معرفی گرافن در کتاب شیمی دوازدهم - ایران گرافن

در این بخش به تعاریفی که از گرافن در کتاب شیمی دوازدهم آمده است خواهیم پرداخت:

گرافن موضوع جدید و به روزی است که اخیرا در کل دنیا مطرح شده و توجه زیادی را به خود جلب کرده است. همه روز محققان، اندیشمندان و مبتکران در حال تحقیق و بررسی برای یافتن فرصت هایی نو برای بهره گیری از این کشف بدیع هستند. ایران عزیزمان نیز از این موضوع مستثنا نیست.

اخیرا موضوع گرافن در کتاب شیمی دوازدهم نیز وارد شده است که برای نشان داده اهمیت بالای گرافن در دنیای صنعتی امروزی است و با هدف آشنایی دانش آموزان با این ماده شگفت آور و شکوفایی ایده هایی نو در ذهن خلاق آنان انجام شده است.

گرافن در کتاب شیمی دوازدهم

در تعریف کتاب شیمی دوازدهم، گرافن ماده منحصر به فردی است که تنها از یک لایه کربن تشکیل شده است. با وجود نازک و کوچک بودنش خواص شگفت انگیزی دارد. تصور کنید ورقی دارید که از کوچکترین بلوک های لگو به نام اتم ساخته شده است و این ورق فقط یک اتم ضخامت دارد. این همان گرافن است.

یکی از شگفت انگیزترین چیزها در مورد گرافن قدرت آن است. اگر چه  بسیار نازک است، اما فوق العاده قوی و سخت است. در واقع، این یکی از قوی ترین مواد شناخته شده برای بشر است. ورقه ای از مواد را تصور کنید که می تواند وزن یک فیل را تحمل کند، حتی اگر به نازکی یک ورق کاغذ باشد! این استحکام استثنایی از نحوه اتصال اتم های کربن آن ناشی می شود که به آن ها اجازه می دهد در برابر نیروهای عظیم مقاومت کنند.

در کتاب شیمی دوازدهم همچنین اشاره شده است که گرافن نه تنها فوق العاده مقاوم است، بلکه یک رسانای عالی الکتریسته هم است. رسانایی مانند یک ابر رسانا است که اجازه می دهد الکتریسته به راحتی از یک ماده عبور کند. ساختار منحصر به فرد گرافن به بارهای الکتریکی اجازه می دهد تا بدون زحمت از طریق آن حرکت کنند و آن را بسیار رسانا می کند. این مانند داشتن یک بزرگراه برای برق است، جایی که بارها می توانند با سرعت رعد و برق سریع حرکت کنند. گرافن می تواند گوشی های هوشمند، رایانه ها و سایر ابزارها را متحول کند و آن ها را سریع تر، کارآمدتر و قادر به انجام کارهای شگفت انگیزتر کند.

اما این همه ماجرا نیست! گرافن کیفیت خارق العاده دیگری نیز دارد. گرافن می تواند گرما را به خوبی هدایت کند. گرما نوعی انرژی است و موادی که می توانند گرما را به طور موثر انتقال دهند برای مدیریت دما ارزشمند هستند. این کمک می کند تا گرما به سرعت در آن حرکت کند و آن را برای برنامه های که مدیرت گرما ضروری است مفید می کند. می تواند از آن در سیستم های خنک کننده وسایل الکترونیکی استفاده کرد که باعث می شود آن ها بهتر کار کنند و از گرم شدن بیش از حد سیستم جلوگیری می کند.

یکی دیگر از ابر ویژگی های گرافن که کتاب شیمی دوازدهم به آن می پردازد شفافیت نهفته در آن است. مواد شفاف اجازه می دهند نور از آن ها عبور کند، درست مانند شیشه یا پلاستیک شفاف. گرافن آنقدر نازک است که تقریبا شفاف است. مثل داشتن یک شنل نامرئی است! این ویژگی منحصر به فرد، دریچه دنیایی از امکانات را باز می کند.

این می تواند در صفحه نمایش های فوق العاده شفاف برای گوشی های هوشمند، تبلت ها و تلویزیون ها استفاده شود و به ما امکان می دهد تصاویر و فیلم ها را با وضوح شگفت انگیزی ببینیم. همچنین می توان از آن در دستگاه های پوشیدنی مانند عینک های هوشمند یا حتی در پنجره ها استفاده کرد که به نور طبیعی اجازه می دهد به داخل ساختمان ها وارد شود و در عین حال عایق های کارآمد انرژی را ارائه دهد.

خواص باورنکردنی گرافن باعث ایجاد هیجان در بسیاری از زمینه های علمی شده است. دانشمندان به طور فعال در حال بررسی پتانسیل آن در پزشکی، ذخیره انرژی و حتی حفاظت از محیط زیست هستند. به عنوان مثال، گرافن می تواند در کاربردهای زیست پزشکی، مانند تحویل دارو یا ایجاد حسگرهای کوچک برای نظارت بر سلامت افراد استفاده شود.

