جدول المحتويات:

الجرافين: النظر إلى ما وراء الضجيج
الجرافين: النظر إلى ما وراء الضجيج

فيديو: الجرافين: النظر إلى ما وراء الضجيج

فيديو: الجرافين | المادة العجيبه التي أذهلت العلماء 2022, ديسمبر
Anonim

على الرغم من العناوين المثيرة للإعجاب ، ليس من الواضح متى ستظهر أشياء جديدة تمامًا من المادة الرائعة.

الجرافين: النظر إلى ما وراء الضجيج
الجرافين: النظر إلى ما وراء الضجيج

المادة العجيبة. إنها بسُمك ذرة واحدة فقط لكنها أقوى 200 مرة من الفولاذ ؛ موصلة للغاية ولكنها شفافة ومرنة. اشتهر الجرافين منذ اكتشافه في عام 2004 من قبل الباحثين المقيمين في المملكة المتحدة أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف ، حيث حصل زوج جامعة مانشستر على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010.

لقد سمعنا الحقائق. لقد قرأنا عن كيف يمكن للجرافين أن يدفع حدود تكنولوجيا اليوم بطرق غير محدودة تقريبًا. حتى أننا تصورنا فيلًا متوازنًا على قلم رصاص. ولكن بالنظر إلى ما وراء العناوين الرئيسية ، من الواضح أن الكثير من المجالات الأكثر إثارة في علم الجرافين لا تزال في مراحلها الأولى. سوف تمر سنوات ، وربما عقود ، قبل أن نرى أول الهواتف الذكية أو الطائرات أو السترات الواقية من الرصاص المعززة بالجرافين. ولكن بعيدًا عن هذه الوعود المذهلة ، فإن البحث الأساسي آخذ في الازدياد.

تقدم سريع

يقول أندريا فيراري ، مدير مركز كامبريدج للجرافين بجامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة: "إذا كان هناك أي شيء ، فإن تقدم الجرافين كان أسرع من المواد الأخرى المماثلة". ويشير إلى أنه في السنوات القليلة الأولى بعد اكتشاف الجرافين في عام 2004 ، اقتصرت معظم الأبحاث على الأوساط الأكاديمية وكانت فيزياء أساسية. "في حوالي عام 2009/2010 فقط بدأت أقسام وشركات الجامعات التطبيقية بالفعل في ملاحظة هذه المواد - لقد مرت أربع سنوات فقط."

حدثت طفرة في براءات الاختراع المتعلقة بالجرافين على مدار السنوات القليلة الماضية - فقد زاد العدد الإجمالي المنشور بأكثر من الضعف من عام 2012 إلى أكثر من 9000 في عام 2014. تم إيداع أكثر من ثلاثة أرباع هذه البراءات في الصين (47٪) ، كوريا (13٪)) أو الولايات المتحدة (18٪).

بالقرب من المنزل ، اجتذب البحث والتطوير في الجرافين العديد من الاستثمارات العامة الضخمة. في المملكة المتحدة هذا العام ، افتتح معهد الجرافين الوطني (NGI) ومقره مانشستر 61 مليون جنيه إسترليني بمبلغ 38 مليون جنيه إسترليني من حكومة المملكة المتحدة. وكانت مبادرة Graphene Flagship واحدة من الفائزين الكبار في مسابقة التكنولوجيا المستقبلية والناشئة للمفوضية الأوروبية ، وستتلقى 1 مليار يورو (730 مليون جنيه إسترليني) من ميزانية Horizon 2020 على مدى السنوات العشر القادمة ، والتي ستدعم كل من الأساسي والتطبيقي ابحاث. حتى الآن ، يضم المشروع أكثر من 140 منظمة شريكة في 23 دولة ، وقد أصدر مؤخرًا خارطة طريق لأبحاث الجرافين ، والتي تنسقها فيراري.

لحظة المصباح

جاءت لحظة تاريخية قبل بضعة أشهر فقط ، عندما تم الكشف عن أول منتج استهلاكي تجاري مُحسّن من الجرافين في المملكة المتحدة - وهو مصباح من إنتاج شركة Graphene Lighting ، وهي شركة انبثقت عن جامعة مانشستر و NGI.

