرافين يجب ان لا يكون موجوداً في عالمنا.”

كان مفهوما ثبت خطأه بفضل جييم وتلميذه كوستيا نوفوسيلوف وفازا بعدها بجائزة نوبل نظير اكتشافهما الباهر.

في أحد ايام الجمعة من عام 2004 كان العالمان يتسليان بشريط لاصق وكتلة من الجرافيت. الصقا قطعة من الشريط بالجرافيت وأدركا ان شريحة فائقة الرقة من الكربون بقيت ملتصقة بالشريط عندما قشر. ومن أجل ازالة طبقات أكثر وضعا الشريط المغطى بالكربون على صحن سيليكون مغطى مقاوم للضوء وقشرا الشريط مرة أخرى وكانت النتيجة: جرافين مستقر عالي الجودة وتقويض لقانون طبيعي لم يكن محل تساؤل من قبل.

قوة البصمة

أصبح الجرافين اليوم محط انظار سوق يقدر بملايين الدولارات. وتم تحرير أكثر من 25000 براءة اختراع لمنتجات تعتمد على الجرافين منذ تاريخ اكتشافه في شتى اصقاع العالم. وسوف تتطور طرق تصنيع جديدة لتلبية الطلب المتسارع.

هناك عدة طرق لإنتاج الجرافين , عثر فريق بحث في المانيا على حل لهذه المسألة حيث استطاع الفريق استخلاص الجرافين من العرق البشري الحاوي للكربون عبر عملية تدعى ترسيب البخار الكيميائي.

طلب من افراد التجربة طبع بصمات اصابعهم المتعرقة على صفيحة ثم وضعت في فرن مفرغ من الهواء بدرجة حرارة 700 مئوية والنتيجة: جرافين.

يمكن استخلاص كميات كبيرة من الجرافين مستقبلاً من أي سائل يحتوي على الكربون – مثل الاسيتون – باستخدام هذه الطريقة. ونظراً لوفرة السوائل الحاوية لمركبات الكربون وثمنها الرخيص مما يؤدي إلى الانتاج التجاري لهذه المادة على نطاق واسع. وكما يشير جييم ” تحتاج مادة ما جديدة إلى 40 سنة كي تنتقل من المختبر إلى منتج استهلاكي ولكن في غضون 10 سنوات قفز الجرافين من المختبر إلى المختبرات الصناعية ويوجد اليوم منتجات تجريبية في شتى انحاء العالم. مما اضاف اليه لقباً جديداً: المادة الاسرع تطوراً في التاريخ “

ثورة ملهمها قلم رصاص

يعتقد العلماء ان الجرافين سيكون مادة المستقبل. ولكنه بدأ بالانتشار في الوقت الحالي.

تعتزم شركة جرافين للإنارة الكندية إطلاق مصباح كهربائي من الجرافين وهو منتج ” سيستهلك كمية أقل من الطاقة بالمقارنة مع تقانة الليد LED المقتصدة للطاقة وبكلف تصنيع منخفضة ومصنع من مواد مستدامة.” بحسب الدكتور كولين بايلي من جامعة مانشستر.

ومع ان المادة المعجزة وامكانات استخداماتها لاتزال في بداياتها ولكن الاختراعات المنفذة حتى الان تبدو أقرب للخيال العلمي. ففي عام 2014 قدمت شركة سامسونج العملاقة براءة اختراع لإنتاج شاشات لمس مصنوعة من الجرافين قابلة للطي واللف. واستخدم الجرافين في مضرب نوفاك جوكوفيتش للتنس كما امكن استخدامه في العربات المضادة للرصاص.

ولهذه المادة خاصية اضافية رائعة تضاف الى مزاياها الكثيرة: فهي شفافة وتمتص الضوء مما يجعلها مثالية لالتقاط الطاقة الشمسية. ووصل البحاثة في جامعة برشلونة إلى جدوى 50% باستخدام الخلايا الشمسية المصنوعة من الجرافين مع احتمال الوصول إلى نجاعة 60% وهي قيم مذهلة أكثر فعالية بمقدار الضعف عن الخلايا المتوفرة تجارياً اليوم.

ثبت استخدام الجرافين كفلتر يزيل الصوديوم والكلور من الماء. ولتحويله إلى مرشح للماء قام المهندسون في شركة لوكهيد مارتن بإحداث ثقوب بحجم نانومتر في المادة: بحيث تسمح للماء بالمرور عبرها وتحجب المواد الاخرى. ومرشحات الجرافين هذه ارق ب 500 مرة من أي مرشح موجود اليوم وتستهلك فقط 1% من الطاقة اللازمة لتحلية مياه البحر كما جربت هذه التقانة في عدد من محطات تحلية المياه المالحة.

اثارت الامكانات الهائلة للجرافين اهتمام قطاع التعدين الاسترالي التواق للعثور على مخزونات جرافيت والتي كانت مهملة حتى عهد قريب.

