گرافن و کاربرد آن در صنعت لاستیک سازی و پلاستیک سازی
.png "گرافن و کاربرد آن در صنعت لاستیک سازی و پلاستیک سازی")
رضیه برجیان
گرافن
کربن در طبیعت ساختارهای مختلفی دارد؛ الماس و گرافیت از ساختارهای معروف آن هستند، در الماس هر اتم کربن با چهار اتم دیگر پیوند برقرار کرده است و این ماده به عنوان سخت ترین ماده جهان شناخته شده است. در گرافیت اتم های کربن در لایه های مجزایی با هم پیوند برقرار کرده‌اند. این لایه‌های روی هم قرار گرفته و با پیوند ضعیفی به هم متصل شده اند که هر کدام از لایه‌های موجود درگرافیت را گرافن مینامند.
در گرافیت هر کدام از اتم‌های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده است، اما پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. گرافن مادهای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده است. در این حالت، اتم‌های کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکهای از شش ضلعیهای منتظم را ایجاد می‌کنند. البته این ایده آلترین حالت یک صفحه گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می‌کند که در آن پنجضلعیها و هفتضلعیهایی نیز ایجاد میشود. گرافن ورقه ای دو بعدی 2D از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی (لانه زنبوری) است. اتم های کربنی در گرافن با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند. گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد. این خانواده شامل فولرن به عنوان نانوماده ی صفر بعدی0D، نانولوله های کربنی به عنوان نانوماده ی یک بعدی 1D و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی 3D می باشد. اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1986 معرفی شد که از ترکیب کلمه گرافیت و یک پسوند (ان) که به هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه‌ای (Polycyclic) اشاره دارد ایجاد شد. غیر از گرافن تک لایه و دولایه، لایه‌های گرافنی از 3 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه (Few Layer Graphene) و بین 10 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم (Thick Graphene) و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، مینامند.[1]
این ماده جدید ویژگیهای منحصر به فرد زیادی دارد که این امر باعث می شود آن را برای مطالعات اساسی و کاربردهای آینده به مادهای جالب مبدل سازد. از گرافن به عنوان مادهای برای افزایش استحکام، هدایت الکتریکی و نیز هدایت حرارتی استفاده میشود. چند سالی است که گرافن به یکی از جالب توجه‌ترین سوژه‌های دنیای فناوری تبدیل شده است؛ مادهای سخت‌تر از الماس، رساناتر از مس و با شفافیتی بالا که می‌تواند به بسیاری از عرصه‌های علم و فناوری نفوذ کند.
گرافن ماده ای منحصربه فرد با پایه‌ی کربنی و دانسیته‌ی اتمی بالاست. ترکیب غیرعادی خواص آن نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، خصوصیات عالی نوری وسطحی است و از طریق عامل‌دار کردن شیمیایی ،موردتوجه خاص محققان قرارگرفته است و این حقیقت که شیمیدانان به سختی میتوانند جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده که این ماده دارای کاربردهای فراوانی در نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژی مثل باطری ها و ابرخازن‌ها باشد.
گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین مادهای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است. این ماده با وجود این‌که ساختار متراکمی دارد، به علت ضخامت بسیار اندکش که برابر با ضخامت یک اتم کربن است، نور را از خود عبور می‌دهد و از شفافیت 97,3 درصد برخوردار است.
در آینده از این ماده در ساخت نمایشگرهای لمسی بسیار ظریف و مقاوم استفاده خواهد شد.هم اکنون گرافن درحال نفوذ به کاربرد های الکترونیکی می باشد وممکن است بزودی پایه واساس تجهیزات الکترونیکی را عوض کند.با استفاده از گرافن ،ساخت وسایل برقی کوچک،قابل انعطاف وکم هزینه ،ممکن خواهد بود.
