جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010 - الجرافين وخلفية الفوز.

الجرافين - الشبكة الذرية الأكثر مثالية على الإطلاق

هناك طبقة رقيقة من الكربون العادي، سمكها ذرة واحدة، هي أساس جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام. أظهر الباحثان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف أن الكربون بهذا الشكل المسطح له خصائص غير عادية تنشأ من عالم فيزياء الكم المذهل.

الجرافين هو أحد أشكال الكربون. كمادة جديدة تمامًا، فهي ليست الأنحف فحسب، بل هي الأقوى أيضًا. كموصل للكهرباء، فإن أدائه يشبه أداء معدن النحاس. كموصل للحرارة فهو متفوق على جميع المواد المعروفة الأخرى. إنه شفاف تمامًا تقريبًا، لكنه في الوقت نفسه كثيف جدًا لدرجة أنه حتى الهيليوم، أصغر ذرة غاز، لا يمكنه المرور عبره.

ونتيجة لذلك، أحدث المقال حول الجرافين، الذي نُشر في مجلة Science المرموقة في أكتوبر 2004، ضجة كبيرة في جميع أنحاء المجتمع العلمي في العالم. فمن ناحية، تسمح الخصائص الفريدة للجرافين للعلماء بفحص الأسس النظرية للفيزياء. ومن ناحية أخرى، تظهر الآن مجموعة متنوعة من الإمكانيات للتطبيقات العملية للمادة، بما في ذلك إعداد مواد جديدة وتطوير مكونات إلكترونية مبتكرة. الكربون، أساس جميع أشكال الحياة على الأرض، فاجأنا مرة أخرى.

قلم رصاص وورقة وغراء

لم يكن هناك شيء أسهل من الحصول على الجرافين، المادة العجيبة المشتقة من الجرافيت العادي الموجود في رؤوس أقلام الرصاص. ومع ذلك، فإن الأشياء الأكثر وضوحًا وبساطة تكون أحيانًا مخفية عن الأنظار.

يتكون الجرافين من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض في نمط شبكة مسطحة - يشبه هيكل قرص العسل، ولكن بسمك ذرة واحدة. في الواقع، يحتوي المليمتر الواحد من الجرافيت على ثلاثة ملايين طبقة من الجرافين مكدسة واحدة فوق الأخرى. ترتبط الطبقات بشكل فضفاض وبالتالي يمكن فصلها وكسرها بسهولة. أي شخص حاول الكتابة بقلم رصاص يعرف هذه التجربة، ومن الممكن أنه أثناء هذا الإجراء، في الواقع، بقيت طبقة واحدة من الذرات - الجرافين - على الورقة.

وهذا ما حدث عندما استخدم الباحثان الشريط اللاصق لإزالة طبقات رقيقة من كتلة أكبر من الجرافيت بطريقة علمية أكثر منهجية. في البداية حصلوا على رقائق من مادة تحتوي على طبقات عديدة من الجرافين، ولكن عندما استخدموا طريقة لصق التمزيق عشر أو عشرين مرة أصبحت الرقائق أرق وأرق. كانت الخطوة التالية للباحثين هي العثور على أصغر أجزاء الجرافين بين الطبقات الرقيقة من الجرافيت وأشكال الكربون الأخرى. وهنا برزت الفكرة الرائعة الثانية في أذهانهم: لكي يتمكنوا من رؤية نتائج عملهم المضني، قرر الباحثون من مانشستر تثبيت الطبقات الناتجة على سطح أكسيد الزنك - المادة المعتادة المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات.

وعندما يتم وضع السطح تحت المجهر العادي، يمكن رؤية قوس قزح من الألوان، يشبه المظهر الذي يتم الحصول عليه عند سكب الزيت في الماء، وبالتالي تمكنوا من تحديد عدد طبقات الجرافين في المادة. اتضح فيما بعد أن سماكة سطح أكسيد الفورميك كانت حاسمة في اكتشاف الجرافين. تحت المجهر، تم الآن الكشف عن البنية الواضحة للجرافين، وهي مادة بلورية حقيقية ثنائية الأبعاد توجد في درجة حرارة الغرفة. الجرافين عبارة عن شبكة مرتبة تمامًا من ذرات الكربون ذات بعدين فقط، الطول والعرض. وتتكون الوحدة الأساسية لهذا النمط من ست ذرات كربون مرتبطة ببعضها كيميائيا. يحتوي الجرافين، مثل الأشكال الأخرى المعروفة من الكربون (الفوليرين والأنابيب النانوية)، على مليارات من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض في نمط سداسي.

في انتظار الاكتشاف

وغني عن القول أن الجرافين كان موجودًا دائمًا؛ وكان العامل المحدد هو القدرة على التمييز بينه. وعلى نحو مماثل، ظهرت أشكال طبيعية أخرى من الكربون قبل أن يلاحظها العلماء بوضوح: أولاً الأنابيب النانوية، ثم الكرات المجوفة من الكربون - الفوليرين (التي مُنحت عنها جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996). كان الجرافين محصورًا ومخفيًا داخل الجرافيت، وكان في انتظار اكتشافه (الصورة 2). لم يعتقد أحد حقًا أن هذا ممكن.

