کاربردهای گرافن
همانطور که در ابتدای بحث شناخت گرافن به آن اشاره شد؛ گرافن به علت انرژی بالای سطحی و درگیر شدن الکترون π آن، بسیار فعال بوده و دارای یک سری خواص ویژه است که پیش‌تر به آنها اشاره شد. خواص و ویژگی‌های ذکر شده هر یک منجر به کاربردی منحصر به فرد شده‌اند که در ادامه ابتدا به شرح برخی از این کاربردها به صورت تئوری و سپس چند مثال عینی از آنها می‌پردازیم:مقدمه:
همانطور که در ابتدای بحث شناخت گرافن به آن اشاره شد؛ گرافن به علت انرژی بالای سطحی و درگیر شدن الکترون π آن، بسیار فعال بوده و دارای یک سری خواص ویژه است که پیش‌تر به آنها اشاره شد. خواص و ویژگی‌های ذکر شده هر یک منجر به کاربردی منحصر به فرد شده‌اند که در ادامه ابتدا به شرح برخی از این کاربردها به صورت تئوری و سپس چند مثال عینی از آنها می‌پردازیم
سرعت اشباع:
سرعت اشباع، بیشترین سرعت حامل‌های بار (بیشتر در مورد الکترون‌های به کار می‌رود) درون یک نیمه رسانا در حضور یک میدان الکتریکی قوی است.
۱- کاربردهای الکترونیکی
گرافن به علت برخی خواص فیزیکی منحصر به فرد، کاربردهای گسترده‌ای در حوزه الکترونیک دارد. بین این خواص، قابلیت تحرک ذرات باردار درون گرافن یا همان موبیلیتی که آن را با حرف μ نمایش می‌دهند بسیار پراهمیت است. مقدار موبیلیتی برای گرافن cm2/V.s 100000 می‌باشد همچنین سرعت اشباع برای آن چیزی حدود m/s 107×۵ گزارش شده است. مجموع این خواص، گرافن را به عنوان یک رسانای قوی جهت کاربردهای الکترونیکی از جمله کاربرد در ترانزیستورها مستعد ساخته است.
۱٫ کاربردهای الکترونوری
یکی از حوزه‌هایی که به زودی تولیدات گرافنی در مقیاس صنعتی، در آن مشاهده خواهد شد بخش کاربردهای الکترونوری است؛ به خصوص در صفحات لمسی، نمایشگرهای کریستال مایع(LCD) و دیودهای نوری آلی (OLED). مواد قابل استفاده در کاربردهای الکترونوری باید قابلیت عبور بیش ۹۰ درصد نور و همچنین رسانایی بیش از ۱۰۶ اهم متر و مقاومت رسانایی پایین را داشته باشند. گرافن به عنوان یک ماده تقریبا شفاف قابلیت عبور بیش از ۹۷ درصد نور را از خود دارد و همچنین همان طور که سابقا به آن اشاره شد دارای رسانایی بسیار بالایی است؛ این ویژگی‌ها، گرافن را تبدیل به یک گزینه عالی جهت کاربردهای الکترونوری کرده است.
۲- کاربرد در ساخت کامپوزیت‌ها جهت استحکام بخشی
گرافن، محکم، سخت و بسیار سبک است. امروزه مهندسین هوافضا جهت کاهش وزن و افزایش استحکام بدنه فضاپیماها از ترکیبات دارای نانوالیاف بهره می‌برند. حال آنکه گرافن بسیار محکم‌تر و البته سبک‌تر است. انتظار می‌رود در آینده نه چندان دور از کامپوزیت‌های گرافنی به جای فولاد در بدنه فضاپیماها و همچنین ساخت ایستگاه‌های فضایی استفاده شود. همچنین به سبب ویژگی‌های الکتریکی گرافن می‌توان سطح فضاپیما را با آن پوشاند تا از خسارات ناشی از رعد و برق و امواج الکتریکی جلوگیری به عمل آید. از پوششی مشابه می‌توان جهت اندازه‌گیری نرخ کرنش اعمال شده حین حرکت به بدنه استفاده کرد. از این ویژگی می‌توان جهت افزایش مقاومت و استحکام در بسیاری از حوزه‌های دیگر از جمله وسایل حمل و نقل و زره‌های دفاعی بهره برد.
۳- گرافن و اکسید گرافن به عنوان نانوحامل دارو
امروزه با افزایش انحلال‌پذیری گرافن و اکسید گرافن از طریق استفاده از پلیمرهای عامل‌دار و یا ایجاد هیبرید اکسید گرافن، از آنها جهت دارورسانی استفاده می‌شود.
۴- مهندسی پزشکی
به طور قطع در آینده‌ای نزدیک، گرافن کاربردهای فراوان و گسترده‌ای در حوزه مهندسی پزشکی خواهد داشت. البته این مساله مستلزم تحقیقات و پیش بینی‌هایی در زمینه‌هایی از جمله امنیت سلامتی می‌باشد.
به علت سطح وسیع، رسانش بالا، نازکی و استحکام توامان، گرافن یکی از گزینه‌های مناسب جهت توسعه حسگرهای زیستی با قابلیت نظارت بر مواردی از جمله سطح گلوکز، سطح هموگلوبین، سطح کلسترول و حتی تعیین توالی DNA است.
