الجرافين معجزة المستقبل

الجرافين معجزة المستقبل

إن الخواص الاليكترونية للجرافين تتيح للعلماء اختبار النظريات المرتبطة بمعجلات الجسيمات وصعوبة استخدامه فى صناعة الترانزستور بسبب وقوعه بين المعادن وأشباه الموصلات .

إن تكنولوجيا النانو ( النانوتكنولوجى ) القائمة على عنصر الكربون فى جميع جوانب الحياة .

إن الجرافيت ( الجرافين ) رقائق من الكربون لا يتجاوز سمك الواحدة منها ذرة واحدة .

فى عام ( 2010 ) تم إنتاج الجرافين فإن الكربون سوف يحل محل السليكون فى الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر والإليكترونيات الدقيقة حيث تصبح الأجهزة أسرع وأكثر إحكاما وأكثر قوة فقد أصبح الجرافين حيا ليلعب دورا فى التكنولوجيات المستحدثة للإلكترونيات .

إن الخواص الإليكترونية التى يتميز بها الجرافين مثيرة للإهتمام لأسباب أكثر جوهرية حيث تتيح للعلماء أرضية لاختبار النظريات الغريبة فى مجال فيزياء الكم والتى ترتبط بمعجلات الجسيمات فإن إحدى المواد الجديدة واعدة فى المجالات المختلفة من العلوم .

ثورة الكربون :

لقد ظل الجرافيت لزمن طويل ينظر إليه على أنه مادة غبية مقارنة بالألماس والجرافيت مادة متسخة لينة وضعيفة وتتكون من شرائح متلاصقة من ذرات الكربون التى تترابط معا فى حلقات سداسية الشكل فإن القطعة من الجرافيت فإن شرائح الجرافين سوف تنزلق واحدة تلو الأخرى فتجعل المادة لينة ومنزلقة .

لكن الخواص يمكن أن تحجب حقيقة مهمة فإن كل واحدة من شرائح الجرافين بمفردها أقوى من الصلب ( 200 مرة ) ومثلما الحال مع الجرافيت فإن الجرافين موصل للكهرباء وفى بعض الاستخدامات يكون الجرافين أفضل آداء من السليكون ومن حيث المبدأ فإن الأسلاك والمكونات يمكن نحتها أو حفرها من شرائح الكربون مثلما يتم حفر الدوائر الكهربائية الدقيقة فى اللشرائح الرقيقة للسليكون وأشباه الموصلات .

إن التصور للدوائر التى تجمع بين القوة وخفة الوزن والرقة الفائقة تقود للتفكير فى أجهزة الكمبيوتر وشرائح الجرافين ( Graphene Chips ) فإن موصلية الجرافين للكهرباء تختلف عن موصلية أى مادة أخرى .

إن التيارات الكهربائية تسرى على نحو تلقائى خلال المعادن كالنحاس فإن أشباه الموصلات

( Semiconductors ) كالسليكون يمكنها توصيل التيار الكهربائى إذا ما كانت إليكتروناتها

( الجسيمات دون الذرية ) المشحونة والمسئولة عن التيار الكهربائى قد تعرضت لدرجة ضئيلة من الحث وقليل من أشباه الموصلات يكتسب الطاقة الاضافية من الحرارة المحيطة بها لكن يمكن التحكم فى مدى موصلية إحدى المواد من أشباه الموصلات عن طريق إضافة ذرات منشطةمن مادة أخرى أو باستخدام مجالات كهربية فالسليكون مفيد جدا فى الصناعات الإليكترونية الدقيقة ( Microelectronics ) يمكن التحكم فى شدة موصليته وتشغيلها أو إيقافها كما يحدث فى أجهزة الترانزستور فالشىء الغريب فى الجرافين هو أنه يقع فى المسافة بين المعادن وأشباه الموصلات مما يتسبب فى تعقيد استخدامه فى صناعة أجهزة الترانزستور على نطاق تجارى .