لقد كان مطورو المصباح متكتمين إلى حد ما حول كيفية عمل التكنولوجيا ، قائلين فقط أن المصباح يحتوي على مصباح LED على شكل خيطي ومغطى بمادة الجرافين ، والتي تجعل الموصلية الفائقة كل شيء أكثر كفاءة بنسبة 10٪ ، بالإضافة إلى أنها تدوم لفترة أطول. كما أن تصنيعها أرخص ، وتتميز بمكونات "أكثر استدامة" ، كما يقول كولين بيلي من جامعة مانشستر ، أحد مديري الجرافين للإضاءة. يقول: "نتوقع طرح هذه المنتجات في السوق بحلول نهاية هذا العام". "لدينا سلسلة توريد".

ويضيف أن NGI لديها أجهزة أخرى في طريقها إلى المستقبل القريب ، بما في ذلك هوائي مصنوع من حبر الجرافين يمكن طباعته على الورق ، مما يفتح إمكانية وجود علامات تعريف تردد الراديو أرخص وأجهزة استشعار لاسلكية يمكن ارتداؤها. يقدر بيلي أن هذا سيكون جاهزًا للسوق في عام 2016. ويقول: "نحن نبحث فقط عن رأس المال لدعم المصانع وسلسلة التوريد التي نطلبها". لدينا أيضًا العديد من الأشياء الأخرى قيد التنفيذ - نحن نبحث في طلاء الجرافين ، على سبيل المثال ، البناء الفولاذي ، وننظر إلى البطاريات التي يمكن إعادة شحنها بشكل أسرع كثيرًا وتحمل المزيد من الطاقة وأيضًا الجرافين في المركبات.

في الواقع ، من المحتمل أن تكون المركبات المحتوية على الجرافين من أوائل التطبيقات الرئيسية الرئيسية للجرافين ، نظرًا للتكلفة المنخفضة نسبيًا لإنتاج أجزاء من الجرافين في المحلول عن طريق تقشير الطور السائل للجرافيت. يمكن أن يؤدي دمج كميات صغيرة من الجرافين في مواد أخرى مثل السبائك أو البوليمرات إلى زيادات أسية في القوة أو الموصلية ، مما سيمكن الشركات المصنعة من إنتاج دهانات وطلاءات واقية أفضل ، وأحبار موصلة للطباعة ثلاثية الأبعاد وطباعة نفث الحبر أو مواد بناء أقوى.

تتنبأ خارطة طريق الجرافين الرائد بأن المزيد والمزيد من الأحبار والمواد المشبعة بالجرافين ستبدأ في الوصول إلى السوق في غضون السنوات القليلة المقبلة ، وقد بدأت بعض الشركات في إنتاجها بالفعل. قامت شركة Haydale Graphene Industries المصنعة للمركبات بدمج ألواح الجرافين النانوية في راتنجات الإيبوكسي والبوليمرات المقواة بألياف الكربون ، وتتعاون حاليًا مع فريق سباقات اليخوت Alex Thomson Racing لمحاولة بناء سفن أقوى ولكن أخف وزنًا وتطوير طلاء يحسن الأداء.

أحدثت شركة هيد المصنعة للمعدات الرياضية الأمريكية ضجة في عام 2013 بمضرب تنس يستخدم بوليمر مُحسّن من الجرافين في العمود ، مما أدى إلى تغيير توزيع الوزن. هذا يعطي مضربًا بنفس "وزن التأرجح" الذي يكون أخف بنسبة 20٪ بشكل عام ، كما تدعي الشركة. حقق المنتج نجاحًا كبيرًا لـ Head ، كما أن براءة اختراع الشركة تغطي أيضًا المواد المستخدمة في المعدات الرياضية الأخرى ، بما في ذلك الزلاجات ونوادي الجولف. يقول بيلي: "هذا يسير بسرعة كبيرة حقًا ، وهذا هو المكان الذي أعتقد أنه فاجأ فيه السوق حقًا".

