نهج جديد للكشف عن العيوب في مادة الجرافين والقضاء عليها

وفي مقال نشر في المجلة العلمية Nature Chemistry، أوضح باحثون من جامعة براون كيف تمكنوا من تحديد موقع ذرات الكربون المختلفة التي تسبب العيوب بدقة أثناء تحضير مادة الجرافين في عملية تعرف باسم اختزال أكسيد الجرافين.

قد يكون الجرافين، وهو سطح كربون يبلغ سُمكه ذرة واحدة، في قلب الثورة القادمة في علم المواد. وفي هذه الصفائح الصغيرة للغاية تكمن إمكانات كبيرة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من استبدال المواد الحديدية في الخلايا الشمسية وحتى تبريد رقائق الكمبيوتر.

وقال الباحث الرئيسي فيفيك شينوي، أستاذ الهندسة في جامعة براون، إنه على الرغم من قدرته المتأصلة، فإن الجرافين ومشتقاته "هي مواد لا نفهم عنها سوى القليل جدًا". "كلما فهمنا خصائصها بشكل أفضل، كلما انفتحت أمامنا إمكانيات تكنولوجية أكبر."

وحصل الباحث وفريق من العلماء الأمريكيين على رؤى جديدة حول هذه المواد الغامضة. وتمكن فريق البحث من تحديد التكوين الذري للذرات غير الكربونية التي تسبب عيوبًا أثناء تحضير الجرافين في عملية تعرف باسم اختزال أكسيد الجرافين. وكنتيجة لهذه الدراسة، يوصي العلماء بكيفية تحسين هذه الطريقة من خلال وصف تفصيلي يستخدم فيه غاز الهيدروجين - بدلاً من الحرارة - لإزالة الشوائب / العيوب على سطح الجرافين.

الأسطح المنتجة في عملية اختزال أكسيد الجرافين تكون ثنائية الأبعاد وتشبه مستويات الكربون التي تشبه قرص العسل. معظم الذرات الموجودة في الشبكة البلورية هي الكربون، وهي المادة المرغوبة للعلماء. ومع ذلك، داخل الهيكل، يتم أيضًا نسج ذرات الأكسجين والهيدروجين فيها، مما يضعف توحيد بنية السطح. ومن خلال تطبيق ما يكفي من الحرارة على البلورة، ترتبط بعض ذرات الأكسجين بذرات الهيدروجين ويتم إزالتها على شكل ماء. ومع ذلك، فإن بعض ذرات الأكسجين هذه تكون أكثر عنادًا وتظل داخل الهيكل.

استخدم الباحثون محاكاة الديناميكيات الجزيئية لمراقبة التكوين الذري لشبكة الجرافين وتحديد سبب بقاء ذرات الأكسجين المتبقية داخل البنية. ووجدوا أن ذرات الأكسجين "المترددة" شكلت روابط مزدوجة مع ذرات الكربون، وهو ترتيب كيميائي مستقر للغاية يؤدي إلى ظهور مجمعات غير منتظمة في الشبكة. ويوضح الباحث الرئيسي أن ذرات الأكسجين التي تشكل روابط مزدوجة مع ذرات الكربون "تتمتع بطاقة منخفضة للغاية". "إنهم غير نشطين، لذا من الصعب إبعادهم عن الهيكل."

الآن بعد أن فهم الباحثون خصائص ذرات الأكسجين العنيدة في الجرافين، يوصون بإضافة ذرات الهيدروجين بكميات ثابتة وفي مناطق محددة ويزعمون أن هذه هي أفضل طريقة لإعادة تدوير المزيد والمزيد من أكسيد الجرافين. إحدى هذه الطرق الواعدة، كما أوضح الباحثون في مقالتهم، هي تدفق الهيدروجين إلى تلك النقاط التي ارتبطت فيها ذرات الأكسجين بذرات الهيدروجين وخلقت منافذ واسعة. وفي الخطوة التالية، من المفترض أن تتحد ذرات الهيدروجين والأكسجين معًا لتشكل مجموعات الهيدروكسيل وتترك البلورة، أي "إصلاح الثقب"، بحسب مقال الباحث الرئيسي. هناك طريقة أخرى تتمثل في إزالة شوائب الأكسجين من خلال التركيز على المناطق التي تتشكل فيها مركبات الكربونيل - ذرات الكربون المرتبطة بذرات الأكسجين بواسطة رابطة مزدوجة. ويعتقد الباحثون أنه بعد إدخال الهيدروجين، ستكون ذرات الأكسجين قادرة على الانفصال عن البنية على شكل قطرات ماء.

وفي الخطوة التالية، يخطط الباحثون لاختبار أساليب الهيدروجين الخاصة بهم بالإضافة إلى فحص خصائص أكسيد الجرافين بأنفسهم بمزيد من التفصيل.

الخبر من الجامعة