خواص گرافن

گرافن به دلیل ساختار منحصر به فردش خواص فیزیکی و شیمیایی فوق‌العاده‌ای دارد :

استحکام مکانیکی: استحکام کششی گرافن حدود 100 تا 200 برابر قوی‌تر از فولاد است، اما بسیار سبک و انعطاف‌پذیر است

هدایت الکتریکی: گرافن یکی از بهترین رساناهای الکتریسیته است و الکترون‌ها در آن با سرعت بسیار بالایی حرکت می‌کنند (تقریباً  یک سیصدم سرعت نور )

هدایت حرارتی: گرافن گرما را بهتر از هر ماده شناخته‌شده دیگری هدایت می‌کند

شفافیت: گرافن تقریباً کاملاً شفاف است و تنها 2.3٪ از نور مرئی را جذب می‌کند

انعطاف‌پذیری: گرافن می‌تواند بدون از دست دادن خواص خود خم شود یا کشیده شود

ضخامت: ضخامت گرافن تنها یک اتم است (حدود 0.34 نانومتر)، که آن را به نازک‌ترین ماده شناخته‌شده تبدیل کرده است

سطح ویژه بالا: گرافن دارای سطح ویژه‌ای در حدود 2630 متر مربع بر گرم است، که برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی بسیار   مناسب است .

روش‌های تولید 

   تولید گرافن با کیفیت بالا و هزینه کم یکی از چالش‌های اصلی در تجاری‌سازی آن است. روش‌های اصلی تولید گرافن عبارتند از

لایه‌برداری مکانیکی (روش نوار چسب): جدا کردن لایه‌های گرافیت با استفاده از نوار چسب. این روش برای تحقیقات   آزمایشگاهی مناسب است، اما برای تولید انبوه کاربردی نیست 

رسوب‌گذاری شیمیایی بخار (CVD) : یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای تولید با کیفیت بالا، که در آن گازهای حاوی کربن روی سطح فلزی (مانند مس) رسوب می‌کنند و لایه‌های گرافن تشکیل می‌شود.   

لایه‌برداری شیمیایی : اکسید کردن گرافیت برای تولید اکسید گرافن و سپس احیای آن برای تولید این ماده . این روش ارزان‌تر است، اما کیفیت گرافن تولیدی کمتر است .

روش‌های دیگر : مانند سنتز لیزری، رشد اپیتاکسیال روی سیلیکون کاربید ، و روش‌های الکتروشیمیایی

کاربردهای گرافن : به دلیل خواص منحصر به فردش در حوزه‌های مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد: الکترونیک و فناوری

ترانزیستورها: گرافن می‌تواند جایگزین سیلیکون در ترانزیستورهای سریع‌تر و کوچک‌تر شود

صفحات لمسی و نمایشگرها: به دلیل شفافیت و هدایت الکتریکی، گرافن برای ساخت نمایشگرهای انعطاف‌پذیر و شفاف مناسب  است .

حسگرها : گرافن در حسگرهای شیمیایی و زیستی با حساسیت بالا استفاده می‌شود.

انرژی

   باتری‌ها و ابرخازن‌ها : می‌تواند ظرفیت و سرعت شارژ باتری‌های لیتیوم-یونی و ابرخازن‌ها را بهبود بخشد

سلول‌های خورشیدی : به دلیل شفافیت و هدایت الکتریکی بالا در سلول‌های خورشیدی کارآمدتر استفاده می‌شود

ذخیره‌سازی هیدروژن : می‌تواند برای ذخیره‌سازی ایمن هیدروژن در خودروهای سوخت هیدروژنی استفاده شود 

پزشکی و زیست‌فناوری  : دارورسانی : می‌تواند برای انتقال دقیق داروها به سلول‌های هدف استفاده شود.

حسگرهای زیستی: برای تشخیص بیماری‌ها در مراحل اولیه 

 مهندسی بافت: به دلیل زیست‌سازگاری می‌تواند در بازسازی بافت‌ها استفاده شود .