همچنین امکان توسعه نوع خاصی از “گرافن‌های سمی” جهت استفاده به عنوان آنتی بیوتیک و یا داروی ضد سرطان نیز وجود دارد.
در کنار موارد ذکر شده، به علت زیست سازگاری و همچنین توانایی خودآرایی از سطح مولکولی، گرافن می‌تواند جهت بازسازی بافت‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
۵- فیلتراسیون قوی
یکی از ویژگی‌های برجسته گرافن این است که با وجود اینکه اجازه می‌دهد آب به راحتی از آن عبور کند؛ به سایر مایعات و گازها اجازه عبور و نفوذ نمی‌دهد(حتی مولکول‌های نسبتا کوچک هلیوم). این مساله به این معنی است که گرافن می‌تواند به عنوان یک عامل ممانعت کننده یا ابر فیلتر در میان دو ماده قرار بگیرد. مزیت گرافن بر سایر فیلترها این است که به علت نازک بودن و تشکیل شدن از تنها یک لایه اتمی می‌تواند به عنوان مانعی در میان دو ماده قرار بگیرد و به صورت الکترونیکی، کشش و فشار را اندازه‌گیری کند.
طی تحقیقات صورت گرفته، گرافن می‌تواند به عنوان فیلتر در سیستم تصفیه آب، سیستم‌های نمک‌زدا و آب شیرین کن و همچنین سیستم‌های کارآمد و با دوام تولید سوخت‌های زیستی که از نظر اقتصادی نیز بهینه هستند؛ مورد استفاده قرار بگیرد.
۶- ذخیره انرژی
یکی از مسائل مهم و اساسی حوزه صنعت استفاده بهینه از باطری‌ها و خازن‌ها برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز است. مساله اینجاست که یک باتری قابلیت ذخیره مقدار زیادی از انرژی را دارد، اما شارژ شدن باتری با این ظرفیت بالا وقت بسیار زیادی می‌برد یا اگر از طرف دیگر به ماجرا نگاه کنیم در صورت اهمیت زمان شارژ می‌توان با سرعت بیشتری باتری را شارژ کرد که در این صورت مقدار انرژی ذخیره شده بسیار کمتر خواهد بود. راه حل این مشکل تولید باتری‌ها یا خازن‌هایی است که هر دو ویژگی را هم زمان داشته باشند: سریع شارژ شوند و دارای ظرفیت زیادی باشند. امروزه استفاده از گرافن به عنوان آند در باتری‌های لیتیومی جهت افزایش طول عمر باتری‌ها، افزایش ظرفیت ذخیره انرژی و قابلیت سریع شارژ شدن، به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. همچنین اخیرا از گرافن در تولید ابرخازن‌هایی که قابلیت سریع شارژ شدن را دارند، استفاده شده است.
در ادامه این بخش سعی شده تا به نمونه‌های عملی شده تئوری‌های مرتبط با ویژگی‌های گرافن اشاره شود:
۱٫ ساخت ترانزیستور
یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه منچستر موفق به ساخت ترانزیستوری در ابعاد نانومتری به ضخامت یک اتم و قطر ده اتم شده است. این ترانزیستور با وجود ابعاد نانومتری و بسیار کوچک سرعت عملکرد بسیار بیشتری از ترانزیستورهای ساخته شده از سیلیکون دارد.
ترانزیستور:
ترانزیستور یکی از مهم‌ترین قطعات الکتریکی است که وظایفی مثل تقویت کنندگی مدار، منبع تغذیه و … را دارد
۲٫ نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر
یکی از شرکت‌های تولید کننده تلفن همراه با همکاری دانشگاه کره جنوبی توانسته با استفاده از قابلیت شفافیت گرافن و همچنین استحکام بالا در عین انعطاف‌پذیری موفق به ساخت نمایشگرهای لمسی منعطف شود که در برابر اعمال فشار و یا حتی ضربه خوردن از خود مقاومت نشان می‌دهد.
۳٫ تولید ابرباتری‌ها
محققان دانشگاه پسفیک نورث وست به این نتیجه رسیدند که با استفاده از گرافن می‌توان باتری‌هایی ساخت که بسیار سریع شارژ می‌شوند و مقدار بیشتری انرژی در خود ذخیره می کنند؛ همچنین محققان دانشگاه رایس متوجه شدند که ترکیب گرافن با وانادیوم اکسید راه حلی ارزان و به صرفه برای تولید نوع خاصی از باتری‌های گوشی تلفن همراه است که تنها عرض ۲۰ ثانیه شارژ مجدد می‌شود و قابلیت استفاده از ۹۰% ظرفیت خود را حتی تا سیکل هزارم استفاده را دارد.
۴٫۲٫۴) بافت زنده
گرافن به علت خاصیت انعطاف‌پذیری بالایی که دارد و همچنین توانایی زیست سازگاری در ساخت پوست مصنوعی، ایمپلنت‌های مصنوعی و سایر اعضای مصنوعی بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
*بیشتر بدانید:
هنگام قرار گرفتن مواد زیست سازگار در بدن موجود زنده، بدن آن را عضوی از خود فرض می‌کند و نسبت به آن واکنش دفاعی بروز نمی‌دهد و آن را پس نمی‌زند.
منبع : edu.nano.ir