وشرائح الجرافين يمكنها أن تلتف لتشكل أنابيب لا يتجاوز قطرها بضع نانومترات

( النانومتر جزء من مليون جزء من الملليمتر ) ( أنابيب الكربون النانونية ) فإنها موصلة للكهرباء كالمعادن وأشباه الموصلات فيتوقف على الترتيبات المحكمة للذرات فى جدرانها فإن الأنابيب النانونية يمكن أن تقدم أسلاكا سابقة التجهيز وأجهزة للتكنولوجيات الكهربائية فائقة التصغير فلم يستطع أحد التوصل لإنتاج دوائر كهربائية كبيرة من خليط عشوائى للأنابيب النانونية التى تجمع بين صفات المعادن وأشباه الموصلات .

ولقد ثبت أن الأنابيب النانونية الكربونية يصعب جدا استخدامها وكان توصيل الأجهزة الإليكترونية المصنوعة من الأنابيب النانونية الكربونية معا عملية محيرة ومربكة فإن الجرافين يمكن نمذجته بحيث يمكن حل مشكلات التوصيل والاستخدام .

حل الشريط اللاصق :

كيف يمكن صنع الجرافين ؟

إن فصل الشرائح التى يتكون منها الجرافين على النطاق الذرى وفى عام ( 1999 ) فعن طريق أحد علماء المواد حيث قام بمحاولة نزع أو زحزحة بعض طبقات الجرافيت كل على حدة باستخدام سن إبرة دقيقة جدا لكنهم لم يتمكنوا من فصل شريحة بمفردها وقام علماء آخرون حاولوا الرسم بوساطة نوع من أقلام الرصاص المصنوعة بتكنولوجيا النانو حيث تمكنوا من إنتاج نقاط جرافيتية صغيرة رقيقة جدا لكنها لم تصل لحد تكوين جرافين من طبقة واحدة من الذرات .

إن الشريط اللاصق حيث تم لصق شريط على نقاط من الجرافيت وعندما نزع التصقت به طبقات من الجرافيت وبتكرار العملية عدة مرات مما أدى لتعرية النقاط الأصلية لرقائق فائقة الرهافة بعضها يتكون من طبقة واحدة شفافة من الجرافين حيث استطاع العلماء نقلها على رقاقة من السليكون .

فلقد تم اكتشاف خواص الجرافين الكهربائية غير العادية فإن الإليكترونات المتحركة عبر المواد الموصلة ليست شبيهة بالكرات المتدحرجة على سطح مستو فالذرات الموجودة فى المادة تكون مرتبة فيوجد بنية شعرية بللورية وحركة الإليكترون ذى الشحنة السالبة خارجا من الذرة المرتبط بها تجعل الذرة موجبة الشحنة لذا فإن حركة الإليكترون تتعرض للانحراف تحت تأثير مجالات كهربية متنوعة المجالات الناشئة عن الإليكترونات الأخرى وإن الذرات موجبة الشحنة فى الشعرية البللورية فالشد والجذب يجعل الإليكترونات المتحركة تسلك كما لو كانت كتلتها مختلفة عما لو كانت بمفردها أو فى حالة سكون .

فإن الكتلة المتغيرة الفعالة للإليكترون من الجرافين تصبح صفرا إنها تسلك كما لو كانت بلا كتلة ويترتب على ذلك أنها يمكنها الانتقال بسرعة بضعة أجزاء من 100 جزء من سرعة الضوء سريعة بالدرجة التى يمكن معها تفسير سلوكها من خلال نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين مما يجعل الجرافين شبيها بمعجل الجسيمات ثم استخراجه من قلم رصاص .

فإن السرعة تعنى أن الإليكترونات المتحركة تشعر بالكاد الشعرية البللورية التى تحتها فى المعادن العادية تتعرض الإليكترونات للانحراف على نحو ثابت نتيجة لعدم نقاء الشعرية الذرية وانعدام انتظامها ( التشتت / Scattering ) أما فى الجرافين فإن الإليكترونات يمكنها أن تقطع مسافات طويلة من دون أن تتعرض للتشتت حيث لا يمر وقت طويل قبل أن ترتد للارتطام فالحركة البعيدة عن التشتت تجعل قدرة الإليكترونات فى الجرافين أفضل فى ضبط تحركاتها على نحو أسرع كى تتواءم مع المجالات الكهرومغناطيسية عالية التردد فإن الأجهزة المستخدم فيها الجرافين يمكن التحكم فى تشغيلها بسرعة كبيرة جدا .

