گرافن سه بعدی چیست؟ - ایران گرافن

در این بخش به توضیحاتی در مورد گرافن سه بعدی خواهیم پرداخت. مواد کربنی با آلوتروپ های متنوع خود، نقش مهمی در زندگی روزمره ما و توسعه علم مواد داشته اند. به دنبال نانولوله‌های کربنی D0 C60 و 1D، مواد گرافن دوبعدی، با ویژگی‌های جذاب متمایز خود، از سال 2004 مورد توجه فوق‌العاده‌ای قرار گرفته‌اند. ساختارهای سه بعدی ساخته شده توسط ورقه های گرافن در دهه گذشته نسل جدیدی از مواد گرافنی به نام مواد گرافن سه بعدی را به وجود آورده است.

گرافن سه بعدی چیست؟

گرافن مدت‌هاست که دانشمندان مواد را مجذوب خود کرده است، اما در شکل عادی خود از ورقه‌های مسطح دوبعدی تشکیل شده است که ضخامت آنها صرفاً یک اتم است، اما از نظر تئوری می‌تواند به طور نامحدود در عرض و وسعت کشیده شود. برای اینکه گرافن به یک ماده مهندسی کاربردی تبدیل شود، آن را به شکل سه بعدی تبدیل می کنند.

گرافن سه بعدی شکل منحصر به فردی از گرافن است که ساختاری سه بعدی دارد. بر خلاف گرافن دو بعدی معمولی، که ورقه صافی از اتم های کربن است، در یک شبکه شش ضلعی چیده شده اند. گرافن سه بعدی دارای ساختاری متخلخل و اسفنج مانند است که امکان مساحت سطح بیشتر و افزایش عملکرد را فراهم می کند.

تحقیقات نشان داده اند که با فشرده کردن تکه های کوچک گرافن تحت گرما و فشار، می توان ساختارهای متخلخل قوی و پایداری را ایجاد کرد که شبیه مرجان بوده و نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند. این اشکال به گرافن دوبعدی اجازه می‌دهد تا ساختارهای محکمی ایجاد کند، به همان روشی که ورق‌های کاغذ را می‌توان تا کرد و به شکل‌های بسیار قوی‌تری، از جمله استوانه و موج‌دار، که می‌تواند بارهای قابل‌توجهی را نگه دارد، درآورند.

نشان داده شده است که گرافن در فرم سه بعدی می‌تواند به چگالی پنج درصد فولاد و استحکام ده برابر آن دست یابد. با این حال، محققان دریافتند که بیشتر این موارد به پیکربندی هندسی مربوط می شود تا مواد. هنگامی که گرافن با پلیمرها یا فلزات جایگزین شد، افزایش استحکام مشابهی مشاهده شد.

تفاوت گرافن سه بعدی از گرافن دو بعدی

گرافن سه بعدی چندین ویژگی منحصر به فرد دارد که آن را از گرافن دو بعدی متفاوت می کند. در حالی که گرافن دو بعدی یک ماده مسطح و دو بعدی است، گرافن سه بعدی یک ماده متخخل و سه بعدی است که دارای شبکه پیچیده ای از منافذ و کانال های به هم پیوسته است. این ساختار متخلخل به گرافن سه بعدی چندین مزیت نسبت به گرافن دو بعدی می دهد، از جمله:

1. مساحت سطح بالا: ساختار متخلخل گرافن سه بعدی سطح بسیار بالایی به آن می دهد که آن را برای استفاده در کاربردهایی مانند ذخیره انرژی و کاتالیز ایده آل می کند. مساحت سطح بالا همچنین بارگذاری مقدار زیادی مواد دیگر را بر روی سطح گرافن امکان پذیر می کند که می تواند در کاربردهای مختلف مفید باشد.
2. بهبود خواص مکانیکی: گرافن سه بعدی به دلیل ساختار متخلخل آن بسیار قوی تر و انعطاف پذیرتر از گرافن دو بعدی است. این باعث می شود که برای کاربردهایی که استحکام و دوام مهم هستند، مانند ساخت باتری ها و سایر وسایل الکترونیکی مفید باشد.
3. رسانایی الکتریکی بهبود یافته: در حالی که گرافن دو بعدی در حال حاضر رسانای بسیار خوبی برای الکتریسته است، ساختار متخلخل گرافن سه بعدی می تواند رسانایی آن را بیشتر بهبود ببخشد. این باعث می شود که در کاربردهایی مانند سنسورها و دستگاه های الکترونیکی مفید باشد.
4. بهبود پایداری شیمیایی: ساختار متخلخل گرافن سه بعدی همچنین می تواند پایداری شیمیایی آن را بهبود ببخشد و آن را کمتر در معرض تخریب و خوردگی قرار دهد. این می تواند در برنامه های مختلف، از جمله در محیط های خشن یا خورنده مفید باشد.

