گرافن چیست؟ کاربردها، روش سنتز

اولین سوالی که به ذهن می رسد این است که گرافن چیست؟ گرافن یکی از ساختار های کربنی است که در قرن اخیر کشف شده است. سوال بعدی کاربرد گرافن و روش سنتز گرافن است؛ ساختار گرافن بدلیل ویژگی هایی که دارد، کاربرد زیادی در صنایع مختلف پیدا کرده است که در مقاله پیش رو به معرفی گرافن، کاربردهای گرافن و روش های سنتز آن بیشتر خواهیم پرداخت.

قابل ذکر است شرکت تمادکالا در زمینه فروش گرافن در مقادیر دلخواه آماده خدمت رسانی می باشد. شما می توانید با مراجعه به بخش مربوط خرید خود را ثبت کنید.

فروش گرافن

کربن ماده پایه تمام ساختارهای زنده روی زمین است. این عنصر، در تمامی ساختارهای زنده یافت میشود. ماده سیاه حاصل از سوختن تمامی مواد آلی یا ساختارهای زنده، کربن است. کربن در طبیعت به شکل های مختلفی مانند الماس و گرافیت یافت میشود. گرافیت، لایه هایی از اتمهای کربن هستند که با پیوند واندروالسی به یکدیگر متصل شده اند. در هر کدام از این لایه ها، هر اتم کربن به سه اتم کربن دیگر متصل است و ساختاری به شکل لانه زنبور خواهند داشت. هر اتم کربن دارای 4 الکترون پیوندی است. در صفحات گرافیت، 3 پیوند کوالانسی قدرتمند تشکیل میدهد و دیگر الکترون آن، باعث تشکیل پیوند واندروالسی بین صفحات میشود که منجر به تشکیل گرافیت میشود. از آنجایی که پیوند واندروالسی ضعیف است، این لایه ها میتوانند به سادگی روی همدیگر بلغزند و به همین دلیل است که گرافیت خاصیت روانکنندگی نیز دارد و در بسیاری از صنایع به عنوان روان کننده استفاده میشود.

به هرکدام از این صفحات گرافیت که به شکل شش ضلعی به یکدیگر متصل هستند، گرافن گفته میشود. بدلیل نیروی بسیار زیاد پیوند های کووالانسی، گرافن با وجود نازک بودن، بسیار مقاوم و مستحکم است. وجود الکترون چهارم خارج از صفحه(روی صفحه) باعث رسانایی بسیار زیاد گرافن میشود. گرافن جزو ساختارهای ابررسانا محسوب میشود.

انواع ساختار های کربنی

البته سنتز این ساختار گرافنی نیز دردسر های خود را دارد و کار دشواری به حساب می آید که در ادامه به معرفی برخی روش های معروف سنتز آن می پردازیم.

روش های سنتز گرافن یا سنتز گرافن اکساید

روش های سنتز گرافن به دو دسته بالا به پایین و پایین به بالا تقسیم میشوند. روش های بالا به پایین روشهایی هستند که مانند تراشیدن، از قطعات بزرگ، به قطعات کوچکتر میرسند اما روشهای پایین به بالا روشهایی هستند که شامل چیدن تک تک اتم ها در کنار یکدیگر برای تشکیل ساختار نهایی میشوند.

فروش اکسید گرافن

روش های سنتز گرافن

• روش سنتز گرافن به روش رسوبدهی شیمیایی فاز بخار(CVD)

در این روش، ماده اولیه که حاوی کربن است را به شکل بخار وارد محفظه ای که معمولا دارای دمای بالا و فشار پایینی است، در این محفظه فعل و انفعالاتی صورت میگیرد که درنهایت منجر به رسوب محصول روی زیرلایه مورد نظر میشود(بدین معنا که محصول، روی سطح زیرین که قصد نشاندن کربن روی آن را داریم، نشست میکند). محصولات خروجی آن از طریق لوله خروجی، خارج میشوند. در این روش اغلب از تجزیه گاز اتیلن و رسوب دادن آن روی سطح نیکل برای تولید گرافن استفاده میشود.

• روش سنتز گرافن  لایه لایه سازی میکرومکانیکی گرافیت

به این روش پوست کنی یا روش اسکاتلندی نیز گفته میشود. در این روش، لایه های گرافن از سطح دیگری جدا شده و روی سطح دیگری مینشینند. در این روش ممکن است از میکروسکوپ نیروی اتمی AFM و یا نوارچسب برای جدا کردن لایه های گرافن از گرافیت استفاده کرد. اساس این روش، تضعیف و جدا کردن پیوند های واندروالسی بین لایه های گرافن در ساختار گرافیت است.

