Graphene

چکیده مقاله :ماده ای که اخیرا Q استخراج شده میتواند نمایش گرها، باتری ها، سلول های خورشیدی و کامپیوترها را ورای سیلیکون توسعه دهد. نوک مداد شما در بردارنده آینده علم کامپیوتر، نمایش گرهای لمسی، سلول های خورشیدی، سیستم های کشف و تشخیص دود و قوی ترین، و سبک ترین مواد فیزیکی که تا به حال وجود داشته، می باشد. هر قسمت از دست خط شما، لایه هایی از سوپرماده ای که اخیراً استخراج شده بر جای می گذارد.
 

این ماده Graphene Graphene نام دارد و یک نمونه hexagonal-grid از اتم های کربن با ضخامت یک اتم است. این ماده کمی شبیه chicken-wire یا Settlers of catan board و فقط 100 میلیون برابر کوچک تر است. در شکل مسطح و ورقه ای خود، این اولین ماده کریستالی دو بعدی است که تاکنون جداسازی شده است. این ماده می تواند در داخل تیوب ها، نانوتیوب های کربن که مثل یک ماده تک بعدی رفتار می کنند، جاری شود و حتی می تواند در درون یک توپ بدون بعد، جای داده شود. این مشخصات چند بُعدی امکان تحقیقات و آزمایشات جدیدی را در سطح فیزیک کوآنتوم فراهم کرده است. ما در این مقاله به تشریح خصوصیات این ماده، چگونگی استخراج آن و این که چرا این ماده عصر اتم می تواند همه چیز را، از هواپیما گرفته تا تلفن های موبایل تغییر دهد می پردازیم.

استخراج انفجار
 

جایزه نوبل فیزیک سال 2010 به Andre Geim و Novoselov‎‏ Konstantin برای تحقیقات آنان در زمینه جداسازی Graphene اعطا شد. قبل از کشف آنان، دانشمندان تصور می کردند Graphene نمی تواند در یک سطج منفردِ یک اتمی پایدار باشد.
در چیزی که Geim از آن با عنوان آزمایش جمعه شب (آزمایشی که در اواخر روز انجام می شود) یاد می کند؛ دانشمندان نوار چسبناکی را بر روی مقداری کربن قرار دادند. وقتی آن ها نوار را کندند، کلاسترهایی از بیش از 100 لایه از Graphene را پاره کردند. با چسباندن مجدد نوار، لایه های کوچک تر و کوچک تری از Graphene را جدا کردند.
در انتها، آن ها با مشاهده این ماده از بالای اُکسید سیلیکون لایه های منفردی از ورقه های Graphene کشف کردند. یک هاله صورتی کم رنگ اطراف محل ماده ای شفاف را عیان می کرد؛ حدود 98 درصد از نور از بین لایه ها عبور می کرد. در آزمایش هایی که به دنبال این آزمایش اولیه به عمل آمد، سایر دانشمندان تکنیک های مختص خودشان را باز تولید کردند و انفجاری در حوزه Graphene به وجود آوردند.
علاوه بر این روش low-tech ،Graphene را می توان به روش های گوناگونی تولید کرد. در سال 2009، دانشمندان روشی را که مناسب کاربردهای تجاری بزرگ تر بود به کار گرفتند. محققان یک ویفر سیلیکون کارباید را تا 1300درجه سانتیگراد حرارت دادند که در این درجه، لایه سیلیکون پخته می شود و اتم های کربن را که به Graphene تبدیل می شود از خود باقی می گذارد. این روش می تواند برای الگودهی یا ایجاد اَشکال میکروالکترونیک مورد استفاده قرار گیرد.