مواد کامپوزیتی

• تقویت مواد: افزودن این ماده به پلیمرها، فلزات یا سرامیک‌ها می‌تواند استحکام و سبکی مواد را افزایش دهد . 
• پوشش‌های محافظ: برای ایجاد پوشش‌های ضدخوردگی و مقاوم در برابر سایش استفاده می‌شود .

محیط زیست

• فیلتراسیون آب: غشاهای گرافنی می‌توانند برای تصفیه آب و حذف آلاینده‌ها استفاده شوند.
• جذب آلاینده‌ها: می‌تواند آلاینده‌های شیمیایی و نفتی را از محیط جذب کند.

چالش‌ها و محدودیت‌هابا وجود پتانسیل‌های زیاد ، وجود این ماده هنوز با چالش‌هایی مواجه است:

•   هزینه تولید: تولید آن با کیفیت بالا همچنان گران است .
• مقیاس‌پذیری: تولید این ماده در مقیاس صنعتی با حفظ کیفیت چالش‌برانگیز است .
• ایمنی و زیست‌سازگاری: اثرات آن بر سلامت انسان و محیط زیست هنوز به‌طور کامل بررسی نشده است.
• ادغام با فناوری‌های موجود : استفاده از این ماده در دستگاه‌های الکترونیکی به دلیل مشکلات فنی مانند عدم وجود گاف نواری (bandgap) دشوار است.

 انواع گرافن

   تک‌لایه: خالص‌ترین شکل آن با یک لایه اتمی

چندلایه : شامل چند لایه از آن که روی هم قرار گرفته است که خواص آن با گرافن تک‌لایه متفاوت است.

گرافن اکسید: شکل اکسیدشده آن که حاوی گروه‌های اکسیژنی است و برای کاربردهای خاص مانند فیلتراسیون مناسب است.

 نقطه کوانتومی: قطعات بسیار کوچک این ماده (در مقیاس نانومتر) که خواص نوری و الکترونیکی متفاوتی دارند و در حسگرها و اپتوالکترونیک کاربرد دارند.

دوپ‌شده: شکلی از این ماده که با افزودن اتم‌های دیگر (مثل نیتروژن یا بور) خواصش تغییر کرده و برای کاربردهای خاص تنظیم می‌شود.

کاربردهای نوظهور

فناوری‌های کوانتومی : به دلیل خواص کوانتومی‌اش در ساخت کامپیوترهای کوانتومی و حسگرهای کوانتومی مورد توجه است .
پوشش‌های هوشمند: می‌تواند در پوشش‌های خودترمیم‌شونده یا ضدمیکروبی برای سطوح مختلف (مانند تجهیزات پزشکی یا هواپیماها) استفاده شود.
الکترونیک پوشیدنی: به دلیل انعطاف‌پذیری و هدایت الکتریکی بالا در ساخت دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی مانند ساعت‌های هوشمند یا حسگرهای زیستی روی پوست کاربرد دارد.
فناوری فضایی: به دلیل وزن کم و استحکام بالا در ساخت مواد سبک برای فضاپیماها یا پوشش‌های مقاوم در برابر تشعشعات کیهانی استفاده می‌شود.

روش‌های نوین تولید

سنتز پلاسمایی : استفاده از پلاسما برای تولید آن با سرعت بالا و مصرف انرژی کمتر.
چاپ سه‌بعدی : فناوری‌های جدید امکان چاپ ساختارهای سه‌بعدی مبتنی بر گرافن را برای کاربردهای سفارشی فراهم کرده‌اند.
روش‌های زیستی: استفاده از میکروارگانیسم‌ها یا آنزیم‌ها برای تولید این ماده به‌صورت پایدار و دوستدار محیط زیست در حال بررسی است.