إنبات الجرافين :

للحصول على الجرافين بالشريط اللاصق أمر مجهد يحدث بالصدفة وإذا كان الجرافين سوف يستخدم على النطاق الصناعى فإننا بحاجة لتكنولوجيا جديدة فإن أحد البدائل يتمثل فى إنبات الطبقة من خلال السماح لذرات الكربون بتجميع نفسها فى صورة نموذج سداسى الشكل على سطح صلب ( النمو الفوقى / Epitaxial Growth )

وهى مشابهة لطريقة تصنيع الشرائح الرقيقة لأشباه الموصلات التى تستخدم فى الأجهزة الإليكترونية .

لقد تمكن العلماء من تصنيع بللورات من الجرافين يصل قطرها لنصف الملليمتر بطريقة النمو الفوقى بتسخين غاز الميثان من أجل تفكيك جزيئاته وترك ذرات الكربون تستقر فوق صفيحة نحاسية رقيقة ( Copper ) فإن تصنيع لفافات من الجرافين يصل عرض الواحدة منها ل ( 1م ) وبأطوال لا نهائية .

إن تحويل الرقاقة الجرافيتية لدائرة كهربائية ميكروية معناه تقطيع نماذج فائقة الصغر ربما تكون القنوات فيها بعرض بضع نانومترات قليلة أو بعرض عشرات من الذرات لكن حواف الأشرطة الجرافيتية تكون فى الواقع شرائح محطمة وربما تكون خشنة لحد ما فتسبب فى تغيير الخواص الإليكترونية للشريط ككل سواء للأفضل أو للأسوأ .

ويمكن لنماذج الدوائر الكهربائية أن تكون أكثر دقة وقابلية للتحكم فيها إذا أمكن ويمكن لنماذج الدوائر الكهربائية أن تكون أكثر دقة وقابلية للتحكم فيها إذا أمكن إنباتها من أسفل لأعلى ذرة بعد ذرة وعن طريق البدء بجزيئات تحتوى على العديد من حلقات الكربون السداسية المترابطة معا شبيهة بشظايا الجرافين والاستعانة بطرق كيميائية لنرصدها ( Tiling ) معا وتحويلها لشبكات كهربائية محددة المعالم حيث تم الحصول على شرائط جرافيتية يبلغ عرضها ( 10 نانومتر ) مجدولة ووصلات تلتقى عندها ( 3 أشرطة ) .

توجد مشكلة تواجه استخدام الجرافين فى تصنيع الأجهزة الكهربائية الميكروية فإن ما يميز أحد المعادن عن شبه الموصل عن طريق خاصية فجوة الترابط ( Band Gap )

ففى المعدن تستقر بعض الإليكترونات داخل بئر مملوءة جزئيا بالطاقة وفيها يمكن أن تتحرك الإليكترونات بحرية من ذرة لأخرى فإن الرابطة التوصيلية تكون فارغة فى المادة شبه الموصلة فإن بئر الطاقة تكون مليئة بالإليكترونات ذات طاقة أقل وبدرجة طفيفة .

إن الإليكترونات الموجودة داخل رابطة توصيلية مليئة جزئيا يمكنها أن تتحرك هنا وهناك ولكن لا مجال للحركة داخل الرابطة التوصيلية المتمثلة كليا أو الفارغة تماما .

إن الإليكترونات داخل الرابطة المتمثلة فى المادة شبه الموصلة يمكنها أن تصبح متحركة إذا تمكنت من تجميع طاقة كافية للقفز عبر فجوة الترابط والدخول فى الرابطة الفارغة .

