کاربرد های گرافن

گرافن با ساختار شبکه‌ای خود به ضخامت یک اتم کربن ویژگی‌هایی دارد که می‌تواند کاربردهای بسیار متنوعی داشته باشد. در ادامه به معرفی برخی از کاربردهای جالب گرافن می پردازیم.

پزشکی
طی تحقیقات انجام شده در آکادمی علوم چین، می‌توان از گرافن برای ساخت کاغذ ضد باکتری استفاده کرد. به عنوان مثال می توان برای هدف قرار دادن و تصویربرداری توموگرافی تابش پوزیترون از Ga 66 نشاندار شده با نانو گرافن در عروق تومور استفاده کرد .صفحات دو بعدی کربن به طور موثری جلوی رشد باکتری‌های اشرشیاکلی1را خواهد گرفت. همچنین گروه تحقیقاتی دیگری متوجه شده‌اند که مشتقات گرافن، از قبیل گرافن اکسید2و گرافن اکسید احیاء شده3 مانع رشد میکروب‌ها می‌شوند. مطالعات قبلی نشان داده است که گرافن و به ویژه گرافن اکسید، با شرایط زیستی سازگار هستند و سلول‌های زیستی می توانند روی بسترهای گرافنی به خوبی رشد کنند، در حالی که انواع دیگر نانو ذرات که به عنوان مواد ضد باکتری شناخته شده‌اند، اغلب برای سلول‌های زیستی سمی می‌باشند. این دانشمندان برای ساخت کاغذ گرافنی، ابتدا گرافن اکسید احیاء شده در آب را تولید نموده و سپس این محلول را تحت خلاء صاف کردند. در نهایت یک کاغذ گرافن اکسید و گرافن اکسید احیاء شده از این فیلترکاغذی جدا شد. تصاویر به دست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان دادند که غشاءهای سلولی باکتری اشرشیاکلی قرار داده شده روی این صفحات گرافنی به شدت تخریب شدند. این تخریب به این علت اتفاق می‌افتد که گرافن وارد ایندوزوم سیتوپلاسم این سلول‌ها می‌شود و آن را به بیرون سلول انتقال می‌دهد. به طور تقریب 99 درصد این سلول‌ها فقط بعد از دو ساعت تماس با یک محلول 85 گرم در میلی لیتر از گرافن اکسید در دمای 37 درجه سانتی گراد، تخریب شدند. این گروه تحقیقاتی اکنون برروی علت ضد باکتری بودن گرافن اکسید مطالعه می کند محققین در تلاش هستند تا در نهایت مواد ضد باکتری جدیدی از گرافن تهیه کنند تا بتوان آنها را به منظور التیام زخم به طور مستقیم روی پوست قرار داد .

ساخت حسگرهای شیمیایی و حساس به جرم
حسگرهای شیمیایی بر پایه گرافن به منظور شناسایی مولکول‌های گازی، مانند NO2 و NH3 استفاده می‌شوند. امروزه توانایی این حسگرها در شناسایی تک مولکول‌ها به خاطر حساسیت فوق‌العاده آنها محرز شده است. به تازگی از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می‌شود به طوری که در برابر مقادیر ناچیز از گرما، گاز و یا تشعشع حساس‌اند. بالا بردن درجه حساسیت و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیازمند است. گرافن به علت کوچکی ابعاد از دقت و واکنش‌پذیری بالا برخوردار است به طوری که حتی نسبت به حضور یک اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می‌دهد.گرافن به عنوان یک حسگر بسیار حساس جرم می باشد، محققان در دانشگاه کلمبیا اولین تشدید کننده‌های نانومکانیکی گرافنی را ساخته‌اند، این افزاره‌ها که شامل صفحات گرافن نوسان کننده معلق شده روی شیارهای میکرواندازه هستند، می‌توانند به عنوان شناساگرهای قوی و بسیار حساس به جرم استفاده شوند. صفحات گرافن علاوه بر خواص الکتریکی عالی، بسیار سخت و محکم هستند. این صفحات می‌توانند برای ساخت افزاره‌ها با فرکانس بالا استفاده شوند. این افزاره‌ها به خاطر چگالی کم خود، به اضافه شدن جرم بسیار حساس هستند. با وجود اینکه نانولوله‌های کربنی همین مزایا را دارند و آنها نیز برای ساخت شناساگرهای بسیار حساس جرم استفاده شده‌اند، اما مزیت گرافن این است که این ماده یک صفحه دو بعدی است که می‌توان آن را قلم زنی کرد و به هر شکلی درآورد. مزیت فوق این امکان را فراهم می سازد که روی خواص تشدید کننده نهایی کنترل بیشتری ایجاد گردد. محققان برای ساخت این افزاره‌ها ابتدا ورقه‌های گرافنی تک لایه را روی بستر سیلیکون سیلیکا قرار داده و سپس الکترودهای فلزی را الگو داده و برای تولید گرافن معلق شده، سیلیکا را اچ کردند. این افزاره‌ها در فرکانس‌های مگاهرتزی نوسان می‌کنند. هنگامی که یک شیء روی این افزاره‌ها قرار می‌گیرد، این فرکانس تغییر می‌کند. این تغییر با الکترودها شناسایی شده و برای محاسبه جرم شیء مذکور استفاده می‌شود. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که این افزاره‌ها به جرم حدود یک گرم حساس هستند.

افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلیمری
کامپوزیت‌های ساخته شده با گرافن در مقایسه با کامپوزیت‌های ساخته شده با نانولوله‌های کربنی یا دیگر نانوذرات، مستحکم‌تر، سخت‌تر و کمتر شکننده می‌باشند. این بدین معنی است که گرافن در توسعه مواد نانوکامپوزیتی نسل آینده می تواند نقش اساسی بازی کند. گرافن در زمینه انتقال خواص مکانیکی و استحکامی استثنایی‌اش به یک ماده میزبان، از نانولوله‌های کربنی یا هر نانوپرکن شناخته شده دیگری، بسیار بهتر است. گرافن بهترین ماده‌ای است که تاکنون در زمینه بهبود خواص مکانیکی مشاهده شده است. استفاده از درصدهای پایین ورقه‌های گرافن درکامپوزیت به عنوان یک مزیت مطرح است و با توجه به سطح آزاد صفحات گرافن و تمایل به پیوند بالا نسبت به نانولوله‌های کربنی (تعداد پیوندهای آزاد بیشتری دارد) به طور معمول هنگام استفاده از این ماده از درصدهای وزنی بسیارکم استفاده می‌گردد تا از گلوله شدن و چسبیدن ذرات به یکدیگر جلوگیری شود. به علاوه با توجه به هزینه اولیه این نانوذرات، استفاده از درصدهای پایین این مواد (نحوه توزیع) باعث اقتصادی‌تر شدن کاربرد آنها درنانوکامپوزیت‌های پلیمری خواهد شد. با توجه به اینکه ورق گرافن به صورت صفحه‌ای در کامپوزیت توزیع می‌گردد، به نظر می‌رسد ورق مذکور با کاهش دادن احتمال بروز تورق در کامپوزیت، باعث افزایش طول عمر آن شود. اگرچه گرافن و نانولوله‌های کربنی خواص مکانیکی و شیمیایی نزدیک به هم دارند، اما گرافن خواص خود را خیلی بهتر از نانولوله‌های کربنی به ماتریس پلیمری منتقل می‌کند .کامپوزیت گرافن اکساید و فلزات گروه واسطه برای ذخیره سازی هیدروژن بکار می روند