روش های تولید گرافن سه بعدی

روش های مختلفی برای تولید گرافن سه بعدی وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در اینجا برخی از رایج ترین روش ها آورده شده است:

1. رسوب بخار شیمیایی (CVD): این روش شامل رسوب لایه ای از گرافن بر روی یک قاب یا بستر و سپس استفاده از یک فرآیند شیمیایی برای حذف الگو و ایجاد یک ساختار سه بعدی است. CVD یک روش محبوب برای تولید گرافن سه بعدی است زیرا امکان کنترل دقیق بر اندازه و شکل ساختار را فراهم می کند. با این حال می تواند یک فرآیند پیچیده و پرهزینه باشد.
2. سنتز مبتنی بر الگو: این روش شامل استفاده از یک الگو یا قالب برای هدایت رشد گرافن به یک ساختار سه بعدی است. این قالب را می توان از مواد مختلفی از جمله پلیمرها، فلزات و سرامیک ها تهیه کرد. این روش نسبتا ساده و ارزان است، اما حذف قالب بدون آسیب رساندن به ساختار گرافن می تواند چالش برانگیز باشد.
3. احیای شیمیایی اکسید گرافن: این روش شامل استفاده از یک فرآیند شیمیایی برای کاهش اکسید گرافن برای تشکیل گرافن سه بعدی است. فرآیند کاهش باعث می شود که اکسید گرافن یک ساختار متخلخل و سه بعدی تشکیل دهد.
4. این روش نسبتا ساده و ارزان است، اما گرافن سه بعدی حاصل ممکن است رسانایی الکتریکی و استحکام مکانیکی کمتری نسبت به روش های دیگر داشته باشد.
5. گرافن القا شده با لیزر: این روش شامل استفاده از لیزر برای ایجاد الگوهای روی یک بستر ساخته شده از مواد مختلف از جمله پلیمرها و کاغذ است. لیزر باعث می شود که بستر به گرافن تبدیل شود و ساختاری سه بعدی را تشکیل دهد. این روش نیز نسبتا ساده و ارزان است، ولی احتمال دارد گرافن سه بعدی حاصل شده رسانایی الکتریکی و استحکام مکانیکی کمتری نسبت به روش های دیگر داشته باشد.

به هر حال روش تولید گرافن سه بعدی به خواص مورد نظر ماده و منابع موجود بستگی دارد. محققان فعالانه در حال بررسی روش های جدید برای تولید گرافن سه بعدی هستند که کارآمدتر، مقرون به صرفه تر و مقیاس پذیرتر هستند.

کاربردهای گرافن سه بعدی

گرافن سه بعدی به دلیل مساحت سطح بالا، بهبود خواص مکانیکی، بهبود هدایت الکتریکی و بهبود پایداری شیمیایی کاربردهای زیادی دارد. برخی از این کاربردها عبارت اند از:

1. ذخیره انرژی: گرافن سه بعدی را می توان به عنوان یک ماده الکترود در ابرخازن ها، باتری ها و سایر دستگاه های ذخیره انرژی به دلیل مساحت سطح بالا و هدایت الکتریکی بهبود یافته استفاده کرد.
2. کاتالیز: گرافن سه بعدی را می توان به عنوان تکیه گاه کاتالیزور به دلیل مساحت سطح بالا و خواص مکانیکی بهبود یافته استفاده کرد. همچنین می تواند به عنوان یک کاتالیزور در واکنش های شیمیایی مختلف استفاده شود.
3. کاربردهای زیست پزشکی: گرافن سه بعدی را می توان در کاربردهای زیست پزشکی مانند تحویل دارو، مهندسی بافت و حسگر زیستی به دلیل زیست سازگاری، مساحت سطح بالا و خواص مکانیکی بهبود یافته استفاده کرد.
4. حسگرها: گرافن سه بعدی به دلیل رسانایی الکتریکی و مساحت بالای آن می تواند به عنوان یک ماده حسگر در کاربردهای مختلفی مانند حسگرهای گاز و مایع، حسگرهای زیستی و حسگرهای محیطی استفاده شود.
5. تصفیه آب: گرافن سه بعدی به دلیل مساحت سطح بالا و خواص مکانیکی بهبود یافته می تواند به عنوان یک ماده فیلتر برای تصفیه آب استفاده شود.

به طور کلی، گرافن سه بعدی دارای چندین ویژگی منحصر به فرد است که آن را به ماده ای امیدوار کننده برای کاربردهای مختلف از جمله ذخیره انرژی، کاتالیزور، حسگرها و دستگاه های الکترونیکی تبدیل می کند. در حالی که هنوز یک ماده نسبتا جدید است، محققان به طور فعال در حال بررسی پتانسیل آن و توسعه برنامه های کاربردی جدید برای آن هستند.

گروه ایران گرافن با تولید گرافن به صورت نیمه صنعتی در کشور آماده ارائه گرافن و مشتقات آن به تمامی صنایع کشور جهت بهبود محصولات تولیدی می باشد.

منبع:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.0c00083

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201806843