اگر گرافن را با کاربردهای امروزی پلاستیک مقایسه کنیم، باید به انتظار روزی باشیم که همه چیز، از پاکت میوه گرفته تا لباس‌ها، دیجیتال شوند. کارت‌های ارتباطی آینده، توان پردازشی به اندازه موبایل‌های هوشمند امروزی خواهند داشت. گرافن می‌تواند کاربردهای کاملا جدیدی در ابزارهای الکترونیکی شفاف، انعطاف‌پذیر و بسیار سریع‌تر از امروز پیدا کند. یک مثال از استفاده‌های دیگر آن می‌تواند افزودن پودر گرافن به تایرها برای قوی‌تر کردن آنها باشد.[2]
در گرافیت هر کدام از اتم‌های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده است، اما پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. گرافن مادهای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده است. در این حالت، اتم‌های کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکهای از شش ضلعیهای منتظم را ایجاد می‌کنند. البته این ایده آلترین حالت یک صفحه گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می‌کند که در آن پنجضلعیها و هفتضلعیهایی نیز ایجاد میشود. گرافن ورقه ای دو بعدی 2D از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی (لانه زنبوری) است. اتم های کربنی در گرافن با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند. گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد. این خانواده شامل فولرن به عنوان نانوماده ی صفر بعدی0D، نانولوله های کربنی به عنوان نانوماده ی یک بعدی 1D و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی 3D می باشد. اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1986 معرفی شد که از ترکیب کلمه گرافیت و یک پسوند (ان) که به هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه‌ای (Polycyclic) اشاره دارد ایجاد شد. غیر از گرافن تک لایه و دولایه، لایه‌های گرافنی از 3 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه (Few Layer Graphene) و بین 10 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم (Thick Graphene) و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، مینامند.[1]
این ماده جدید ویژگیهای منحصر به فرد زیادی دارد که این امر باعث می شود آن را برای مطالعات اساسی و کاربردهای آینده به مادهای جالب مبدل سازد. از گرافن به عنوان مادهای برای افزایش استحکام، هدایت الکتریکی و نیز هدایت حرارتی استفاده میشود. چند سالی است که گرافن به یکی از جالب توجه‌ترین سوژه‌های دنیای فناوری تبدیل شده است؛ مادهای سخت‌تر از الماس، رساناتر از مس و با شفافیتی بالا که می‌تواند به بسیاری از عرصه‌های علم و فناوری نفوذ کند.
گرافن ماده ای منحصربه فرد با پایه‌ی کربنی و دانسیته‌ی اتمی بالاست. ترکیب غیرعادی خواص آن نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، خصوصیات عالی نوری وسطحی است و از طریق عامل‌دار کردن شیمیایی ،موردتوجه خاص محققان قرارگرفته است و این حقیقت که شیمیدانان به سختی میتوانند جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده که این ماده دارای کاربردهای فراوانی در نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژی مثل باطری ها و ابرخازن‌ها باشد.
گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین مادهای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است. این ماده با وجود این‌که ساختار متراکمی دارد، به علت ضخامت بسیار اندکش که برابر با ضخامت یک اتم کربن است، نور را از خود عبور می‌دهد و از شفافیت 97,3 درصد برخوردار است.
در آینده از این ماده در ساخت نمایشگرهای لمسی بسیار ظریف و مقاوم استفاده خواهد شد.هم اکنون گرافن درحال نفوذ به کاربرد های الکترونیکی می باشد وممکن است بزودی پایه واساس تجهیزات الکترونیکی را عوض کند.با استفاده از گرافن ،ساخت وسایل برقی کوچک،قابل انعطاف وکم هزینه ،ممکن خواهد بود.
اگر گرافن را با کاربردهای امروزی پلاستیک مقایسه کنیم، باید به انتظار روزی باشیم که همه چیز، از پاکت میوه گرفته تا لباس‌ها، دیجیتال شوند. کارت‌های ارتباطی آینده، توان پردازشی به اندازه موبایل‌های هوشمند امروزی خواهند داشت. گرافن می‌تواند کاربردهای کاملا جدیدی در ابزارهای الکترونیکی شفاف، انعطاف‌پذیر و بسیار سریع‌تر از امروز پیدا کند. یک مثال از استفاده‌های دیگر آن می‌تواند افزودن پودر گرافن به تایرها برای قوی‌تر کردن آنها باشد.[2]
کاربرد گرافن در صنعت لاستیک سازی
معمولا این که چه نوع لاستیکی در دوچرخه استفاده شود، بستگی به این موضوع دارد که دوچرخه برای چه شرایطی قرار است به کار گرفته شود. هر قدر لاستیک‌ها بزرگتر شوند، دوام بالاتری دارند اما وزن دوچرخه را نیز افزایش می‌دهد. لاستیک‌های کوچکتر معمولا سبک‌تر بوده اما زودتر از بین می‌روند و استهلاک بالاتری دارند.