• روش سنتز گرافن تولید گرافن از اکسید گرافیت(روش هامرز)

در این روش ابتدا گرافیت را در معرض یک اسید یا اکسید کننده های قوی(میتواند ترکیبی از H2SO4، KClO3 و HNO3 یا H2SO4، KMnO4 و H2O2 باشد) قرار میدهند تا اکسید شوند. در این فرآیند گروههای مختلف اکسیژن دار زیادی به گرافیت میچسبند و تشکیل اکسید گرافیت میدهند. بعد از آن به یکی از سه روش زیر، اکسید گرافیت را به گرافن تبدیل میکنند:

• روش سنتز گرافن کاهش شیمیایی

اکسید گرافیت را وارد آب خالص یا دی متیل فرم آمید میکنند. به علت وجود گروه های عاملی قطبی و آبدوست بودن اکسید گرافیت، آب جذب سطوح آبدوست آن میشود که در نهایت منجر به جدا شدن لایه ها از یکدیگر میشود. در روشی دیگر، با استفاده از امواج فراصوت و هم زدن اکسید گرافیت در آب برای یک مدت طولانی، لایه های گرافن اکسید به شکل کلویید در آب تشکیل میشوند. در نهایت اکسید گرافن تهیه شده، با استفاده از NaBH4 احیا میشود و تک لایه های گرافن تشکیل میشوند.

• روش سنتز گرافن کاهش گرمایی

در این روش اکسید گرافیت را درون کوره تا دمای 1050 درجه سانتی گراد حرارت میدهند که با نام کاهش گرمایی شناخته میشود.

• روش سنتز گرافن احیای الکتریکی

در این روش نیز، اکسید گرافیت را در آب خالص یا دی متیل فرم آمید میریزند تا اکسید گرافن تشکیل شود. سپس با اعمال پتانسیل الکتریکی حدودا 2/1 ولت نسبت به الکترود مرجع Ag/AgCl، گرافن روی الکترود کربن شیشه ای رسوب میکند.

• روش سنتز گرافن استفاده از پرتو لیزری

در این روش یک پرتو لیزری به یک صفحه هدف از ماده اولیه کربنی برخورد میکند و باعث تشکیل لایه های گرافن میشود. در این روش، لازم است که دما بسیار پایین باشد(از نیتروژن مایع استفاده میشود) تا در زمانی که پرتو به نمونه برخورد میکند، با بالا رفتن دمای آن، نمونه نابود نشود. این روش با نام سایش لیزری شناخته میشود و به این شکل است که لایه های گرافن، یکی یکی از سطح ساییده و جدا میشوند.

روشهای تولید گرافن و کاربردهای هرکدام

• روش سنتز گرافن لایه برداری شیمیایی

یکی دیگر از روش ها، لایه برداری شیمیایی است. در این روش گرافیت را درون محلولی میریزند و توسط سانتریفیوژ که با سرعتی در حدود چند هزار دور بر دقیقه میپرخد، لایه های گرافن جدا شده و رسوب میکنند.

• روش سنتز گرافن رشد همبافته

در این روش، عنصر غیرکربنی را درون یک ترکیب کربنی تبخیر کرده و در نهایت گرافن تشکیل میشود. به عنوان مثال با استفاده از دادن حرارت به SiC در محیط خلاء، جزایر گرافنی شروع به تشکیل شدن میکنند.

کاربردهای گرافن

پاسخ اینکه کاربرد گرافن چیست بسیار مفصل است؛ گرافن به علت انرژی سطحی بسیار بالای آن و آزاد بودن الکترون Π، خواص و ویژگی هایی از خود ارائه می دهد که منجر به کاربردهای منحصر به فردی می شود. در ادامه به معرفی برخی کاربردهای گرافن در ساختارهای کربنی خواهیم پرداخت.

• کاربردهای الکترونیکی گرافن

قابلیت تحرک ذرات باردار بر روی گرافن بسیار زیاد است. این خاصیت را موبیلیتی مینامند که بدلیل موبیلیتر زیاد، گرافن یک ابررسانای بسیار قدرتمند است که می تواند برای ساخت ترانزیستورها مورد استفاده قرار بگیرد.

