گرافن رنگی چیست؟ - ایران گرافن

گرافن رنگی، که به عنوان گرافن رنگی یا اکسید گرافن رنگی شناخته می شود، شکل منحصر به فردی از گرافن است که رنگ های زنده و متمایز را نشان می دهد. بر خلاف گرافن دست نخورده که به دلیل ساختار الکترونیکی منحصر به فردش معمولا شفاف است و در بیشتر تنظیمات سیاه به نظر می رسد، گرافن رنگی طیف وسیعی از رنگ ها و خواص نوری را نشان می دهد و از نظر بصری قابل توجه و از نظر علمی جذاب است. در ادامه به توصیف خواص گرافن رنگی می پردازیم:

با معرفی انواع ناخالصی یا اصلاح ساختار گرافن می توان رنگ آن را تغییر داد. به عنوان مثال: دوپینگ گرافن با اتم های نیتروژن می تواند منجر به گرافن زرد شود، در حالی که دوپینگ با اتم های بور می تواند منجر به گرافن سبز رنگ شود. از دیگر مواد ناخالص مانند گوگرد یا فسفر نیز می توان برای دستیابی به رنگ های مختلف استفاده کرد.

علاوه بر این، تغییر اندازه و شکل ساختارهای گرافن می تواند بر خواص نوری و ظاهر رنگ آن ها تاثیر بگذارد. به عنوان مثال، نانو روبان ها یا نقاط کوانتومی ساخته شده از گرافن می توانند بسته به ابعادشان رنگ های متفاوتی از خود نشان دهند.

همچنین قرار دادن نقاط کوانتومی در داخل یا بالای لایه های گرافن، می تواند به انتشار رنگارنگ منجر شود. نقاط کوانتومی ذرات نیمه هادی ریز هستند که براساس اندازه و ترکیب خود می توانند نورهایی با رنگ های مختلف ساطع کنند.

به علاوه هنگامی که گرافن با نور در فرکانس های خاصی برهم کنش می کند، می تواند اثرات پلاسمونیکی را از خود نشان دهد که به دلیل تحریک پلاسمون های سطحی، رنگ های زنده ایجاد می کند. این اثرات را می توان با الگوسازی یا ساختار دادن به سطح گرافن افزایش داد.

در نهایت ترکیب گرافن با مواد دو بعدی دیگر مانند دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه (TNDs) یا نیترید بور (BN) می تواند ساختارهای ناهمسانی با خواص نوری منحصربه فرد و واکنش های رنگی ایجاد کند.

توجه به این نکته مهم است که این تغییرات ممکن است نه تنها رنگ، بلکه سایر خواص گرافن مانند هدایت الکتریکی یا استحکام مکانیکی را نیز تغییر دهد.

منشا و خواص گرافن رنگی

توانایی ایجاد گرافن رنگی امکاناتی را برای کاربردها در زمینه هایی مانند نمایشگرها، حسگرها، فتوولتائیک و اپتوالکترونیک باز می کند. هدف محققان با کنترل رنگ مواد مبتنی بر گرافن، افزایش عملکرد آن هاو ادغام آن ها در دستگاه های مختلف فناوری است.

• منشا و شکل گیری:

گرافن رنگی از اصلاح یا عملکرد گرافن و اکسید گرافن (GO) به دست می آید. با وارد کردن گروه ها یا مولکول های شیمیایی مختلف بر روی سطوح آن ها، ساختار الکترونیکی و خواص نوری گرافن یا اکسید گرافن را می توان تغییر داد و منجر به تجلی رنگ ها شد.

• خواص نوری:

رنگ های متمایز مشاهده شده در گرافن رنگی به دلیل جذب و بازتاب نور ایجاد می شود. اصلاح ساختار الکترونیکی گرافن باعث ایجاد شکاف های باند یا سطوح انرژی موضعی می شود که منجر به جذب و انتشار انتخابی نور می شود. گروه های عملکردی خاص یا تغییرات شیمیایی روی سطح گرافن، طول موج های جذب و متعاقبا رنگ های مشاهده شده را دیکته می کنند. تعامل بین نور و سطوح گرافن اصلاح شده باعث ایجاد توهم ظاهرهای رنگارنگ می شود.

