الجرافين Graphene أصلب مادة معروفة و طرق لتحضيره منزلياً !

ما هو الجرافين

الجرافين هو صفحة رقيقة من ذرات الكربون المترابطة بسمك ذرة كربون واحدة ! ترتبط الذرات مع بعضها بروابط سداسية و هو الشكل المميز لخلايا النحل , هذا الشكل الفريد يجعل الجرافين ذو صلابة استثنائية و سمك صغير جداً , و الجرافين هو أقوى مادة مكتشفة على سطح الأرض حتى الآن حيث يعتبر الجرافين أقوى 40 مرة من الماس و أقوى 300 مرة من الفولاذ !

و بالإضافة لصلابة و قوة الجرافين يتمتع الجرافين بخواص توصيلية فريدة أيضاً للحرارة و الكهرباء , فلأن الجرافين مادة ذات بعدين فقط فإن الإعاقة التي تتعرض لها الإلكترونات أقل بكثير من تلك التي تجدها في المواد ذات الأبعاد الثلاثية و بالتالي فالجرافين موصل ممتاز جداً للكهرباء و الحرارة و بأقل قدر من المقاومة كما انه موصل ممتاز للصوت أيضاً .

طرق إنتاج الجرافين

تعد طرق إنتاج الجرافين بدرجات نقاوة عالية طرق معقدة أو غير عملية إلى حد كبير  , أحد أشهر هذه الطرق هي التقشير الميكانيكي، والمعروف أيضا باسم تقنية الشريط اللاصق، هو أحد السبل الفعالة لخلق طبقة واحدة أوعدد قليل من طبقات الجرافين. ومع ذلك، والمؤسسات البحثية المختلفة في جميع أنحاء العالم يحاولون ايجاد الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج الجرافين عالي الجودة بشكل فعال على نطاق واسع.

إنتاج الجرافين بترسيب بخاره

ترسيب الأبخرة الكيميائية هو الأسلوب الأكثر مناسبة لإنتاج جرافين أحادي الطبقة أو عدد قليل من طبقات الجرافين. هذه التقنية قادرة على استخراج ذرات الكربون من مصدر غني الكربون بالإختزال . ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي في هذه التقنية هو صعوبة في العثور على الركيزة المناسبة لتنمو طبقات الجرافين عليها , فضلا عن التعقيد في إزالة طبقات الجرافين من تلك الركيزة دون تغيير أو إتلاف التركيب الذري للجرافين.

الجرافين من الجرافيت

الجرافيت هو أحد المعادن الأرضية المتوفرة طبيعياً و التطبيق الأشهر للجرافيت هو الأقلام الرصاص و الجرافيت ما هو في الحقيقة إلا مجموعة من طبقات الجرافين التي ينزلق بعضها فوق بعض لتحقق ما نراه من خاصية الكتابة على الورق

الجرافين من الفحم

الفحم هو أفضل المصادر من حيث الوفرة و هناك العديد من الأبحاث و التطبيقات الصناعية الحديثة التي تحاول إنتاج كميات وفيرة من الجرافين بإستخلاصه من الفحم الحجري و قد تمكن باحثون بجامعة أوهايو بالفعل من إنتاج الجرافين من الفحم بطرق التحليل الكهربي و هي طريقة أقل كلفة بكثير من تكلفة استخلاصه من الجرافيت .

الجرافين من سكر الجلوكوز

 الجلوكوز هو أحد مصادر الكربون الوفيرة والمتجددة و ملح FeCl3 هو الملح رخيص جدا.من هنا، اقترحت طريقة جديدة لإعداد الجرافين التي تتألف ببساطة من حل الجلوكوز وFeCl3 في الماء، وتبخير الماء، والتكليس. وقد وجد إمكانية تحضير جرافين من بضع طبقات وكان التوصيل الكهربائي له مماثل لذلك الذي تم تصنيعه باستخدام ترسيب الأبخرة الكيميائية . أشارت الدراسات أيضا أن FeCl3 كان المفتاح للتوليد عالي الجودة للجرافين، لأنه يعمل كقالب ومحفز لتشكيل الجرافين.

إنتاج الجرافين منزلياً

مميزات الجرافين

1- موصل فائق للحرارة : أفضل مادة موصلة للحرارة على وجه الأرض
2- موصل فائق للكهرباء : أفضل مادة موصلة للكهرباء على وجه الأرض (مليون مرة ضعف النحاس)
3-موصل فائق للصوت
4- خواص كهروضوئية متميزة : يمكن للجرافين تحويل جل الضوء الساقط عليه لكهرباء و دون اشتراط طاقة معينة
5-صلابة استثنائية : حيث تتفوق صلابته على جميع العناصر الأخرى بماى فيها الماس و الصلب كما أسلفنا
6- مرونة : يمكن أن يتمدد ل20 ضعف طولة و هو الرقم الأعلى حتى الآنن
7- شفافية : يتمتع الجرافين بشفافية عالية جداً و تصل درجة إمتصاص الضوء الساقط عليه دون نفاذية 2.3% فقط

استخدامات و تطبيقات الجرافين

للجرافيت طائفة واسعة من التطبيقات بدءا من الإلكترونيات النانوية، والمواد المركبة، وأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية لأقطاب في بطاريات أيون الليثيوم، والخلايا الشمسية، أقطاب شفافة، وخلايا الطاقة، والحواجز، والإشعاع الحراري، والأحبار الموصلة، المكثفات، والمكثفات الفائقة، وما إلى ذلك وعلى الرغم من خصائصه الرائعة، فاستخدام الجرافين محدود بسبب التكلفة. ويجري حاليا إنتاج الجرافين من الغرافيت. الجرافيت يستخدم عملية مكلفة التي ساهمت في الاستخدام المحدود من الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، هناك مصادر محدودة للغرافيت في الولايات المتحدة؛ مع 70 إلى 80 في المئة قادمة من الصين.