اعتقد العديد من العلماء أنه سيكون من المستحيل عزل مثل هذه المواد الصغيرة: حيث سيتم سحقها أو تدميرها في درجة حرارة الغرفة، أو حتى تختفي تمامًا. وعلى الرغم من هذه الأصوات، استمر عدد من العلماء في المحاولة، على الرغم من فشل المحاولات السابقة للحصول على الجرافين النقي. في هذا الوقت كان من الممكن الحصول على طبقات بسمك أقل من مائة ذرة - في الواقع، كان بعضها رقيقًا جدًا لدرجة أنه بدا شفافًا.

ومن طرق الحصول على الجرافين من الجرافيت، إدخال مواد كيميائية بين طبقات الذرات من أجل إضعاف الرابطة بينها وبين الطبقات المحيطة بها. هناك طريقة أخرى تتمثل في خدش طبقات الجرافيت وتقشيرها برفق. كما حاولوا وبنجاح "حرق" القصدير وتبخيره من بلورات كربيد القصدير. عند درجات الحرارة المرتفعة تبقى طبقات رقيقة من الكربون. تعد الطرق المختلفة للنمو الفوقي، والتي تستخدم لإنتاج مجموعة متنوعة من مواد أشباه الموصلات، من أكثر الطرق الواعدة لإنتاج الجرافين لاستخدامه في صناعة الإلكترونيات. تعد أسطح الجرافين التي يبلغ عرضها 70 سم أكبر مواد الجرافين التي تم إنشاؤها حتى الآن.

في عالم من المفارقات

ولم يتمكن الباحثون إلا من الحصول على رقائق دقيقة من المادة الجديدة. على الرغم من حجمها الصغير للغاية، يمكنهم الآن البدء في فحص اثنتين من خصائص الجرافين الفريدة، وكلاهما يؤثر على خصائصه الإلكترونية.

الميزة الأولى هي التركيب النقي للجرافين. الترتيب المثالي ينشأ من الرابطة القوية بين ذرات الكربون. وفي الوقت نفسه، تكون العقد مرنة بدرجة كافية للسماح بتمديد الشبكة حتى 20% من حجمها الأصلي. تسمح الشبكة المرتبة أيضًا للإلكترونات بالتحرك عبر مسافات كبيرة دون أي تدخل (بدون مقاومة كهربائية). في الموصلات العادية، غالبًا ما "ترتد" الإلكترونات من مكان إلى آخر، وهذا الشكل من النقل يضعف أداء المادة كموصل.

خاصية فريدة أخرى للجرافين تكمن في حقيقة أن الإلكترونات الموجودة فيه تتصرف مثل جزيئات الضوء، الفوتونات عديمة الكتلة، والتي تتحرك في الفراغ بسرعة 300 مليون متر في الثانية. وبشكل مشابه تمامًا، تتصرف الإلكترونات التي تتحرك داخل الجرافين كما لو أنها لا تملك كتلة، وتتحرك للأمام بسرعة ثابتة تبلغ مليون متر في الثانية. تعزز هذه الميزات إمكانية دراسة ظواهر معينة بسهولة أكبر على نطاق أصغر، أي دون الحاجة إلى مسرع جسيمات معقد.

يسمح الجرافين أيضًا للعلماء بفحص بعض الظواهر الكمومية الأكثر إثارة للدهشة والتي تمت مناقشتها حتى الآن من الناحية النظرية فقط. إحدى هذه الظواهر هي شكل من أشكال نفق كلاين الذي صاغه الفيزيائي السويدي أوسكار كلاين في عام 1929. وتصف نتيجة نفق كلاين في فيزياء الكم كيف تتمكن الجسيمات في بعض الأحيان من المرور عبر حواجز لا تنجح في العادة. كلما زاد حجم الحاجز، قلت فرصة مرور الجسيمات الكمومية. ومع ذلك، لا تنطبق هذه القاعدة على الإلكترونات التي تتحرك داخل الجرافين - ففي ظروف معينة تتحرك للأمام كما لو أن الحاجز غير موجود على الإطلاق.

عوالم الحلم

حظيت التطبيقات العملية المحتملة للجرافين بالكثير من الاهتمام. حتى الآن، معظمها لا يوجد إلا في رؤيتنا، ولكن العديد منها يتم اختبارها بالفعل، حتى من قبل الحائزين على جائزة نوبل أنفسهم.