مواكبة المعايير

ترتبط سرعة تقدم الأجهزة والمواد القائمة على الجرافين ارتباطًا وثيقًا بالقدرة على تصنيعها بكميات كبيرة. في هذه المرحلة ، الطرق التي تنتج أفضل جودة من الجرافين أحادي الطبقة ، مثل التقشير الميكانيكي (طريقة الشريط اللاصق) وترسيب البخار الكيميائي (CVD) ، ليست فعالة من حيث التكلفة حاليًا بما يكفي لتكون مناسبة للإنتاج بالجملة ، ولا تزال كذلك يقتصر إلى حد كبير على البحث والتطوير. في حين أن هذا كان أحد العوامل في كبح بعض التطبيقات عالية التقنية للجرافين التي تتطلب صفائح كبيرة وخالية من العيوب أحادية الطبقة ، فإن تقنية إنتاج مواد أخرى ، مثل رقائق الجرافين قليلة الطبقات ومتعددة الطبقات ، بدأت في الانطلاق.

يقول Terrance Barkan ، مدير مجلس الجرافين ، وهي شبكة مخصصة للمشاركين في البحث والتطوير وإنتاج الجرافين: "كان هناك حوالي 100 شركة تعمل في إنتاج الجرافين منذ عامين … والآن يبلغ عددها حوالي 300 شركة".

في حين أن هذا النمو هو علامة واعدة من نواح كثيرة ، يحذر باركان من أنه يمكن أن يخلق مشاكل أيضًا. "توجد كل يوم شركة جديدة تدعي أنها تنتج الجرافين ، ولكن لا توجد على الإطلاق معايير متفق عليها عالميًا لهذه المادة … يطلق الناس على الأنابيب النانوية أحادية الجدار" الجرافين الملفوف "، أو لديك مادة ذات طبقة واحدة أو متعدد الطبقات ويشار إليه جميعًا باسم الجرافين. ما لم تكن مشتركًا في استخدام الجرافين على أساس منتظم ، فمن السهل الخلط بين المصطلحات المختلفة.

يقول باركان إنه كانت هناك حالات من عدم الاتساق من داخل نفس المورد ، مما أدى إلى حصول المشترين على دفعات من المواد بخصائص مختلفة قليلاً. يؤدي هذا إلى الكثير من الالتباس ، ويجعل من المخاطرة للغاية بالنسبة للشركات أن تبدأ في استبدال المواد التقليدية جيدة المواصفات بالجرافين في منتجاتها.

لمعالجة هذا الأمر ، يعمل مجلس الجرافين على إنشاء مجموعة من المعايير التي يمكن استخدامها لتوصيف جميع الاختلافات المختلفة على الجرافين عبر الصناعة. هذا أيضًا مجال نشط فيه الجرافين الرائد ، وفي العام الماضي طور باحثون من جميع أنحاء أوروبا "شجرة عائلة" لفرز وتصنيف أنواع مختلفة من الجرافين والمواد ذات الصلة.

يقول باركان: "التوحيد القياسي ليس مثيرًا". "إنه لا ينتج أي دخل - الناس يكرهونه! لكنني أزعم أنك إذا لم تتغلب على هذه العقبة فلن تصل أبدًا إلى سوق تجاري جاد ومتكامل على نطاق واسع.

العثور على القاتل

في حين أنه كان من المثير بلا شك رؤية ظهور أجهزة الجرافين الأولى ، سارع المتشائمون إلى الإشارة إلى أن المصابيح الكهربائية ومضارب التنس قادرة تمامًا على العمل بدونها. لا يزال من غير الواضح متى سيتم صنع الأشياء الجديدة تمامًا ، وحتى ماذا ستكون.