همچنین می تواند ذخیره سازی انرژی را متحول کند و باتری هایی را تولید کند که سبک تر است، سریع تر شارژ می شود و انرژی بیشتری ذخیره می کند. این می تواند به معنای عمر طولانی تر گوشی های هوشمند، خودروهای الکتریکی با برد طولانی تر و حتی سیستم های انرژی تجدیدپذیر کارآمد باشد.

گرافن برای حل بسیاری از چالش های دنیای واقعی نوید بزرگی دارد. دانشمندان و مهندسان سخت کار می کنند و کاربردهای عملی را توسعه می دهند. با این حال، هنوز موضوعات زیادی برای یادگیری و کشف در مورد این ماده جذاب وجود دارد. محققان با چالش هایی در زمینه تولید در مقیاس بزرگ، مقرون به صرفه بودن و تضمین ایمنی مواد مواجه هستند.

روش تولید گرافن از گرافیت با استفاده از چسب نواری در کتاب شیمی دوازدهم

برخلاف بسیاری از روش های پیشرفته برای تولید گرافن، استفاده از چسب نواری بسیار ساده است که در کتاب شیمی دوازدهم به آن اشاره شده است و هر کس می تواند با این روش در خانه گرافن تولید کند.

طبق کتاب شیمی دوازدهم در این روش ابتدا نوار چسب را روی تکه ای از گرافیت فشار داده و کشیده می شود: با این کار یک تکه کوچک نازک از کربن خاکستری سیاه جدا می شود. سپس نوار چسب دیگری را بر نوار چسب پوشیده شده با گرافیت فشار داده و کشیده می شود و به همین ترتیب این کار را تکرار می شود. پس از چند دور انجام دادن این، برخی از تکه های کوچک به ضخامت تک اتمی (ضخامت یک تکه گرافن) روی چسب باقی می ماند.

 این روشی است که برای بار اول آندره گیم و کوستیا نووسلوف فیزیکدانان دانشگاه منچستر در سال 2004 توسط آن موفق به تولید گرافن شدند و در کتاب شیمی دوازدهم نیز این مبحث برای آشنایی دانش آموزان آورده شده است. در این روش گرافن با کیفیت بالایی تولید می شود ولی چون بازده کمی دارد در حوزه صنعتی استفاده نمی شود.

از روش های دیگر تولید گرافن که در صنعت و برای تولید مقیاس بالا که در طول سال ها توسعه یافته اند، و در کتاب شیمی دوازدهم به آن اشاره شده است:

1. رسوب شیمیایی بخار (CVD)
2. لایه برداری فاز مایع
3. لایه برداری الکتروشیمیایی
4. رسوب شیمیایی بخار با پلاسما (PECVD)

هر روش مزایا و محدودیت های خود را دارد و انتخاب روش به عواملی مانند هزینه، مقیاس پذیری و خواص گرافن مورد نظر بستگی دارد.

به طور خلاصه می توان اظهار داشت که طبق کتاب شیمی دوازدهم گرافن یک ماده خارق العاده با استحکام فوق العاده، رسانایی باور نکردنی، توانایی های مدیریت حرارت چشمگیر و شفافیت است. گرافن می تواند به شکل گیری آینده فناوری، از الکترونیک سریع تر و کارآمدتر گرفته تا پیشرفت در مراقبت های بهداشتی و ذخیره انرژی کم کند. امکانات گرافن واقعا بی حد و مرز است. زمان هیجان انگیزی است تا شاهد شگفتی هایی باشیم که گرافن ارائه می دهد و چگونه می تواند دنیای ما را را به سمت بهتر شدن تغییر دهد.

کاربرد گرافن در کتاب شیمی دوازدهم

• مواد ساختاری محافظ (به عنوان _ فیلم رسانا شفاف نانو مواد پرکننده و نانوکامپوزیت ها)
• استفاده در سلول های آلی فتوولتائیک
• مخازن سوخت (کرایوژنیک) _ دیودهای ساطع کننده نور آلی
• محافظ الکترومغناطیس _سنسورها و کاتالیزورها
• حفاظت از قطعه / بالستیک _ نمایشگرهای کریستال مایع
• کاربرد نانو پودر اکسید گرافن به عنوان اجزای موتور و توربین _ صفحه نمایش لمسی
• اجزای محافظ الاستومر _ فیلمهای رسانا
• تقویت پلیمرها [اپوکسی] _ پلاستیک رسانا
• لایه / تایر _ پوشش های رسانا شفاف
• ذخیره انرژی و دستگاه های برقی _ ضد میکروبی ، شیمیایی و حرارتی
• انرژی خورشیدی _ کاغذ ضد باکتری
• خازن های فوق العاده _ تصفیه هوا و آب
• باتری های لیتیوم یون _ حسگرهای شیمیایی و مواد منفجره
• مدارهای مجتمع _ دستگاههای تشخیص و تشخیص میکروب
• دستگاه های الکتروشیمیایی – مقالات الکترونیکی و جوهرهای رسانا

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780128126516000045

https://www.nature.com/articles/483S32a