إن دور الحك ( Therub ) الشريحة المفردة من الجرافين لا يوجد فيها فجوة ترابط فإن إليكتروناتها يمكن أن تنسل داخل الرابطة التوصيلية من دون حاجة للطاقة مما يعنى أن التيار لا يمكن قطعه فسوف يتسرب خلالها تشغيلها بالأزرار كأجهزة الترانزستور فإن الجزء من التيار سوف يتسرب خلالها على نحو دائم لكن الشرائط الجرافيتية الضيقة أنها يمكن أن تظهر فجوة ترابط فإن تشغيل وإيقاف أجهزة الترانزستور المصنوعة من الشرائط النانونية الجرافيتية وقد انفصلت عن الشرائح .

ولقد قدم فريق عمل التكنولوجيا والنانو وصفا لترانزستورات من الجرافين حيث أمكن تشغيل وإيقاف ( 100 بليون مرة / ث ) حيث أنه أسرع ب ( 10 مرات ) من أسرع الأجهزة المصنوعة من السليكون لكن النماذج الأولية لا تتميز بوجود فجوة ترابط بالاتساع الكافى لإغلاقها على نحو تام وهذا أمر جوهرى بالنسبة للدوائر الرقمية وإلا أنها فى حالة الإغلاق Off State ) سوف يظل التيار يتسرب خلالها على نحو مستمر مما يؤدى لتبديد الطاقة وترانزستورات ( IBM ) الجرافيتية سريعة التشغيل والإيقاف يمكن أن تفيد فى تطبيقات متنوعة فى تكنولوجيا الرادار والهواتف المحمولة ولكن ليس فى أجهزة الكمبيوتر .

إن الأشرطة النانونية لا يظهر بها دليل على وجود حركة ( باليستية ) حرة للإليكترونات تشبه الشرائح الجرافيتية النموذجية فإن تأثير الحواف يفضى لتحرك الإليكترونات بقفزات قصيرة مما يتسبب فى وجود مادة بالغة السوء لدرجة أن مصمم الأجهزة الإليكترونية لن يلمسها ولا بقطب طوله ( 10 قدم ) .

إن إنتاج بنى نانونية من الجرافين أو الجرافيت بحيث تكون باليستية وبها فجوة ترابط وإذا لم نتمكن من تحقيق ذلك فلن نستطيع تطوير أجهزة كهربائية جرافيتية .

ترانزستور من الجرافين على دائرة ( IBM ) :

يوجد طرق عديدة لتزويد الجرافين بفجوة ترابط فإن نشر مجالات كهربائية على طبقات مزدوجة من الجرافين تظهر للوجود فجوة ترابط يمكن توسيعها بتغيير قوة المجال الكهربى .

فإن وجود بدائل عن طريق إثبات أن الخواص الإليكترونية للجرافين يمكن تعديلها وضبطها كيميائيا بلصق مجموعات كيميائية على سطح الطبقة الكربونية الرقيقة الشبيهة بقرص العسل ذى الأشكال السداسية وبدلا من القيام بنحت الجرافين يمكن رسم الدائرة الكهربائية على سطحه بلصق جزيئات مختلفة فى مواضع مختلفة فينتج مساحات موصلة وشبه موصلة وعازلة .

ومن حيث المبدأ يبدو أنه يمكن الاستعانة بالكيمياء من أجل هندسة التتمة الكاملة لتحويل الأجهزة الإليكترونية للعمل بالرقاقات الجرافيتية حتى يصبح من الممكن عمل دائرة كاملة مدمجة من رقاقة جرافيتية بمفردها .

عصر الكربون :

إن العلماء يصلون بتوقعاتهم لحد أن يصبح الجرافين المادة الإليكترونية العالمية فى المستقبل مبشرين بنقلة من عصر السليكون لعصر الكربون ( Carbon Age ) .

يوجد علماء آخرون يتصورون أنه من غير الممكن أن يتمكن الجرافين من منافسة السليكون فلقد كان هناك العديد من المواد التى تم تقديمها على أنها البديل القادم للسليكون لكن الناس لا يعترفون بالسبب الجوهرى الكامن وراء جودة السليكون .

