هذه مادة يبلغ سمكها ذرة واحدة ولها تطبيقات في مجال الإلكترونيات النانوية وتخزين الطاقة وكمكون مستقبلي في المركبات والطائرات.
مادة جديدة تعتمد على الجرافين، والتي تساعد في فك بنية أكسيد الجرافيت ويمكن أن تؤدي إلى اكتشافات أخرى محتملة فيما يتعلق بالمادة التي يبلغ سمكها ذرة واحدة والمعروفة باسم الجرافين، والتي لها تطبيقات في الإلكترونيات النانوية، وتخزين الطاقة، وكمكون مستقبلي في المركبات والسيارات. الطائرات، تم تصنيعها من قبل باحثين من جامعة تكساس.
ومن أجل الحصول على فكرة عن مادة الجرافين النانوية، علينا أن نتخيل مادة خفيفة الوزن تتمتع بأقوى الروابط الكيميائية المعروفة في الطبيعة، وبالتالي تتمتع بخصائص ميكانيكية غير عادية. بالإضافة إلى ذلك، فهي موصلة للحرارة بشكل أفضل من أي مادة أخرى وتحتوي على ناقلات شحن تمر عبرها بسرعة هائلة. يتكون الجرافين، الذي يبلغ سمكه ذرة واحدة فقط، من مجموعة روابط من ذرات الكربون في هيكل سلك به شبكة سداسية (سلك الدجاجة) مثل قرص العسل وهو في الواقع طبقة واحدة من الجرافيت.
نجح أستاذ الهندسة الميكانيكية رود روف وشركاؤه في النشر، لأول مرة، في تصنيف الجرافيت بذرة الكربون النشطة مغناطيسيًا (C13). قاموا أولاً بتصنيع الجرافيت باستخدام ذرات الكربون العادية (C12) غير النشطة مغناطيسيًا، ثم استبدلوها بذرات الكربون النشطة وقاموا بأكسدة الجرافيت للحصول على أكسيده. في هذه المرحلة استخدموا الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة (NMR) لتمييز التركيب الكيميائي التفصيلي لأكسيد الجرافيت. تظهر نتائج هذه التجارب في المجلة العلمية Science.
"نتيجة لمنشورنا، سيتمكن العلماء والمهندسون الآن من إنتاج أنواع مختلفة من الجرافين (باستخدام الجرافين المسمى بالكربون 13 كمواد أولية سيتم إجراء الكيمياء المعروفة عليها) ودراسة هذه المواد القائمة على الجرافين باستخدام يقول الباحث الرئيسي: "الرنين المغناطيسي النووي في الحالة الصلبة للحصول على تركيبها الكيميائي التفصيلي". "يشمل ذلك حالات مثل الحالات التي يتم فيها خلط الجرافين مع البوليمر وربطه كيميائيًا في نقاط حرجة لإعداد المواد المركبة؛ أو مدمجة في مواد السيراميك أو الزجاج؛ أو استخدامه في المكونات الإلكترونية النانوية؛ أو امزجه مع المنحل بالكهرباء للحصول على بطاريات أكثر كفاءة. إذا لم نكن نعرف الكيمياء التفصيلية لهذه المواد، فلن نتمكن من تحسين خصائصها".
تعد المواد المعتمدة على الجرافين مجالًا بحثيًا يقع في مركز الاهتمام في الجامعات لأنه من المتوقع أن يكون لها تطبيقات لمواد قوية للغاية وخفيفة الوزن في نفس الوقت يمكن استخدامها في المركبات والطائرات مع تحسين كفاءة الوقود. الخلايا، في شفرات توربينات الرياح لتحسين إنتاج الطاقة الكهربائية، كمكونات أساسية في الإلكترونيات النانوية التي ستكون أكثر كفاءة، لتخزين الطاقة الكهربائية في البطاريات، وفي الألياف الموصلة الشفافة التي سيتم استخدامها في الخلايا الشمسية وشاشات العرض الرقمية. في كل من هذه التطبيقات، ستلعب التفاعلات الكيميائية الدقيقة مع المواد الخارجية دورًا مهمًا في فهم وتحسين أدائها.
أثبت روف وفريقه أنهم أنتجوا هذه المادة بالفعل بمساعدة الباحث فرانك ستاديرمان من جامعة واشنطن. استخدم الباحث مطياف كتلة خاص يستخدم عادة لقياس توزيع نظائر العناصر المختلفة الموجودة في النيازك الدقيقة التي هبطت على سطح الأرض (مطياف الكتلة هو جهاز يقيس النسبة بين الشحنة وكتلة الجسيمات المشحونة ومن خلال هذا القياس يمكن تحليل العينة، وتحديد تركيب المواد التي أعادتها.
ولهذا الجهاز أهمية كبيرة في الكيمياء التحليلية، ويستخدم لتحديد المواد في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الطب الشرعي، وضمان الجودة الصناعية، ويستخدم للبحث في مجالات واسعة: الفيزياء النووية، والكيمياء، وعلم الأحياء، وعلم الآثار، وغيرها.) . ثم أصبح مائة بالمائة من الجرافيت المسمى بالكربون 13 مائة بالمائة من أكسيد الجرافيت المسمى أيضًا بالكربون 13. ويوجد هذا الأكسيد أيضًا كمادة متعددة الطبقات، ولكنه يحتوي أيضًا على ذرات أكسجين مرتبطة بالجرافين من خلال روابط كيميائية. وفي الخطوة التالية، استخدم الباحثون طريقة GNP للحالة الصلبة لاكتشاف التفاصيل الكاملة لبنية الأكسيد. ويوضح الباحث الرئيسي أنه على الرغم من أن هذا الأكسيد تم تصنيعه قبل حوالي مائة وخمسين عاما، إلا أن الموقع الدقيق لذرات الأكسجين كان محل جدل علمي، حتى في الآونة الأخيرة.
ويشير الباحث الرئيسي إلى أن "القدرة على التحكم في العلامات النظائرية بين الكربون 12 والكربون 13 ستؤدي بالتأكيد إلى العديد من الدراسات ذات الأنواع المختلفة".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 3
يُكتب هنا أنهم استخدموا الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة (NMR) لتمييز التركيب الكيميائي التفصيلي لأكسيد الجرافيت.
وبقدر ما أعرف، يتم استخدام علم البلورات بالأشعة السينية أيضًا لتحديد التركيب الكيميائي للجزيئات.
متى تستخدم هذا الإجراء أو ذاك؟ أم أن هذين الشيئين مختلفان؟
من الواضح أن الفقرة الأخيرة "هذا الجهاز مملوك لـ..." وما إلى ذلك غير مفهومة.
وفي الوقت نفسه ينبغي الإشادة بالشرح الخاص بالجهاز، وعلى كاتبي العلوم أن يتعلموا كيفية توسيع وإثراء معرفة القراء المتعطشين للمعلومات والعلوم. تعد الأدوات جزءًا مثيرًا للاهتمام من العلوم، وأنا متأكد من أن العديد من القراء سيكونون سعداء بمعرفة المزيد عنها أكثر مما يتطوع الكتّاب.
ما المقصود بالضبط بـ "نشط مغناطيسيًا"؟ ففي النهاية، عدد الإلكترونات في كلا النوعين من النظائر هو نفسه. هل يتغير ترتيبها في المدارات بسبب نيوترون إضافي؟