يقول فيراري: "من الصعب جدًا في بداية المجال أن يكون لديك بالفعل فكرة صحيحة عن مكان" التطبيق القاتل ". لإلقاء نظرة على ما قد يحدث لاحقًا ، يقول إننا بحاجة إلى إلقاء نظرة على تواريخ المواد المماثلة. على سبيل المثال ، تم تطوير الكربون الشبيه بالماس - كربون غير متبلور يعرض بعض الخصائص المشابهة للماس ولكن ليس له هيكل بلوري - لأول مرة في السبعينيات ، وفي ذلك الوقت ، مثل الجرافين ، اقترح أنه يمكن استخدام المادة في الترانزستورات.

يقول فيراري: "لكن لم يتم بيع أي ترانزستور وظيفي مصنوع من الكربون الشبيه بالماس خلال الخمسين عامًا الماضية". "من ناحية أخرى ، كانت هذه المادة ناجحة تمامًا في مجالات أخرى - كل قرص صلب للكمبيوتر في العالم لن يعمل بدون طبقة من الكربون الشبيه بالماس في الأعلى. في الوقت الحالي ، يتم إنتاج مليار جهاز كمبيوتر مثل هذا كل عام "ولكن بالطبع لم يكن لدى أي شخص في عام 1970 أي فكرة عما سيكون التطبيق القاتل بعد 40 عامًا".

في الوقت الحالي ، لا أحد يعرف ما هو تطبيق الجرافين القاتل ، ولكن العديد من خصائصه تشير إلى إمكاناته في مجال الإلكترونيات. تركز الكثير من أبحاث فيراري على تطوير إلكترونيات مرنة ، والاستفادة من الجرافين كموصل يتسم بالشفافية والانثناء والنحافة. بالشراكة مع شركة FlexEnable ومقرها كامبريدج ، أنتجت مجموعة Ferrari أول شاشة مرنة تعتمد على الجرافين العام الماضي ، وهي شاشة عاكسة على غرار القارئ الإلكتروني تستخدم أقطاب الجرافين المرنة بدلاً من المعادن والبلاستيك المنثني بدلاً من الزجاج للشاشة.

وضعت شركتا الهواتف المحمولة العملاقتان Samsung و Nokia أيضًا نصب أعينهما على الإلكترونيات المرنة القائمة على الجرافين ، حيث ضخت الملايين في مشاريع لتطوير شاشات قابلة للانحناء تستخدم الجرافين بدلاً من طبقة أكسيد قصدير الإنديوم الهشة وغير الملتوية المستخدمة في صنع شاشات اللمس الموجودة في الهواتف الذكية اليوم. والأجهزة اللوحية. على الرغم من أنه يُقال إن شركة Samsung قد أنتجت بعض النماذج الأولية العاملة ، إلا أن عملية CVD باهظة الثمن اللازمة لجعل الجرافين لا تزال تمثل تحديًا ، ولم تتوفر بعد للشراء.

هناك أيضًا حديث عن استبدال السيليكون في الرقائق ، حيث تبدأ قدرتنا على بناء رقائق أصغر وأصغر تحتوي على عدد أكبر من الترانزستورات في التباطؤ. لكن هذا الطريق ما زال طويلاً ، كما يحذر فيراري: "لن أتمكن أبدًا من استبدال ترانزستور السيليكون بالجرافين - ليس في حياتي." ويضيف أنه قد يستغرق 20 عامًا أخرى على الأقل قبل العديد من تطبيقات الجرافين الإلكترونية مستعدون لدخول السوق ، ويحذر من أن هناك حاجة إلى مزيد من الاستثمار.

يقول فيراري: "العنوان الرئيسي" 1 مليار يورو للجرافين "يبدو رائعًا ، ولكن بعد ذلك يبدو مثل الفول السوداني عندما تعتقد أن شركة واحدة لأشباه الموصلات قد تنفق عدة مليارات من الدولارات على مدى 10 سنوات لمجرد جعل جهاز واحد أصغر قليلاً. "ما لدينا في الوقت الحالي للجرافين هو حقًا البداية.".

تغيير العالم

بالنسبة لتيم هاربر ، مستشار تقني مشارك في إدارة العديد من الشركات الناشئة عالية التقنية ، هناك تقنيات غرافين أخرى متغيرة للعالم قد تكون أقرب بكثير إلى أن تصبح حقيقة واقعة. ويقول إن الفائزين الحقيقيين في "سباق الجرافين" هم أولئك القادرين على ترجمة التكنولوجيا إلى تطبيقات حيث يوجد طلب في السوق بالفعل.