مشخصات قدرتمند
 

خواص منحصر به فرد Graphene منجر به ایجاد گستره وسیعی از کارکردهای بالقوه می شود. این ماده که 200 برابر سخت تر از فولاد است به احتمال زیاد سبک ترین و قوی ترین ماده ای است که تا به حال کشف شده و برای ساخت قطعات هواپیما و کاربردهای دیگری که به فشار بسیار زیاد و وزن سبک نیاز دارند مناسب است. این ماده قادر است با مقاومتی بسیار بسیار کم و سریع تر از سیلیکون الکتریسیته را هدایت کند که این خاصیت آن را برای کاربردهای الکترونیکی بسیار مناسب کرده است.
این رفتارها در تلفیق با شفافیت Graphene، می تواند این ماده را به یک عنصر کلیدی در ساخت OLED ,LCD و پانل های لمسی عملیاتی تر تبدیل کند. و با نسبت سطح -به-حجم بزرگ، پودر Graphene حتی می تواند باتری ها را ارتقا دهد.
مشخصات الکتریکی Graphene ما را به سمت ظهور ایده ها و نظریات جدید در مورد آینده علم کامپیوتر رهنمون می سازد. دکتر رونالد کاواکامی پروفسور فیزیک و ستاره شناسی در دانشگاه کالیفرنیا معتقد است: "شما می توانید سعی کنید هر کاری را به یک روش مشابه انجام دهید اما ماده ای را پیدا کنید که ممکن است آن کار را بهتر از سیلیکون انجام دهد. شاید ما بتوانیم یک ترانزیستور بهتر بسازیم".
براساس این منطق Graphene را می توان در درون ترانزیستورهای بسیار ریزی که می توانند الکترون های واحد را در اطراف نیروهای الکترومغناطیسی حرکت دهند، قرار داد. الکترون در مسیر خود با یک مانع برخورد می کند و مجبور می شود از طریق یکی از دو مسیرموجود از آن عبور کند.این انتخاب، اصول باینری کامپیوترها را بازتعریف می کند.
از نظر تئوری، این ترانزیستورها می توانند کوچک تر باشند، انرژی کم تری مصرف کنند و در مقایسه با سیلیکون سرعت های بالاتری ایجاد کنند. در دهه های پیش رو ممکن است ما شاهد ظهور تلفن های موبایل 100GHz که براساس این تکنولوژی تولید شده اند، باشیم.
براساس اظهارات دکتر کاواکامی "وقتی کاری از اساس متفاوت انجام دهید ممکن است مزایای زیادی نصیب شما شود".
تحقیقات او به spin computing و بازنگری در الگوهای پردازش و انجام پردازش در سطح اتم مربوط می شود.
منطق حاکم بر این طرز تفکر بدین شرح است: الکترون ها فقط بار الکتریکی ندارند بلکه دارای چرخش هم هستند و مثل آهن رباهای ریزی با قطب مثبت و منفی رفتار می کنند. کامپیوترهای Spin می توانند از مزایای این قطبیت برای پردازش و ذخیره دادها استفاده کنند؛ این کار مثل تنظیم مغناطیسی دیسک های سخت فعلی است. این Spin می تواند در مسیرهای مختلفی انجام گیرد و مفهوم باینری فعلی را به راحتی به "بالا" یا "پایین" تغییر دهد و در عین حال امکان توسعه آتی را نیز فراهم کند. مشکل این است که وقتی محققان سعی می کنند Spin را به نیمه هادی ها تزریق کنند، مجبور هستند آن ها را تا سطوح سرمازایی بسیار شدیدی مثل 100 درجه کلوین خنک کنند. حتی در چنین دمایی هم کارکرد آن ها ضعیف است. Graphene می تواند این spin را در زمان بسیار طولانی تری حفظ کند و وظائف خود را در دمای اتاق انجام دهد. کاواکامی با لایه بندی Graphene با استفاده از یک عایق نازک روش هایی برای توسعه بیش تر spin کشف کرده است. Spin از طریق این عایق تزریق می شود و ماده اضافی به جلوگیری از نشت سریع آن کمک می کند.
Spin حالا می تواند بسیار بیش از یک نانوثانیه دوام پیدا کند و از نظر تئوریک این مدت زمان می تواند بین یک میلی ثانیه و یک میکروثانیه باشد. در حالی که این زمان ها خیلی هم طولانی نیستند، یک پردازنده یک گیگاهرتزی را در نظر بگیرید، یک کامپیوتر Graphene ی مبتنی بر Spin می تواند اطلاعات را تا یک میلیون سیکل حفظ کند.

Graphene تجاری؟
 

با وجود کاربردهای بسیار متنوع و گوناگون و هزینه ای که به طور مداوم در حال کاهش است، شما می توانید انتظار داشته باشید اولین کاربردهای تجاری Graphene را در دو تا سه سال آینده مشاهده کنید. البته توسعه کاربردهای بلندپروازانه تر Graphene به دهه های متمادی زمان نیاز دارد. البته باید اشاره کنیم که برخی از کمپانی ها نظیر سامسونگ از قبل در حال تست و آزمایش نمونه های اولیه نمایش گرهای 30 اینچی مبتنی بر Graphene بوده اند. کاواکامی می گوید: "کارهای زیادی هست که ما می توانیم بر این اساس انجام دهیم. بنابراین چقدر طول می کشد تا ما بتوانیم کامپیوترهایی را که براساس Graphene ساخته شده اند وارد بازار کنیم؟ در حالتی بسیار خوشبینانه، چنین کاری حداقل 15سال طول می کشد".(شکل 1)

منبع: بزرگراه رایانه، شماره ی 140