إن الجرافين سوف تظهر معالمه فى الأجهزة الإليكترونية الميكروية فإن الجرافين سوف يستخدم فى تصنيع الشاشات والدوائر الإليكترونية الشفافة والمرنة لأجهزة الاتصالات القابلة للطى .

إن الجرافين يمكن أن تكون له فعالية على نحو خاص فى الأجهزة التى تعمل بالتردد الراديوى والمستخدمة فى الاتصالات اللاسلكية وفى البطاقات الذكية التى يمكن قراءتها بالاستشعار اللاسلكى فإن البساطة والمرونة وخفة الوزن والثمن المنخفض سوف تشكل الميزات الرئيسية للجرافين فإن أول التطبيقات سوف تكون فى أجهزة الاستشعار الضوئية حيث تعد بمثابة المركز من الاتصالات بالألياف الضوئية حيث أن امتصاص الضوء يمكن أن يعمل على حث تيار كهربى فى الجرافين .

إن الجزيئات الأخرى الملتصقة برقاقة من الجرافين يمكن أن تغير من موصلية الكهربائية فربما يستخدم فى الكشف فائق الحساسية عن وجود بعض المواد كالغازات الخطرة والملوثات السامة .

وتوجد تطبيقات ربما تستفيد من صلابة الجرافين وجمعه بين الشدة والمرونة بخلاف خواصه الإليكترونية .

فربما كان الجرافين صلبا فتكون المنافسة كلما جاءت مادة جديدة بشكل سريع فإن التصورات الخاصة بتطبيقات تكون فى جميع  المجالات فإن قائمة الاستخدامات هى التى تتراجع بمرور الزمن فما زال بعض العلماء يتشككون فى قدرة الجرافين على إحداث ثورة تكنولوجية .

ما هو الجرافين ؟

فى المعدن : لا توجد فجوة نطاق الإليكترونات تتحرك بحرية فى نطاق التوصيل فى حين أن مثيلاتها فى نطاق التكافؤ تكون مرتبطة بالذرات .

فى شبه الموصل : الإليكترونات فى نطاق التكافؤ تكون مقيدة لكن بزيادة طاقتها تقفز عبر الفجوة وتعمل المادة كموصل .

الجرافين : شريحة من ذرات الكربون سمكها ذرة واحدة مرتبة فى شكل شعرية مصفوفة على نحو كثيف فالبنية الشبيهة بقرص شمع العسل تتكون من ذرات الكربون والروابط فيما بينها .

الجرافين : يتكون من شرائح متعددة من الجرافين ( الرصاص ) فى القلم بخلاف الألماس فهو من أشباه المعادن ( Semi – metal ) وهو موصل للكهرباء وعن طريق إضافة ( فجوة نطاق ) ليجعلوه قادرا على التوصيل كأى مادة من أشباه الموصلات .

التطبيقات :

1 ) الكمبيوتر : تمثل الترانزستورات المفاتيح الكهربائية المتاحة للاستخدام فى مجموعة الذرات السليكونية التى تعتبر أساس الدوائر المنطقية فى الكمبيوتر ولكن صناعة الترانزستورات الجرافيتية يظل غير واضح .

أما إذا كان بإمكان الترانزستورات منافسة الأجهزة السليكونية فى الدوائر المنطقية بسبب مشكلات التحكم فى فجوة النطاق بالجرافين والتى تحتاج الفجوة لأن تكون كبيرة بما يكفى لمنع الإليكترونات من الاندفاع عبرها على نحو لا يمكن التحكم فيه فلا يزال من غير الممكن إغلاق أو إيقاف الترانزستورات المصنوعة من الجرافين على نحو تام فالنسبة بين فتح التيار وغلقه تتراوح بين ( 1 : 10 ) و ( 1 : 20 ) مقارنة بالسليكون الذى يتراوح النسبة فيه بين مليون وما يقرب من مليار فهذا لا يكفى بالنسبة للدوائر المنطقية الرقمية .