يقول هاربر: "إذا كنت تتجول بحقيبة من الجرافين تحاول العثور على تطبيق لها ، فهذه مكالمة صعبة". "إذا تمكنت من العثور على طريقة لاستخدام الجرافين للقيام بشيء لا يمكن لأي شخص آخر القيام به ، فأنت تمتلك شركة."

من المجالات التي يعتقد هاربر أن مواد الجرافين واعدة بشكل خاص هي تنقية المياه. أسس مؤخرًا شركة G2O التي يقع مقرها في المملكة المتحدة ، والتي قامت بترخيص تقنية غشاء أكسيد الجرافين المطورة في جامعة ساوث كارولينا بالولايات المتحدة. تصنع أغشية ترشيح المياه من خلال طلاء ركيزة من مادة البولي أميد برقائق من أكسيد الجرافين ، والتي تتداخل وتلتف حول ألياف البولي أميد "لتقليد الطبقة المخاطية الموجودة أعلى قشور الأسماك" ، كما يقول هاربر. عند تعريض خليط من الزيت والماء للغشاء ، يحبس أكسيد الجرافين الماء داخل الهيكل ، مما يخلق جيوبًا محبة للماء تصد الزيت. هذا يجعل الغشاء مقاومًا جدًا للقاذورات ، وهي مشكلة شائعة في معظم تقنيات أغشية التنقية.

يقول هاربر: "تكاليف معالجة المياه مرتفعة للغاية في الوقت الحالي". "ولكن بمجرد أن تبدأ في طلاء هذه الأغشية ، تزداد فجأة كمية المياه التي يمكنك الحصول عليها من خلال ، وأشياء أخرى لا تفسد ، وهذا يترجم إلى توفير كبير. إذا نظرت إلى محطة تحلية نموذجية ، يمكننا على الأرجح توفير 40٪ من تكاليف الطاقة. "يمكن أن يوفر هذا النبات ما يصل إلى أنيس لتمويل توسيع نطاق هذه التكنولوجيا.

تحاول شركة أخرى يعمل معها ، Xefro ، تصميم السخان المثالي. يقول هاربر: "باستخدام أحبار الجرافين القابلة للطباعة ، توصلنا إلى سخانات يمكن تشكيلها بأشكال مختلفة يمكن دمجها في نسيج المباني". تشير الاختبارات الأولية إلى أن الجمع بين التكنولوجيا وأنظمة التحكم التي يمكن أن تعدل التدفئة في كل غرفة في المنزل يمكن أن يحقق توفيرًا في الطاقة بين 25٪ و 70٪ ، اعتمادًا على مدى عزل باقي المنزل. يقول هاربر: "يمكننا التوصل إلى حل يمكن أن يحافظ على انخفاض تكاليف التدفئة بنسبة 50-60٪".

تبدو هذه الأفكار مستقبلية ، لكن هاربر حريص على التأكيد على أنه من خلال الاستثمار الصحيح يمكن أن تصبح حقيقة في وقت أقرب بكثير مما قد تتوقعه. يقول: "أنا لا أتطلع إلى مشروع بحث مدته 10 سنوات ، ولا أتطلع إلى مشروع بحث مدته خمس سنوات". "هذا شيء نعتقد أنه يمكننا الوصول إليه في السوق في غضون عامين."

على الرغم من أن بعض المناطق تتقدم بشكل أسرع من غيرها ، إلا أن المادة الرائعة لا تظهر أي علامات لترك دائرة الضوء. باعتبارها تقنية بدأت للتو في جذب انتباه المستثمرين والصناعة ، يصف فيراري الجرافين بأنه "طفل حديث الولادة". لا يمكن أن يكون هناك شك في أنها ستبدأ في اتخاذ خطواتها الأولى قبل وقت طويل.

شعبية حسب الموضوع