کاربرد گرافن در سیم رسانا

در این قسمت به کاربرد گرافن در سیم رسانا و خواص بهبد یافته آن خواهیم پرداخت:

گرافن لایه کربن نازک اتمی با آرایش شش ضلعی اتم‌های کربن، به دلیل خواص الکتریکی برجسته‌اش در مقیاس نانو مشهور است. رسانایی الکتریکی بالای گرافن، موجب امیدواری برای ساخت سیم رسانا از گرافن شده است.

رسانایی الکتریکی گرافن

گرافن الکتریسیته را هدایت می کند زیرا الکترون های آزاد دارد که در طول ساختار آن حرکت می کنند. ساختار کربنی شش ضلعی دو بعدی امکان تحرک آزادانه الکترون ها در ماده گرافن را فراهم می کند. شار الکتریکی به راحتی از طریق گرافن منتقل می شود، بنابراین آن را به یک رسانای خوب الکتریسیته تبدیل می کند.

گرافن رسانای خوبی برای الکتریسیته است زیرا دارای یک جفت کربن با پیوند سست است که امکان تحرک الکترون ها را فراهم می کند و جریان الکتریکی را تولید می کند. مولکول‌های کربن در گرافن روی پیوندهایی همپوشانی دارند و پیوندهای پی تولید می‌کنند که الکترون‌های آزاد را در کل ساختار ایجاد می‌کنند و آن را رسانا می‌کنند.

هدایت الکتریکی گرافن

چگالی الکترون در حجم آن، هدایت الکتریکی گرافن را تعیین می کند. رسانایی الکتریکی گرافن به دلیل تحرک بالای الکترون در ساختار شش ضلعی آن از اتم‌های کربن که با پیوندهای مشترک pi به هم متصل شده‌اند، S/m  است. رسانایی الکتریکی گرافن با مقاومت آن در برابر جریان رابطه معکوس دارد. این به طور مستقیم به تحرک الکترون در ماده وابسته است.

گرافن یک ابررسانا

ابررساناها آنهایی هستند که رسانایی بالا و مقاومت صفر دارند. گرافن به عنوان چابکی الکترون ها یک ابررسانا است و غلظت در ماده آن زیاد است. این تنها زمانی حاصل می شود که دو لایه گرافن، یک ساختار دو بعدی، در یک زاویه مشخص در کنار هم قرار گیرند تا الکترون های هر لایه بتوانند جریان الکتریکی را هدایت کنند.

گرافن رساناتر است یا مس

رسانایی هر عنصر به مقدار کل شار الکتریکی که از آن عبور می کند بستگی دارد. رسانایی گرافن بیشتر از مس است. رسانایی الکتریکی مس S/m  است که 70 درصد کمتر از رسانایی گرافن است. مس دارای یک الکترون ظرفیت واحد است، در حالی که الکترون‌های پیوند پی گرافن آزادانه حرکت می‌کنند و رسانایی گرافن را افزایش می‌دهند.

آیا از گرافن در سیم ها استفاده می شود؟

گرافن با وجود رسانایی خوب با رسانایی بسیار بالاتر از مس، در سیم های الکتریکی به دلیل برخی چالش های مرتبط با اجرای آن استفاده نمی شوند. گرافن گران است و نیاز به نگهداری بالایی دارد. همچنین گرافن می تواند با اکسیژن هوا در تماس باشد و اکسید شود و اکسید گرافن رسانای الکتریکی نیست. علاوه بر این، گرافن مغناطیسی است و رفتار جذبی در میدان مغناطیسی نشان می دهد.

اکسید گرافن الکتریسیته را هدایت نمی کند زیرا الکترون های آزاد گرافن با اتم های اکسیژن پیوند ایجاد می کنند. این الکترون‌ها با دو اتم اکسیژن پیوند می‌یابند و اکسید تشکیل می‌دهند، بنابراین هیچ الکترونی آزاد برای رسانایی الکتریسیته باقی نمی‌گذارند.

علاوه بر این، خواص مکانیکی گرافن، به ویژه انعطاف پذیری آن، می تواند برای استفاده از آن در سیم های رسانا نگران کننده باشد. گرافن یک لایه منفرد از اتم های کربن است که در یک شبکه شش ضلعی چیده شده اندو ذاتا نازک و ظریف است. این ویژگی ها ممکن است توانایی آن را برای مقاومت در برابر تنش ها و کرنش های مکانیکی که سیم ها در کاربردهای مختلف تجربه می کنند، محدود کند.