2 ) الأجهزة الإليكترونية : إن الشاشات التى تعمل باللمس فى الهواتف النقالة والكمبيوتر تعمل باستخدام تكنولوجيا الاستشعار الكهربائى كى تحدد موضع ضغط الاصبع ولكى يتحقق ذلك فلا بد من تغطية الشاشة بمادة شفافة موصلة للكهرباء فعن طريق مادة ( أوكسيد قصدير الإنديوم / ITO ) فإذا سقط الهاتف نجد الشاشة هشة سريعة الكسر ففى هذه الحالة يكون الجرافين أقوى كثيرا فإن الشرائح الجرافيتية مزودة بأسلاك معدنية غير مرئية فائقة الدقة والشرائح يمكن أن تقدم بديلا مقبولا لمادة ( ITO ) وتتفوق فى مزاياها على استخدام الجرافين النقى بمفرده .

3 ) الأقمشة والبطاريات : إن تصنيع نوع من الورق باستخدام شرائح الجرافين عن طريق إضافة ذرات الأوكسجين للحصول على أوكسيد الجرافين حيث يتم تشبيك شرائح الجرافين فى طبقات متراكمة ينتج عنها مادة مرنة تتميز بالصلابة والقوة ومن بين استخداماتها أنها تعمل كحاوية لتخزين أو كنسيج لصناعة الملابس الذكية فعن طريق الأمل فى أن يلعب الجرافين دورا فى التطبيقات المحتاجة لقوة استثنائية كما فى مجالى الفضاء والنقل فعن طريق تصنيع أجهزة فائقة السعة  Super Capacitors

أجهزة لتخزين كميات هائلة من الشحنات الكهربائية تستخدم كبطاريات باستخدام أحد أشكال أوكسيد الجرافين تتميز بالمسامية والرخاوة .

4 ) الألياف الكربونية  : تظهر قوة الجرافين على نحو واضح فى الألياف الكربونية حيث تم صنع الألياف الكربونية لأول مرة فى الخمسينات من ( ق / 20 ) بتسخين البوليمرات الغنية بعنصر الكربون حتى تتحول لكربون نقى فإن بعض ألياف الكربون تحتوى على شرائح جرافيتية على هيئة طبقات فوق بعضها البعض كالجرافيت بحيث تكون أكثر التفافا على نحو عرض الألياف المتميزة بالشدة والقوة وعن طريق خلطها بمادة بوليمرية صمغية تصنع مركبا ليفيا مقويا ففيها نجد أن الطاقة المطلوبة لسحب الألياف من المركب تضمن تخلص الشقوق من الطاقة على نحو سريع .

5 ) الفوليرينات ( Fullerenes ) : إن اكتشاف نظير جديد من الكربون الكربون 60

( C 60 ) ( بكمنيستير فولبرين ) عبارة عن جزيئات كروية جوفاء تتكون من حلقات سداسية وخماسية من ذرات الكربون متصلة معا و ( الكربون 60 ) واحد من عائلة الجزيئات القفصية ( الفوليرينات ) لنتائج علمية عظيمة لكنها ليست كبيرة على المستوى التطبيقى فاستخدامها فى صناعة الكبسولات الخارجية للأدوية وكمواد للتزييت والتشحيم وكعناصر تدخل فى تصنيع الخلايا الشمسية .

6 ) الأنابيب النانونية : إن ثورة النانوتكنولوجى الكربونية عندما استخدمت تكنولوجيا لإنتاج الفوليرينات فى عام ( 1991 ) حيث تم اكتشاف أنه بالإمكان صنع أنابيب جوفاء ( أنابيب مصنوعة من شرائح جرافيتية ملفوفة على هيئة اسطوانات ) وتشمل تطبيقات الأنابيب النانونية مجسات شبيهة بالإبر لاستخدامها فى المجاهر المتقدمة وتيرمومترات دقيقة وعناصر تصلح لتصنيع الأجهزة الإليكترونية كالترانزستورات وأجزاء تدخل فى الماكينات النانونية لكن الأنابيب لا تزال تفتقد للتطبيقات التجارية على نطاق واسع بسبب التكلفة العالية .

ترجمة : أميرة عبد المنعم

تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

23 / 8 / 2015