با افزودن گرافن به لاستیک می توان کارایی این لاستیک‌ها را افزایش داد. زمانی که از این لاستیک استفاده میشود، به دلیل دولایه‌ای که در آن وجود دارد، این لاستیک‌ها مستحکم مانده و در برابر خستگی مقاومت می‌کنند. همچنین این دولایه موجب کاهش اصطکاک لاستیک شده و سرعت دوچرخه را افزایش می‌دهد. زمانی که دوچرخه‌سوار ترمز می‌گیرد یا دور می‌زند، دوچرخه به نرمی عکس‌العمل نشان می‌دهد. علاوه‌بر این، این لاستیک‌های جدید کاملا انعطاف‌پذیر هستند. [3]
با افزودن گرافن به لاستیک می توان کارایی این لاستیک‌ها را افزایش داد. زمانی که از این لاستیک استفاده میشود، به دلیل دولایه‌ای که در آن وجود دارد، این لاستیک‌ها مستحکم مانده و در برابر خستگی مقاومت می‌کنند. همچنین این دولایه موجب کاهش اصطکاک لاستیک شده و سرعت دوچرخه را افزایش می‌دهد. زمانی که دوچرخه‌سوار ترمز می‌گیرد یا دور می‌زند، دوچرخه به نرمی عکس‌العمل نشان می‌دهد. علاوه‌بر این، این لاستیک‌های جدید کاملا انعطاف‌پذیر هستند. [3]
لاستیک تقویت شده با گرافن برای تولید واشر صنعتی
وربک متریالز (Vorbeck Materials) در حوزه گرافن فعالیت دارد. این شرکت اخیراً اعلام کرده فناوری موسوم به Vor-flex ۵۰ را به بازار عرضه کرده است. این محصول از دسته الاستومرهای تقویت شده با گرافن است که در آن از فناوری Vor-x استفاده شده‌است. Vor-flex ۵۰ یک لاستیک نیتریل بوتادین هیدروژنه شده (HNBR) است که در مقابل تغییر حالت به شدت مقاومت می‌کند. این محصول قادر است تا دمای ۲۰۰ درجه فارنهایت را تحمل کند. همچنین مقاومت کششی ۳۵۰۰ psi و سختی ۸۸ برای این محصول گزارش شده‌است.
گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین مادهای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است.
وجود خاصیت مقاومت گرمایی بالا در این لاستیک موجب میشود تا بتوان از آن در حوزه‌های مختلف نظیر خودروسازی و پتروشیمی استفاده کرد. این محصول برای استفاده در واشرها ایده‌آل است و می‌توان از آن برای درز پوشی و ایجاد مقاومت در برابر مواد شیمیایی و سوخت استفاده کرد.[4]
گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین مادهای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است.
وجود خاصیت مقاومت گرمایی بالا در این لاستیک موجب میشود تا بتوان از آن در حوزه‌های مختلف نظیر خودروسازی و پتروشیمی استفاده کرد. این محصول برای استفاده در واشرها ایده‌آل است و می‌توان از آن برای درز پوشی و ایجاد مقاومت در برابر مواد شیمیایی و سوخت استفاده کرد.[4]
کاربردهای گرافن در صنعت لاستیک
گرافن کاربردهای مختلفی در صنعت لاستیک می‌تواند داشته باشد که از آن جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:
• برچسب‌های لاستیکی حاوی گرافن می‌تواند به‌عنوان بارکد در فروشگاه‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
• برچسب‌های گرافنی با حساسیت بالا که با تغییر دما، دچار تغییر رنگ می‌شوند.
• برچسب‌های محافظ که می‌توان آنها را روی کارت‌های اعتباری حاوی RFID قرار داد تا هکرها نتوانند اطلاعات آن را سرقت کنند.
پیش از این شرکت نانوکمپ تکنولوژیز اقدام به استفاده از نوارهای حاوی نانولوله‌کربنی کرده بود؛ نوارهایی که به دلیل وجود نانولوله کربنی از خواص الکتریکی، گرمایی، ساختاری و دوام بالا برخوردار بودند. گرافن نیز می‌تواند چنین ویژگی‌هایی را در محصولات ایجاد کند.[5]
• برچسب‌های لاستیکی حاوی گرافن می‌تواند به‌عنوان بارکد در فروشگاه‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
• برچسب‌های گرافنی با حساسیت بالا که با تغییر دما، دچار تغییر رنگ می‌شوند.
• برچسب‌های محافظ که می‌توان آنها را روی کارت‌های اعتباری حاوی RFID قرار داد تا هکرها نتوانند اطلاعات آن را سرقت کنند.
پیش از این شرکت نانوکمپ تکنولوژیز اقدام به استفاده از نوارهای حاوی نانولوله‌کربنی کرده بود؛ نوارهایی که به دلیل وجود نانولوله کربنی از خواص الکتریکی، گرمایی، ساختاری و دوام بالا برخوردار بودند. گرافن نیز می‌تواند چنین ویژگی‌هایی را در محصولات ایجاد کند.[5]
پی نوشت
[1] http://edu.nano.ir/paper/224
[2] https://article.tebyan.net/177223/
[3] http://news.nano.ir/53828/
[4] http://news.nano.ir/56429/
[5] http://news.nano.ir/59757
منابع
http://edu.nano.ir/
https://article.tebyan.net/
http://news.nano.ir/