في عام 2010، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لاثنين من العلماء الذين عزلوا لأول مرة مادة الجرافين - بلورات أحادية الطبقة من مادة الجرافيت المعروفة. والآن يحاول الباحثون في جامعة هيوستن تطوير طريقة للإنتاج التجاري لهذه المادة الثورية
في عام 2010، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لاثنين من العلماء الذين عزلوا لأول مرة مادة الجرافين - بلورات أحادية الطبقة من مادة الجرافيت المعروفة. والآن يحاول الباحثون في جامعة هيوستن تطوير طريقة للإنتاج التجاري لهذه المادة الثورية.
يتمتع الجرافين بالعديد من الخصائص الفريدة التي تجعله مختلفًا عن أي مادة أخرى معروفة للعلم: فهو أول مادة ثنائية الأبعاد تم تطويرها على الإطلاق؛ أنحف وأقوى المواد المعروفة؛ أفضل موصل للحرارة تم العثور عليه حتى الآن؛ موصل للكهرباء أكثر كفاءة من النحاس؛ إنها في الواقع مادة شفافة؛ وهو مضغوط لدرجة أنه لا يمكن لأي نوع من الغاز أن يمر عبره. هذه الخصائص تجعل من الجرافين مكونًا مهمًا للغاية في مجالات متنوعة، بدءًا من أجهزة تخزين الطاقة وحتى شاشات العرض المسطحة.
ربما تكمن الميزة الأكثر أهمية للجرافين في قدرته على استخدامه كبديل لمواد السيليكون في رقائق الكمبيوتر. ستسمح خصائص الجرافين باستمرار المد المستمر في القدرة الحاسوبية في العقود القادمة.
ومع ذلك، من أجل تحقيق هذه المزايا، من الضروري إيجاد طريقة لإنتاج كمية كبيرة من الجرافين ذات نوعية جيدة، دون عيوب. يقوم تشينغكاي يو، الأستاذ في قسم الهندسة الكهربائية بجامعة هيوستن، بتطوير طرق الإنتاج التجاري لمثل هذا الجرافين عالي الجودة.
ويستخدم الباحث تقنية تعرف باسم "ترسيب البخار الكيميائي" (CVD). في هذه العملية، يقوم بتسخين الميثان إلى درجة حرارة 1000 درجة مئوية، وتقسيم المادة إلى وحدات بنائها - ذرات الكربون وذرات الهيدروجين. وفي الخطوة التالية، ترتبط ذرات الكربون بسطح معدني لتشكل الجرافين.
يوضح الباحث: "بهذه الطريقة، من الممكن إنتاج جرافين عالي الجودة وبتكلفة زهيدة وبكميات تجارية". ووصف الباحث لأول مرة القدرة على استخدام هذه الطريقة لإنتاج الجرافين قبل عامين في مقال نشر في المجلة العلمية Applied Physics Letters. ومنذ ذلك الحين، يواصل تحسين هذه العملية المهمة.
وفي المراحل الأولى من بحثه، أدت هذه الطريقة إلى الحصول على عدة طبقات من الجرافين مرتبطة ببعضها البعض بواسطة سطح من النيكل. ثم اكتشف كفاءة استخدام النحاس لإنتاج الجرافين. ومنذ ذلك الحين، اعتمد علماء الجرافين استخدام الأسطح النحاسية باعتبارها الأسطح المفضلة.
عمل يو لم ينته بعد. تتكون طبقات الجرافين الفردية التي تم الحصول عليها اليوم باستخدام طريقته من بلورات جرافين متعددة تم ضمها معًا أثناء عملية التوليف. النقاط التي تتصل بها هذه البلورات، والمعروفة باسم "الحدود الأساسية"، هي في الواقع عيوب هيكلية تحد من فائدة الجرافين، خاصة كبديل لرقائق الكمبيوتر القائمة على السيليكون. ويحاول الباحث، بسبب هذا العيب، إنتاج طبقات واسعة من الجرافين مصدرها بلورة واحدة.
يوضح الباحث: "يمكنك بسهولة أن ترى مدى أهمية هذا الجرافين عالي الجودة". "لقد أصبح مجال أشباه الموصلات صناعة كثيفة رأس المال تعتمد على بلورات واحدة من السيليكون، ويعتبر الجرافين مادة عصر ما بعد السيليكون. لذا فإن بلورات الجرافين المفردة هي في الأساس الكأس المقدسة والوجهة المرغوبة للجيل القادم من أشباه الموصلات."