• قابلیت تنظیم رنگ ها:

یکی از جنبه های هیجان انگیز گرافن رنگی قابلیت تنظیم آن است. با اصلاح گروه های عملکردی، ضخامت یا ابعاد ساختارهای گرافن، می توان خواص نوری و رنگ های حاصل را به خوبی کنترل کرد. این قابلیت تنظیم، تولید طیف وسیعی از رنگ ها از قرمز، نارنجی و زرد روشن گرفته تا آبی سرد، سبز و بنفش را امکان پذیر می سازد. دانشمندان به طور مداوم در حال بررسی روش هایی برای افزایش اشباع رنگ، روشنایی و ثبات با تنظیم دقیق این پارامترها هستند.

• برنامه های کاربردی:

گرافن رنگی به دلیل خواص نوری منحصر به فردش، پتانسیل زیادی برای کاربردهای بی شماری دارد. برخی از حوزه های کلیدی اکتشاف عبارت اند از:

• ضد جعل: رنگ های متمایز نشان داده شده توسط گرافن رنگی را می توان برای اهداف امنیتی، مانند ایجاد نشانگرها یا هولوگرام های منحصر به فرد برای اقدامات ضد جعل ارز، کارت های شناسایی و محصولات با ارزش بالا مورد استفاده قرار داد.
• فناوری نمایشگر: قابلیت تنظیم گرافن رنگی فرصت هایی را برای توسعه فناوری های نمایشگر با وضوح بالا، کارآمد انرژی و انعطاف پذیر باز می کند. با استفاده از گرافن رنگی به عنوان عناصر پیکسلی، ممکن است بتوان نمایشگرهایی با رنگ های زنده و از نظر بصری خیره کننده ایجاد کرد.
• سنجش و تشخیص: ویژگی های نور گرافن رنگی آن را برای کاربردهای سنجش و تشخیص امیدوار کننده می کند. با عملکرد انتخابی سطح گرافن با مولکول ها یا گیرنده های خاص، می تواند با آنالیت های هدف تعامل داشته باشد و منجر به تغییر رنگ یا فلورسانس شود. این ویژگی را می توان برای سنجش شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی مهار کرد.
• فتوولتائیک: ساختارهای گرافن رنگی را می توان در دستگاه های فتوولتائیک مانند سلول های خورشیدی کاوش کرد. با ترکیب لایه های گرافن رنگی در طراحی دستگاه، می توان جذب نور را در طیف وسیع تری از طول موج ها بهینه کرد و به طور بالقوه راندمان تبدیل انرژی را افزایش داد.
• کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی: رنگ های پر جنب و جوش گرافن رنگی می تواند در تصویربرداری زیستی، تشخیص و درمان مفید باشد. با کونژوگه کردن مولکول های هدف بر روی سطح گرافن رنگی، می توان از آن برای تصویربرداری انتخابی یا تحویل دارو استفاده کرد. خواص نوری منحصر به فرد گرافن رنگی همچنین پتانسیل افزایش کنتراست و حساسیت در تکنیک های تصویربرداری پزشکی را دارد.

گرافن رنگی یک زمینه تحقیقاتی نوظهور با کاربردهای امیدوار کننده در رشته های مختلف است. توانایی دستکاری خواص نوری و دستیابی به طیف گسترده ای از رنگ ها، فرصت های هیجان انگیزی را برای پیشرفت های فناوری باز می کند. انتظار می رود ادامه تلاش های تحقیق و توسعه در زمینه گرافن رنگی بینش های جدید، تکنیک های بهبود یافته ساخت و کاربردهای نوآورانه را در آینده ارائه دهد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979720308225

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/23/2/025708/meta