با این حال، محققان به طور فعال در حال بررسی راه هایی برای غلبه بر این چالش ها و ترکیب گرافن در سیم های رسانا هستند. یک رویکرد ترکیب گرافن با مواد دیگر برای تشکیل کامپوزیت ها یا ساختارهای هیبریدی است که رسانایی الکتریکی مطلوب گرافن را حفظ می کند و در عین حال خواص مکانیکی را افزایش می دهد.

شایان ذکر است که سایر مواد مبتنی بر کربن، مانند نانولوله های کربنی، به دلیل رسانایی الکتریکی عالی و خواص مکانیکی، در حال حاضر در کاربردهای سیم رسانای خاصی استفاده می شوند. این مواد در زمینه های رسانای شفاف و دستگاه های ذخیره سازی انرژی نوید بخش بوده اند.

نمونه هایی از روش های مختلف ترکب گرافن با مواد دیگر در ترکیب سیم رسانا

1. کامپوزیت های گرافن- پلیمر:

یک رویکرد ترکیب گرافن در ماتریس های پلیمری برای تشکیل کامپوزیت های گرافن- پلیمر است. ورقه های گرافن یا اکسید گرافن را می توان در ماتریس پلیمری پراکنده کرد و یک شبکه رسانا در سراسر ماده ایجاد کرد. این امکان هدایت الکتریکی را بهبود می بخشد و در عین حال انعطاف پذیری و پردازش پذیری پلیمر را حفظ می کند. این کامپوزیت ها در کاربردهایی مانند الکترونیک انعطاف پذیر، دستگاه های پوشیدنی و پوشش های رسانا پتانسیل نشان داده اند.

• سیم های فلزی با پوشش گرافن:

رویکرد دیگر شامل پوشش دادن سیم های فلزی با لایه ای از گرافن است. پوشش گرافن رسانایی الکتریکی سیم را بهبود می بخشد و مزایای بیشتری مانند مقاومت در برابر خوردگی را ارائه می دهد. سیم فلزی پوشش داده شده با گرافن عملکرد بهتری را در کاربردهایی مانند انتقال سیگنال با فرکانس بالا، سنسورها و محافظ تداخل الکترومغناطیسی نشان داده اند.

• سیم های هیبریدی نانو لوله های کربن:

ترکیب گرافن با نانو لوله های کربنی (CNTs) می تواند منجر به ساختارهای هیبریدی شود که خواص الکتریکی و مکانیکی بهبود یافته ای از خود نشان می دهند. گرافن را می توان به دور سیم پیچید یا با نانو لوله های کربنی ترکیب کرد تا یک شبکه رسانا در داخل سیم ایجاد کند. این ترکیب یک اثر هم افزایی ارائه می دهد و از رسانایی الکتریکی بالا گرافن و CNT ها استفاده می کند. این سیم های هیبریدی کاربردهای بالقوه ای در زمینه هایی مانند الکترونیک با کارایی بالا، دستگاه های ذخیره انرژی و کاربردهای هوافضا دارند.

• سیم های فلزی تزریق شده با گرافن:

در برخی موارد، گرافن را می توان مستقیما در طول فرآیند تولید به سیم های فلزی تزریق کرد. این ادغام باعث افزایش هدایت الکتریکی سیم فلزی، کاهش مقاومت و بهبود عملکرد در کاربردهای مانند انتقال نیرو، کابل های الکتریکی و منسوجات رسانا می شود.

توجه به این نکته مهم است که اگر چه این رویکردها امیدوار کننده هستند، تحقیقات و توسعه بیشتری برای بهینه سازی ترکیب، فرآیندهای تولید و مقیاس پذیری سیم های رسانای مبتنی بر گرافن مورد نیاز است. با این وجود، این مثال ها پتانسیل ترکیب گرافن با مواد دیگر را برای افزایش خواص عملکرد سیم های رسانا در کاربردهای مختلف نشان می دهند.

منبع:

https://www.linkedin.com/pulse/application-graphene-conductive-wiring-cables-jayakrishnan-m-wirsc#:~:text=Traditional%20conductors%20experience%20resistance%2C%20resulting,one%2Datom%2Dthick%20structure.