ساخت ابر خازن ها
توسعه منابع تولید انرژی در یک دهه اخیر شتاب قابل توجهی پیدا کرده است و دلیل اصلی آن افزایش بحران‌ها و چالش‌های موجود در زمینه تامین انرژی مردم جهان بوده است. در این میان نیاز به تجهیزات و فناوری‌های لازم برای این منظور یکی از دل مشغولی‌های دانشمندان در سال‌های اخیر بوده است و ناگفته پیداست طراحی و ساخت ابرخازن‌ها به عنوان با اهمیت‌ترین ابزار ذخیره‌ سازی انرژی‌، از مهم‌ترین این نگرانی‌ها بوده است. در این خصوص به تازگی در آمریکا گروهی از محققان با استفاده از ماده گرافن، ابر خازن‌های جدیدی را طراحی نمودند که با استفاده از آن می‌توان به آینده بهتر ذخیره ‌سازی انرژی‌های تولید شده امیدوار بود. در حال حاضر ابرخازن‌های ذخیره کننده انرژی متعددی در قالب فناوری‌های مختلف وجود دارند که تا حدی انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کنند، اما این کافی نیست. برای این منظور با استفاده از شبیه سازی‌های رایانه‌ای، الکترودهای مخصوصی را با استفاده از ورقه‌های گرافن تهیه نموده‌اند. در اینجا باید به نکته مهمی توجه کرد و آن اینکه در حال حاضر ابرخازن‌هایی که در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شوند، دارای محدودیت‌های کاربردی گوناگونی هستند و جالب این است که این محدودیت‌ها به طور عمده به سطوح الکترودهای به کار گرفته شده در آنها باز می گردد. با بررسی‌هایی که روی ساختار طبیعی گرافن و مشخصه‌های شیمیایی آن انجام گرفته، مشخص شده است که سطوح ارائه شده از این ماده، بازده بالاتری در ذخیره‌سازی انرژی دارد. از این ابرخازن‌ها برای تنظیم جریان برق موجود در شبکه‌های برق استفاده شده تا به سامانه‌های مرتبط با آن آسیب‌های کمتری وارد شود. مهمترین مزیت استفاده از گرافن در این فرآیند، خروجی قابل توجه ابرخازن‌هایی است که با استفاده از الکترود‌های گرافنی ساخته می‌شوند و تا پیش از این در ابرخازن‌ها وجود نداشتند. در این فرآیند ابتدا گرافن اکسید را در حلال آبی قرار داده تا گرافن به صورت خودکار به ورقه‌های بسیار نازک و پولکی گرافن اکسید تبدیل شود و نکته جالب این است که ضخامت این صفحات در حد اتم است. در مرحله بعد اتم‌های اکسیژن از مدار خارج می شوند تا الکترود گرافنی برای استفاده آماده گردد. این ابرخازن‌ها باز هم قابلیت توسعه و افزایش بازده ذخیره انرژی را دارند و همان طور که برای این منظور به استفاده از گرافن روی آورده شده است، ممکن است در آینده‌ای نه چندان دور مواد بهتری پیدا شوند که توسعه این دانش را تسریع کنند. اکنون دانشمندان در تلاش هستند این فناوری را به مرحله تولید نیمه صنعتی و صنعتی برسانند و آن را در اختیار کارخانجات و مراکز مختلف تحقیقاتی قرار دهند.

صنایع باتری سازی
کاربرد جذاب دیگر گرافن استفاده از پودر آن در باتری‌های الکتریکی به جای گرافیت است. نسبت سطح به حجم بالا و رسانش الکتریکی بسیار خوبی که پودرهای گرافنی دارند می‌تواند منجر به بهبود بازدهی این باتری‌ها شده، به طوری که حتی می‌توانند بهتر از باتری‌های مدرن الیاف کربنی کنونی عمل کنند. برای مثال سنتز با کیفیت بالای گرافن با عملکرد عالی برای باتری های لیتیوم یونی به کمک LiAlH4 و PBr3 میتوان استفاده کرد. با کپسوله کردن قلع میان دو ورقه گرافنی، محققان توانستند ماده‌ای سبک بسازند که عملکرد باتری ها را بهبود می‌بخشد.(طبق شکل زیر) . مزیت استفاده از گرافن در این مورد نسبت به نانولوله‌های کربنی ارزان‌تر بودن تولید آنهاست. علی رغم پیشرفت بسیار سریع و خوبی که گرافن داشته است، هنوز قابلیت‌های زیادی از آن ناشناخته مانده است .

شمایی از بررسی تولید نانوکامپوزیت گرافنی برای بهبود عملکرد باتری‌ها

نویسنده: الهام کامران پور، کارشناس ارشد شیمی معدنی