تأثیرات زیست‌محیطی و بازیافت

تولید سبز : محققان در تلاشند روش‌هایی برای تولید این ماده با کمترین تأثیر زیست‌محیطی توسعه دهند، مانند استفاده از مواد خام زیستی (مثل گلوکز) به جای گرافیت معدنی
بازیافت : گرافن استفاده‌شده در برخی کاربردها (مانند باتری‌ها) می‌تواند بازیافت شود، اما فرآیندهای بازیافت هنوز در مراحل اولیه تحقیق هستند.

گرافن و هوش مصنوعی : این ماده در حال تبدیل شدن به ماده‌ای کلیدی در توسعه سخت‌افزارهای هوش مصنوعی است.

برای مثال :  در نورومورفیک‌ها، این ماده می‌تواند در ساخت تراشه‌های نورومورفیک (شبیه‌ساز مغز انسان) استفاده شود که مصرف انرژی کمتری دارند.
حافظه‌های پیشرفته : گرافن در توسعه حافظه‌های غیرفرار (مانند memristorها) برای ذخیره‌سازی داده‌های عظیم در سیستم‌های هوش مصنوعی کاربرد دارد.

گرافن در حوزه نظامی

جلیقه‌های ضدگلوله: کامپوزیت‌های گرافنی می‌توانند جلیقه‌های سبک‌تر و مقاوم‌تر در برابر ضربه تولید کنند.
رادارگریزی: پوشش‌های گرافنی می‌توانند امواج راداری را جذب کرده و در فناوری‌های مخفی‌کاری نظامی استفاده شوند.

گرافن مغناطیسی : محققان اخیراً روش‌هایی برای القای خاصیت مغناطیسی در این ماده توسعه داده‌اند که می‌تواند در ذخیره‌سازی داده‌ها و اسپین‌ترونیک (الکترونیک مبتنی بر اسپین) کاربرد داشته باشد.
در پزشکی بازساختی: مطالعات جدید نشان داده‌اند که این ماده می‌تواند رشد سلول‌های عصبی را تحریک کند و در درمان آسیب‌های نخاعی یا بیماری‌های عصبی مانند پارکینسون مؤثر باشد.
گرافن و 6G: این ماده در حال بررسی برای استفاده در آنتن‌های فرکانس بالا برای فناوری‌های ارتباطی 6G است که سرعت و کارایی بیشتری نسبت به 5G ارائه می‌دهد.

 وضعیت گرافن در ایران

برخی دانشگاه‌های ایران مانند دانشگاه صنعتی شریف، تهران و تربیت مدرس در زمینه تولید و کاربرد این ماده تحقیقاتی انجام داده‌اند، به‌ویژه در حوزه حسگرها و باتری‌ها.
شرکت‌های نوپا در ایران در حال کار روی کاربردهای این ماده در تصفیه آب و پوشش‌های صنعتی هستند، اما هنوز به تولید انبوه نرسیده‌اند.
چالش اصلی در ایران کمبود زیرساخت‌های صنعتی برای تولید گرافن با کیفیت بالا و رقابت با بازارهای جهانی است.

نکات جالب  : وزن باورنکردنی ،  یک ورق از این ماده به اندازه یک زمین فوتبال تنها چند گرم وزن دارد! ساختار لانه زنبوری این ماده شبیه الگوهای طبیعی مانند کندوی عسل است که باعث شده برخی آن را “ماده طبیعت” بنامند. این ماده در تولید جوهرهای رسانا برای چاپ مدارهای الکترونیکی روی کاغذ یا پارچه نیز آزمایش شده است.

مشکلات گاف نواری : به دلیل گاف نواری صفر نمی‌تواند به‌راحتی به‌عنوان نیمه‌رسانا در برخی مدارها عمل کند، اما محققان با روش‌هایی مانند دوپینگ یا ایجاد شکل نواری در حال رفع این مشکل هستند.
تعامل با آب : در برخی کاربردها (مثل غشاهای تصفیه) ممکن است در محیط‌های مرطوب دچار ناپایداری شود که نیاز به اصلاح شیمیایی دارد.