تعد موصلية الجرافين مسؤولة عن الكثير من الاهتمام بهذه المادة. ويتوقع العلماء أن تكون الترانزستورات المعتمدة على الجرافين أسرع بكثير من تلك التي ينتجها زوران حاليًا. لكي تصبح رقائق الكمبيوتر أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، يجب أن تصبح أصغر حجمًا. إن فكرة استخدام القالب تصل بالفعل إلى حدود حجمها، عندما تتوقف المادة عن العمل بالشكل المطلوب. إن الحد الأدنى للجرافين أقل من ذلك، لذلك يمكن تكديس المكونات القائمة على الجرافين على شريحة أكثر كثافة وكفاءة.

لقد وصل العلماء إلى إنجاز مهم قبل بضع سنوات عندما تم تطوير مكون رئيسي، وهو ترانزستور الجرافين، والذي يتميز بسرعة نظيره المعتمد على السيليكون. ومن الممكن أننا الآن على وشك إجراء مزيد من التصغير للمكونات الإلكترونية مما سيؤدي إلى زيادة الكفاءة في أجهزة الكمبيوتر في المستقبل. اليوم، أصبحت أجهزة الكمبيوتر الجرافين أكثر من مجرد حلم بعيد المنال، على الرغم من أن شاشات الكمبيوتر الشفافة والقابلة للطي يجري تطويرها بالفعل للإلكترونيات في المستقبل القريب.

وفي غضون ذلك، لا يسعنا إلا أن نتكهن بما ستكون عليه بعض هذه التطبيقات، العملية إلى حد ما، وكلها سوف تتطلب المزيد من البحث.

نظرًا لأن الجرافين شفاف عمليًا (ما يصل إلى 98٪ تقريبًا) وقادر أيضًا على توصيل الكهرباء، فيجب أن يكون مناسبًا لإنتاج شاشات اللمس الشفافة وألواح الإضاءة وربما حتى الخلايا الشمسية. كما سيكون من الممكن استخدام البلاستيك كمكونات إلكترونية إذا أضفنا إليها 30% فقط من الجرافين. وبالمثل، فإن إضافة نسبة صغيرة من الجرافين إلى البلاستيك يزيد من مقاومته للحرارة بحوالي XNUMX درجة مئوية، كما يزيد من صلابة البلاستيك. ويمكن استخدام هذه الميزة لتطوير مواد مبتكرة قوية للغاية، والتي ستكون أيضًا رقيقة ومرنة وخفيفة الوزن. وفي المستقبل، سيكون من الممكن صنع الأقمار الصناعية والطائرات والسيارات من هذه المواد المبتكرة.

كما أن البنية المثالية للجرافين تجعله مناسبًا لإنتاج أجهزة استشعار حساسة للغاية يمكنها اكتشاف أدنى مستويات الملوثات. سيكون من الممكن قياس امتصاص حتى جسيم واحد.

لعبة خطيرة

قائمة التطبيقات المحتملة للجرافين طويلة. إن النشاط المحموم الذي بدأ بعد اكتشاف مادة الجرافين سيؤدي في النهاية إلى نتائج. لا أحد يستطيع التنبؤ بما يحمله المستقبل، ولا حتى الفائزين هذا العام. لقد سمحوا لأنفسهم بالسير واحدًا تلو الآخر في متاهة من الاحتمالات، وكان لديهم الحظ والمعرفة لاغتنام الفرص التي ظهرت أمامهم - كما نعلم أن الفرص لا تظهر إلا لأولئك المستعدين لها.

يعتقد كلا الفائزين أن البحث يجب أن يكون ممتعًا. لقد عملوا معًا لفترة طويلة. بدأ كونستانتين نوفوسيلوف، البالغ من العمر 36 عامًا، العمل في مجموعة أندريه جيم (Andre Geim)، البالغ من العمر 51 عامًا، كطالب بحث في هولندا. ثم تبع معلمه إلى بريطانيا. بدأ كلاهما دراساتهما ومهنهما البحثية في روسيا. اليوم كلاهما يعملان كأستاذين في جامعة مانشستر.

الروابط ومزيد من المعلومات

مواقع مهمة ومميزة
مجموعة فيزياء المواد المكثفة التابعة لـ AK Geim، جامعة مانشستر
مجموعة كيم، جامعة كولومبيا
ساينتفيك أمريكان، www.scientificamerican.com، ابحث عن "الجرافين"

محاضرات (فيديو)
Geim، AK Graphene، سحر الكربون المسطح، جامعة لانكستر، يونيو 2010

مقالات علمية شعبية
Geim، AK and Kim، P. (2008) Carbon Wonderland، مجلة ساينتفيك أمريكان 298(4): 90-97.
Chodos, A. (Ed.) (2009) 22 أكتوبر 2004: اكتشاف الجرافين، أخبار وكالة الأنباء الجزائرية 18(9):2

المنشور الأصلي
Novoselov، KS، Geim، AK، Morozov، SV، Jiang، D.، Zhang، Y.، Dubonos، SV، Grigorieva، IV and Firsov، AA (2004) تأثير المجال الكهربائي في أفلام الكربون الرقيقة ذريًا، العلوم 306 (5696) : 666-669.