حتى في حالة تعرضه للتلف، يظل الجرافين هو المادة الأقوى

في دراسة جديدة نشرت في مجلة Science، أثبت باحثون هندسيون من جامعة كولومبيا أن مادة الجرافين، حتى عندما تتكون من مجموعة من البلورات الصغيرة الملتصقة معًا، تتمتع بقوة قريبة من قوة الجرافين النقي.


في دراسة جديدة نشرت في مجلة Science، أثبت باحثون هندسيون من جامعة كولومبيا أن مادة الجرافين، حتى عندما تتكون من مجموعة من البلورات الصغيرة الملتصقة معًا، تتمتع بقوة قريبة من قوة الجرافين النقي. ويحل هذا البحث التناقض بين المحاكاة النظرية التي تنبأت بأن حدود البلورات ستكون قوية، والتجارب السابقة التي أظهرت أنها أضعف بكثير من البلورة النقية.

تتكون مادة الجرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربون، منظمة على شكل شبكة تشبه قرص العسل. يقول أستاذ الهندسة الميكانيكية جيمس هون: "اختبر بحثنا العلمي الأول، في عام 2008، قوة الجرافين عندما يظهر في شكله البلوري النقي - قوته الكامنة". "ومع ذلك، فإن الجرافين النقي تمامًا، دون أي عيوب، يوجد فقط في الأسطح الصغيرة. الأسطح العريضة المستخدمة في التطبيقات العملية يجب أن تحتوي على العديد من الحبيبات الصغيرة المرتبطة ببعضها بواسطة ألسنتها، ولم نعرف مدى قوة هذه الألسنة. لذلك، قمنا بنشر ورقتنا العلمية الثانية حول قوة الجرافين ذو المساحة الكبيرة المنتج باستخدام طريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، ويسعدنا أن نقول إن هذا النوع من الجرافين لا يزال مادة قوية في جوهرها.

وتثبت الدراسة أن الطرق الحالية لمعالجة بلورات الجرافين المحضرة بطريقة CVD تضعف حواف البلورات وتتسبب في إضعاف المادة العيانية، كما لوحظ بالفعل في الدراسات السابقة. بمعنى آخر، المادة الأصلية قوية، لكنها تضعف بالطرق المطبقة. قام فريق المهندسين من جامعة كولومبيا بتطوير عملية جديدة تمنع حدوث أي ضرر للجرافين أثناء إنتاجه. "لقد اختبرنا مواد مختلفة صالحة للأكل وتمكنا من إنشاء عينات للاختبار دون الإضرار بالجرافين نفسه"، كما يشير المؤلف الرئيسي للورقة البحثية جوان هيونج لي. "إن النتائج التي توصلنا إليها تصحح بشكل واضح الرأي السائد والخاطئ بين العلماء العاملين في هذا المجال بأن حواف بلورات الجرافين نفسها ضعيفة. وهذه أخبار مثيرة لأن الجرافين يوفر العديد من الفرص، سواء للبحث العلمي الأساسي والنظري أو للتطبيقات الصناعية العملية." يعتبر الجرافين، في شكله البلوري النقي، أقوى مادة تم قياسها على الإطلاق، كما أفاد مهندسو كولومبيا في عام 2008، وهو قوي جدًا، كما يقول الباحث الرئيسي، "حتى أن الفيل فقط يمكنه تمزيق سطح من الجرافين بسمك مظروف".

في دراستهم الأولى، أنتج فريق العلماء رقائق صغيرة منظمة تمامًا من الجرافين عن طريق التقشير الميكانيكي لبلورة الجرافين. وفي الوقت نفسه، تتطلب طريقة التقشير هذه وقتًا طويلاً، وبالتالي لا تنطبق على الإنتاج التجاري للجرافين المستخدم في التطبيقات العملية. اليوم، يمكن للعلماء إنتاج أسطح من الجرافين بحجم شاشة تلفزيون باستخدام طريقة CVD، حيث يتم إنتاج طبقات مفردة من الجرافين على ركيزة نحاسية في فرن عالي الحرارة للغاية. قد يكون أحد التطبيقات الأولى للجرافين هو طبقة موصلة للكهرباء في شاشات العرض المرنة. "ومع ذلك، فإن الجرافين الذي يتم إنتاجه بطريقة CVD يتم لصقه معًا من العديد من الحبوب البلورية الصغيرة - على غرار لحاف مرقع - عندما تتضمن حواف هذه الحبوب عيوبًا على المستوى الذري"، يوضح الباحث. "يمكن لحواف الحبوب هذه أن تضعف بشكل كبير قوة الجرافين بسطح كبير لأنها أكثر هشاشة بكثير من بلورة الجرافين المثالية والنقية، وهي النتيجة التي دفعت الباحثين إلى اختبار قوة هذه الحبوب حقًا."

وأراد الباحثون من جامعة كولومبيا معرفة السبب الذي يجعل الجرافين الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة ضعيفا للغاية. وأثناء فحص طرق معالجة الجرافين، اكتشفوا أن المادة الكيميائية الأكثر شيوعًا المستخدمة لإزالة ركيزة النحاس هي أيضًا المادة الأكثر ضررًا للجرافين، وبالتالي إضعاف قوته. أظهرت التجارب أن الجرافين CVD ذو الحبيبات الكبيرة قوي تمامًا مثل الجرافين المقشر، وهو اكتشاف يعزز الدليل على أن الشبكة البلورية نفسها نقية تمامًا. والأكثر إثارة للدهشة هو أن تجاربهم أظهرت أن الجرافين CVD ذو الحبيبات الصغيرة أقوى بنسبة 90٪ من قوة البلورة المثالية.

يوضح الباحث الرئيسي: "هذا اكتشاف مثير فيما يتعلق بمستقبل مادة الجرافين، لأنه يوفر دليلاً تجريبيًا على أن القوة الاستثنائية للجرافين على المستوى الذري يمكن الحفاظ عليها في جميع المستويات العيانية الأكبر". "إن قيمة هذه القوة ستكون لا تقدر بثمن مع استمرار العلماء في تطوير إلكترونيات مرنة جديدة ومواد مركبة قوية للغاية."

يمكن استخدام أسطح واسعة من الجرافين في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل المكونات الإلكترونية المرنة، خاصة لشاشات التلفزيون التي يمكن طيها مثل الملصق أو للمواد القوية التي يمكن أن تحل محل ألياف الكربون الشائعة اليوم؛ أو حتى، كما يتوقع علماء المستقبل، مصعد فضائي يمكنه توصيل الأقمار الصناعية بالأرض باستخدام كابل طويل مكون من طبقات الجرافين حيث أن هذه المادة هي الوحيدة المعروفة حاليًا التي يمكنها القيام بهذه المهمة.

أخبار الدراسة