البالون النانوي المثالي

صفائح "الجرافين" الرفيعة للغاية تحافظ على كل شيء بالداخل

الحاويات المختومة ليست دائما مختومة حقا. كما سيكتشف أي طفل في اليوم التالي لحفلة عيد ميلاده، فحتى بالون الهيليوم المربوط بإحكام سوف يتسرب الغاز بعد بضع ساعات. الآن، طور العلماء حاجزًا فعالاً للغاية لا يسمح بأي تسرب.

كما هو موضح في العدد الأخير من المجلة العلمية Applied Physics Letters، تتكون مادة التغليف هذه من الجرافين، وهو نسيج كربوني طبيعي يتكون من طبقة ذرية واحدة سميكة.

ويستخدم شكل ذو صلة من الكربون، الجرافيت، في سلاسل قلم الرصاص. على المستوى المجهري، يحتوي الجرافيت على ملايين الأسطح ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون. وحقيقة أن هذه الأسطح مرتبطة ببعضها البعض بشكل فضفاض للغاية هي ما يجعل الجرافيت مادة تشحيم جيدة. الجرافين هو البنية التي يتم الحصول عليها إذا تم أخذ أحد أسطح الجرافيت في المرة الواحدة. هذه الأجزاء الصغيرة من الكربون - مثل شبكة سداسية مكونة من ذرات الكربون - بالكاد تكون مرئية، وبالتالي تم اكتشاف الجرافين قبل بضع سنوات فقط.

الآن، وبفضل خصائص الجرافين المثيرة للاهتمام - مثل حقيقة أن الإلكترونات يمكن أن تتحرك فيه دون فقدان أي طاقة تقريبًا - فقد أصبح موضوعًا "ساخنًا" بين الفيزيائيين والكيميائيين. ومن أكثر مميزاتها إثارة للإعجاب هي قوتها الميكانيكية التي تثير الدهشة في حجمها في ظل رقتها الكبيرة.

أظهرت كل من التجارب المعملية والمحاكاة الحاسوبية أن صفائح الجرافين قادرة على تحمل الضغوط العالية وتكون بمثابة حاويات جزيئية مثالية. أجرى علماء الفيزياء النظرية في مجموعة فرانسوا بيترز من جامعة بلجيكا تجارب بهدف فحص كيفية قدرة صفائح الجرافين على تخزين الغازات في هيكل صغير يشبه البالون. إذا كانت هناك ذرة واحدة يمكنها الهروب من هذا الكيس النانوي، فستكون الهيليوم. باعتباره أحد الغازات النبيلة، فإن الهيليوم خامل كيميائيًا ويمكن أن يمر عبر أي إطار ذي سمك ذري.

وفي تجربة أجريت في جامعة كورنيل في مختبر هارولد كريجهيد، أظهرت شريحة من الجرافين ممتدة حول قارورة صغيرة أن الغاز، حتى عند الضغوط العالية، بقي في الداخل. (تم نشر هذا العمل في المجلة العلمية Nano Letters).

ويشير الباحث إلى أن الجرافين، بصرف النظر عن خصائصه الإلكترونية، يمكن أن يساهم في عدد من منتجات تكنولوجيا النانو. ومن الأمثلة على ذلك أجهزة استشعار الضغط الصغيرة: حيث تهتز شريحة من الجرافين حول زجاجة تحتوي على غاز عند ضغط معين بتردد يتوافق مع الضغط الداخلي للغاز. يمكن استخدام قطعة صغيرة من الجرافين كمرنان نانوي (جهاز يتم فيه إنشاء رنين كهربائي أو ميكانيكي أو صوتي، الرنان): بعد تثبيته على كلا الجانبين، سوف يهتز الجرافين عند ترددات الراديو. سيكون من الممكن نقل إشارة كهربائية إليها، بحيث يمكن استخدام الجرافين كهوائي راديو صغير. سيكون من الممكن استخدام الجرافين حتى كغشاء صناعي، ففي تصميمه كفقاعة نانوية، مثل الخلية الاصطناعية، سيكون الجرافين قادرًا على احتواء دواء سيتم إطلاقه في الجسم في نقاط زمنية يمكن التحكم فيها.

الأخبار من معهد البحوث