يقول السيد كريستوفر داربي رئيس شركة فالينس للصناعات والذي تملك شركته منجماً للجرافين في جنوب استراليا ” هناك احتياطيات عالمية تكفي لعشرات الالاف من السنين ” وهي اخبار طيبة للبشرية جمعاء.

الاستخدامات الممكنة للجرافين:

حواسيب قابلة للف: تكون رقاقات الحاسوب المصنوعة من الجرافين شفافة وقابلة للطي وتستطيع تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية وبالتالي تزيد قوة الحاسوب إلى حد كبير.

عالم الكربون

الجرافين:
“النجم”  , يتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مما يجعله أرق واقوى بنية على وجه الأرض.

الجرافيت:
المقاوم للحرارة. بالتعبير الكيميائي البحت الجرافيت هو جرافين متعدد الطبقات. لا يمكن تخريب طبقات الجرافين المنضدة قبل الوصول إلى درجة حرارة 2500 مئوية.

الالماس:
يتكون من كربون خالص مرتب في شبكة كريستالية. لا يوجد أي مادة طبيعية على الارض أقسى منه.
الالماس السداسي الشكل يمتلك خصائص مماثلة لذرات الكربون في الجرافين ولكن البنية محورة

 فوليرين (كرات بوكي) : 
“العملي” , يكون مفيداً للغاية في حقل الطب لان ترابطه يساعد على مقاومة الشوارد الحرة التي تؤدي إلى الشيخوخة.

الانابيب النانوية:
من الناحية الكيميائية جرافين ملفوف. استخدمت الولايات المتحدة هذه الانابيب المستقرة في تصنيع طائرة الشبح ف 35

أهم خصائص الجرافين

أبرد مادة في العالم:
أجرى العلماء في معهد ماكس بلانك لأبحاث المادة الصلبة تجارب على سلوك الجرافين في الحقل المغناطيسي وتم تبريده إلى درجة ناقص 273.15 مئوية.

قساوة الجرافين:
تصل قوة الشد لدى الجرافين إلى حوالي 130 جيجا باسكال وهي اعلى قوة تم قياسها. أعلى ب 200 ضعف من الحديد.

كثافة الجرافين: 
هذا الشكل السداسي المصنوع من ذرات الكربون على هيئة شمع النحل تجعله عديم النفوذية امام الغازات وحتى امام أخف الذرات كالهليوم والهيدروجين.

سماكة الجرافين:
يتكون الجرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربون. وهذا يعني انه بسمك ذرة واحدة أي 0.3 نانومتر وهو أرق ب 12000 مرة من فيروس ايبولا .

مرونة الجرافين:
مع قوته الفائقة يبقى شديد المرونة. يمكن للمادة المعجزة الانحناء والمط بمقدار 20% دون ان تتضرر .

موصلية الجرافين:
ينقل الجرافين الطاقة أعلى ب 1.6 مرة النحاس وينقل الحرارة أكثر بعشرة أضعاف. وسوف تستخدم هذه الخصائص في تصنيع الحواسب العملاقة.

كيف تصنع أسرع حاسوب في العالم من قلم رصاص؟

إذا كشطت الطبقة العليا من قلم رصاص (الجرافيت) فستحصل على الجرافين. وهذه المادة تنقل الكهرباء والحرارة أفضل من النحاس وبسماكة 0.3 نانومتر.

إذا صنعنا ترانسيستور – وهو المركب الذي يتحكم بالجهد الكهربائي في الأجهزة الكهربائية – من الجرافين فسوف نحدث ثورة في تقانة الاتصالات الحديثة. ولا يبدو ذلك صعب المنال. استخدم البحاثة في جامعة كاليفورنيا عام 2012 ترانسيستورات من الجرافين لتصنيع حاسوب بقوة حساب تعادل 427 جيجا هرتز أي أسرع ب 200 مرة من حاسوب محمول حديث.

وسوف تتوفر هذه التقانة قريبا َ في الاسواق. وثمة امكانية اخرى لاستخدام الجرافين في تصنيع البطاريات ذات الاداء العالي. فهذه البطاريات ستكون ذات طاقة تخزين تزيد بعشرة اضعاف عن البطاريات التقليدية ويمكن اعادة شحنها في غضون دقائق مما يجعلها مهمة للغاية للسيارات الكهربائية.

قالوا عن الجرافين:

” ان خصائص الجرافين فريدة للغاية بحيث لا يوجد مادة يمكن مقارنته بها في العلم كله ” ميكائيل سترانو — معهد ماساتشوستس للتقانة.

” من المحتمل ان يلعب الجرافين دوراَ هاماَ في مستقبل البشرية ” كلاوس مولين – مدير معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليميرات.

” يتطلع الناس لاستخدام خصائص الجرافين الشديدة الغرابة في العديد من التطبيقات ” اندريه جييم . الحائز على جائزة نوبل للفيزياء لاكتشاف الجرافين.