نانومواد و نانوساختارها(گرافن-قسمت1)

همانطور که قرن بیستم را به علت انقلاب عظیمی که کشف و توسعه پلاستیک به همراه داشت، عصر پلاستیک نام‌گذاری کرده‌اند به نظر می‌رسد قرن بیست و یکم نیز عصرگرافن نام‌گذاری گردد. گرافن یک ماده خارق العاده و خالص است که به علت ساختار ساده و منظمش (برخاسته از چیدمان مرتب تنگاتنگ اتم‌های کربن در آن) دارای ویژگی‌های منحصر به فرد و قابل توجهی است، ویژگی‌هایی که هر یک می‌توانند انقلابی بزرگ در حوزه‌های مختلف علم و صنعت ایجاد کنند. به طور مثال پیوند اتمی کربن غیرفی است و شاید این طور به نظر برسد که گرافن نیز بایستی به سبب ساختار کربنی خود دارای خواص غیرفی باشد حال آنکه به صورت حیرت انگیزی رفتار آن بیش از آنچه که باید به فات شبیه است، از استحکام بسیار بالای آن گرفته تا توانایی رسانش فوق العاده‌اش به نحوی که موجب شده برخی دانشمندان آن را به عنوان نیمه رسانا یا نیمه ف به شمار بیاورند. شاید به نظر برسد که ماده‌ای تا این حد شبیه به فات بایستی بسیار سفت و سخت نیز باشد اما اگر اینطور فکر می‌کنید باید بدانید که در اشتباهید چرا که ویژگی قابل توجه دیگر گرافن انعطاف پذیری بالای آن است. در واقع استحکام و نرمی هر دو در این ماده‌ی شگفت انگیز به خوبی قابل مشاهده‌اند.

به نظر شما علت این همه ویژگی‌های خاص و متمایز و توانایی‌های به ظاهر متناقض و در عین حال بسیار کاربردی گرافن چیست ؟ برای پاسخ بایستی کمی به عقب برگردیم و از جدول تناوبی عناصر شروع کنیم. همانطور که می‌دانید تا به حال 94 عنصر در طبیعت شناخته شده است. عنصر کربن که در جدول تناوبی عناصر آن را با حرف C انگلیسی نمایش می‌دهند و در دسته نافات قرار می‌گیرد یکی از همین عناصر طبیعی است و دارای سه ایزوتوپ است؛ یعنی در طبیعت، سه اتم کربن با عدد اتمی (تعداد پرون‌های هسته) یکسان و عدد جرمی متفاوت (مجموع پروتون‌ها و نوترون‌های هسته) وجود دارد که اعداد جرمی آنها 12،13 و 14 است؛ از این میان کربن 13 و کربن 12 پایدار هستند.

نکته مهم در مورد کربن، دگرشکل‌های (ایزوتروپ) مختلفی است که بخاطر خواص ویژه‌اش در طبیعت یافت می‌شود؛ از الماس گرفته که جزو سخت‌ترین مواد دسته بندی می‌شود تا مغز مداد سیاه شما که از این به بعد آن را با نام گرافیت می‌شناسیم، جزو دگرشکل‌های کربن هستند.

شایان ذکر است که از نظر آرایش الکترونی، هر اتم کربن دارای چهار الکترون آزاد است که قابلیت برقراری چهار پیوند را برای آن مهیا می‌کند در واقع اتم‌های کربن، چهار ظرفیتی هستند.

حال زمان پاسخ به پرسش مطرح شده در قسمت بیاندیشیم فرا رسیده است: "علت اثری که نوک مداد سیاه شما هنگام نوشتن بر کاغذ از خود به جا می‌گذارد چیست ؟" پیش‌تر گفتیم که عنصر سازنده گرافیت، کربن است. هر اتم کربن، سه اتم از میان چهار اتم آزاد خود را توسط پیوند کوالانسی (ناف-ناف) به اشتراک می‌گذارد و به این نحو صفحه‌ای از شش ضلعی‌های متصل به هم تشکیل می‌گردد. در میان این صفحات که آنها را صفحات گرافن می‌نامیم و شبیه لانه زنبور هستند، نیروی ضعیف واندوالس حاکم است؛ که باعث می‌شود این صفحات به راحتی روی هم بلغزند؛ همین ویژگی سبب ایجاد ردی از مداد بر کاغذ می‌شود. در اثر فشار دست شما به مداد هنگام نوشتن، صفحات گرافن روی هم لغزیده و از ساختار گرافیتی مغز مداد جدا شده، روی کاغذ می‌نشینند.

شکل1- ساختار لانه زنبوری گرافن تک لایه

به طور خلاصه، گرافن ساختاری دو بعدی و یک شبکه شش ضلعی از اتم‌های کربن است که با پیوند کوالانسی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. گرافن انواع مختلف یک، دو و چند لایه دارد که هر یک خواص و همچنین کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند؛ در ضمن گرافن یکی از دگر شکل‌های کربن به حساب می‌آید.

2- چه ویژگی‌هایی باعث اهمیت گرافن شده است؟

همانطور که قبلا گفتیم اتم‌های کربن در ساختار لانه زنبوری گرافن توسط نیروی کوالانسی با هم پیوند دارند. نیروی کوالانسی یکی از قوی‌ترین نیروهای بین اتمی موجود در طبیعت است به همین دلیل، گرافن با وجود نازکی، یکی از سخت‌ترین مواد به حساب می‌آید. گرافن‌های چند لایه با ضخامتی بسیار بسیار کمتر از فولاد، استحکامی تا 200 مرتبه بیشتر دارند.

چنانچه می‌دانید گرافن یک لایه از چیدمان اتم‌های کربن در یک صفحه یا به عبارتی در دو بعد است پس ضخامتی برابر با قطر اتم کربن دارد به سبب همین ضخامت نانومتری و علیرغم تراکم اتمی بالا، نور را به راحتی از خود عبور داده و شفافیت بسیار خوبی دارد.

از دیگر ویژگی‌های به شدت مورد توجه گرافن، خاصیت رسانندگی حرارتی و الکتریکی آن است؛ به عبارت دیگر هادی خیلی خوبی برای گرما و الکتریسیته است و به همین سبب می‌تواند جایگزین مناسبی برای ف مس در صنعت هادی‌های الکتریکی و حرارتی باشد. دلیل این رسانندگی، مجددا به پیوند میان اتم‌های کربن در ساختار گرافن برمی‌گردد؛ همانطور که جلوتر به آن اشاره شد از آنجا که هر اتم کربن در این ساختار با سه اتم کربن دیگر پیوند می‌دهد یکی از الکترون‌های آزاد آن باقی می‌مانند که پیوندی برقرار نمی‌کند و اصطلاحا به آن بازوی آزاد اتم کربن گفته می‌شود. علت رسانندگی بالای گرافن که می‌تواند تا 100 برابر بیشتر از سیلی باشد؛ تعدد همین بازوهای آزاد و در واقع مجموعه‌ای از الکترون‌های آزاد موجود است.