• کاربردهای الکترونوری گرافن

یکی از حوزه هایی که گرافن در آن کاربرد زیادی دارد و در آینده، گرافن کاربرد صنعتی زیادی در آن خواهد داشت، کاربردهای الکترونوری است. بویژه در صفحات لمسی، نمایشگرهای کریستال مایع(LCD) و دیودهای نوری آلی(OLED). موادی که در الکترونوری مورد استفاده قرار میگیرند، باید قابلیت عبور بیش از 90 نور را داشته باشند. همچنین این مواد باید دارای رسانایی الکتریکی خیلی بالایی باشند. گرافن با شفافیت 97 درصد و رسانایی الکتریکی بسیار بالا، برای کاربردهای الکترونوری گزینه خیلی مناسبی است.

• ساخت کامپوزیت ها برای استحکام بخشی گرافن

گرافن، سخت، بسیار محکم و سبک است. همین موضوع هم آنرا به گزینه بسیار مناسبی برای استفاده در صنعت هوافضا تبدیل کرده است. امروزه از فناوری نانو در صنعت هوافضا استفاده میشود اما گرافن هم گزینه بسیار مناسبی برای استفاده است. با پوشش دادن گرافن بر سطح فضاپیما یا هواپیما، میتوان از هواپیما در مقابل رعد و برق و یا امواج الکتریکی محافظت کرد. از گرافن و استحکام آن، میتواند در بسیاری از کامپوزیت های دیگر نیز برای افزایش استحکام و مقاوت مکانیکی استفاده کرد.

• استفاده از گرافن به عنوان حامل دارو

با افزایش انحلال پذیری گرافن یا اکسید گرافن از طریق استفاده از پلیمرهای عامل دار ، از آن برای دارورسانی استفاده میشود.

به طور کلی نانوداروها بسیار در رهایش دارو مورد استفاده قرار میگیرند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این مورد میتوانید اینفوگرافیک “فناوری نانو در دارورسانی” را مشاهده فرمایید.

• استفاده از گرافن مهندسی پزشکی

گرافن بدلیل سطح زیاد، رسانایی بالا، نازکی و استحکام، به احتمال بسیار زیاد در آینده در حوزه مهندسی پزشکی کاربردهای بسیار خواهد یافت. از گرافن می توان برای بهبود بخشیدن به حسگرهای زیستی استفاده کرد. تنها مشکلی که همچنان برای استفاده از گرافن در پزشکی وجود دارد، اثبات سالم بودن آن برای بدن است.

همچنین از گرافن به عنوان بیوسنسورها نیز استفاده میشود. میتوانید از خبر “استفاده از خالکوبی گرافنی به جای سنسور” نیز بازدید فرمایید.

• استفاده از گرافن فیلتراسیون

ساختار گرافن به صورتی است که مولکولهای آب میتوانند از آن عبور کنند ولی به سایر مایعات و گازها به سادگی اجازه عبور نمیدهد. به همین دلیل هم میتوان از آن برای کابردهای تصفیه استفاده کرد. گرافن میتواند دز سیستم های تصفیه آب و آب شیرین کن مورد استفاده قرار بگیرد.

• استفاده از گرافن ذخیره انرژی

یکی از چالش های صنعت ، استفاده بهینه از خازن ها و باتری ها است. مشکلی که وجود دارد، زمان بسیار طولانی مورد نیاز برای شارژ شدن باتری است. امروزه استفاده از گرافن به عنوان آند در باتری های لیتیوم یونی جهت افزایش طول عمر باتری ها، افزایش ذخیره انرژی و قابلیت سریع شارژ شدن، به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است.

• استفاده از گرافن سایر کاربردها

کاربرد گرافن حوزه های بسیاری را شامل می شود. از گرافن می توان به عنوان روان کننده نیز استفاده کرد. دوام گرافن در روان کنندگی نسبت به گرافیت های قدیمی نیز خیلی بیشتر است.

از پوشش گرتافن میتوان برای ضد آب کردن دستگاه ها یا تجهیزات نیز استفاده نمود. گرافن رسانایی حرارتی بسیار بالایی نیز دارد و به همین دلیل است که می توان از آنها در خنک کننده استفاده کرد. آنها به سرعت حرارت را انتقال میدهند.

خرید نانو مواد

نتیجه گیری

گرافن یکی از ساختارهای بسیار معروف در جهان است که از ابتدای کشف آن، تبدیل به یکی از حوزه های اصلی پژوهش دانشمندان و فناوران شده است. در حال حاضر گرافن در ابعاد صنعتی و در گرید های مختلف تو میشود که در صنایع مختلفی نیز مورد استفاده قرار میگیرد. اما با توجه به پژوهش های زیادی که روی آن انجام میشود، این نانوساختار کربنی، در آینده تاثیر بسزایی در پیشرفت فناوری و صنعت خواهد داشت.