روش جدید سنتز نانو گرافین بر روی سطوح اکسید فلزی

اول مارس 2019، دانشگاه ارلانگن – نورنبرگ
 
 روش جدید سنتز نانو گرافین بر روی سطوح اکسید فلزی
 

 
توضیح تصویر: نانو گرافین‌های مطلوب دومینوهای مشابهی را از طریق سیکلو هیدروفلوریناسیون روی سطح اکسید تیتانیوم تشکیل می‌دهند. بنابراین، تمام پیوندهای کربن - کربن "گمشده" یکی پس از دیگری به گونه‌ای شبیه یک زیپِ در حال بسته شدن شکل می‌گیرند.
 
نانوساختارهای مبتنی بر کربن موادی نوآورانه برای نانو الکترونیک هستند. با این حال، برای مناسب بودن، آنها اغلب باید بر روی سطوح غیر فلزی تشکیل شوند، که این کار تاکنون یک چالش بوده است. محققان Friedrich- Alexander -  Universität  یک روش تشکیل نانو گرافین روی سطوح اکسید فلزی پیدا کرده‌اند. تحقیقات آنها، انجام شده در چارچوب مرکز تحقیقات مشترک 953-Synthetic Carbon Allotropes که توسط بنیاد پژوهشی آلمان (DFG) تامین هزینه می‌شود، در مجله Science منتشر شده است.
 
دو بعدی، انعطاف پذیر، مقاوم در برابر پارگی، سبک وزن، و همه کاره، همه خواصی است که گرافین دارد، و از این رو اغلب به عنوان یک ماده معجزه‌گر توصیف می‌شود. علاوه بر این، این نانو ساختار مبتنی بر کربن دارای خواص الکتریکی منحصر به فردی است که آن را برای کاربردهای نانو الکترونیک جذاب می‌سازد. بسته به اندازه و شکل آن، نانو گرافین می‌تواند دارای خواص رسانایی یا نیمه رسانایی باشد که برای استفاده در نانو ترانزیستورها ضروری است. با توجه به هدایت الکترومغناطیسی و حرارتی آن، می تواند جایگزین مس (هدایت کننده) و سیلیکون (که نیمه رسانا است) در نانو پردازنده‌های آینده شود.
 

مسأله: برای ایجاد یک مدار الکترونیکی، مولکول‌های نانو گرافین باید سنتز شده و مستقیما در یک سطح عایق یا نیمه رسانا نصب شوند. گرچه اکسیدهای فلزی بهترین مواد برای این منظور هستند، در مقایسه با سطوح فلزی، سنتز مستقیم نانو گرافین روی سطوح اکسید فلزی امکان پذیر نیست زیرا آنها به طور قابل ملاحظه‌ای از نظر شیمیایی واکنش پذیر نیستند. محققان باید این فرآیند را در دمای بالا انجام دهند، که منجر به چندین واکنش ثانویه غیر قابل کنترل خواهد شد. گروهی از دانشمندان به رهبری دکتر کنستانتین آمشروف از ریاست شیمی آلی II در حال حاضر یک روش سنتز نانو گرافین‌ها را روی سطوح غیر فلزی، یعنی سطوح عایق یا نیمه هادیها، توسعه داده‌اند. برای ایجاد یک مدار الکترونیکی، مولکول‌های نانو گرافین باید سنتز شده و مستقیما در یک سطح عایق یا نیمه رسانا نصب شوند.
 

روش محققان شامل استفاده از پیوند فلوئور کربن است که قویترین پیوند کربن است. برای استفاده، از یک فرایند چند سطحی بهره برده می‌شود. : نانو گرافین‌های مطلوب دومینوهای مشابهی را از طریق سیکلو هیدروفلوریناسیون روی سطح اکسید تیتانیوم تشکیل می‌دهند. بنابراین، تمام پیوندهای کربن - کربن "گمشده" یکی پس از دیگری به گونه‌ای شبیه یک زیپ در حال بسته شدن شکل می‌گیرند. این امر محققان را قادر می‌سازد تا نانوگرافین‌ها را بر روی اکسید تیتانیوم، که یک نیمه رسانا است، ایجاد کنند. این روش همچنین اجازه می‌دهد تا آنها با تغییر اصلاح مولکول‌های اولیه، پیکر بندیِ نانو گرافین‌ها را تعریف کنند. پیوندهای کربن - کربن و در نهایت، نانو گرافین‌ها در جایی که محققان اتم‌های فلوئور را قرار می‌دهند شکل می‌گیرند. برای اولین بار، این نتایج تحقیق نشان می‌دهد که چگونه نانوساختارهای مبتنی بر کربن را می توان با سنتز مستقیم به روی سطوحی از نیمه رسانا یا عایق‌های سطحی مرتبط ساخت. دکتر امشروف توضیح می‌دهد: "این نوآوری پیشگامانه دسترسی موثر و ساده به نانوساختارهای الکترونیکی که واقعا کار می‌کنند را میسر می‌سازد، و می‌تواند موجب کوچک شدن میکرو الکترونیک موجود در مقیاس نانومتری شود."
 

ماده‌ای فوق مستحکم و فوق سبک است که ظرف سال‌های اخیر، نوآوری های بسیار زیادی را در دنیای فناوری امکان پذیر ساخته است. این ماده از شبکه‌ای متشکل از اتم‌های کربن ساخته می‌شود که ضخامت هر لایه ی آن تنها به اندازه یک اتم است. مقاومت این ماده نسبت به وزنش، آن را برای کاربردهای مختلف به ماده‌ای ایده آل تبدیل می کند؛ از فیلترهای آب شیرین کن گرفته تا باتری‌های شارژ سریع و حتی نسل جدید لامپهای  LED. از گرافین حتی برای وادار کردن سلول‌های خورشیدی به تولید الکتریسیته در حین باران نیز استفاده می‌شود. روش محققان شامل استفاده از پیوند فلوئور کربن است که قویترین پیوند کربن است. برای استفاده، از یک فرایند چند سطحی بهره برده می‌شود.
 
در اقصی نقاط جهان نیاز مبرمی به توسعه‌ی روش‌هایی کارا تر برای تبدیل آب شور به آب شیرین و قابل شرب وجود دارد. اینجاست که پای فیلترهای گرافینی به میان می‌آید. شرکت لاکهید مارتین متوجه شده است با استفاده از این فیلترها می‌توان انرژی مورد نیاز برای فرایند شیرین کردن آب را کاهش داد.
 
باتری‌های قابل شارژ امروزی به مرور زمان توان ذخیره سازی انرژی خود را از دست می‌دهند. با این حال، محققی به نام هان لین از دانشگاه سوینبرن استرالیا با استفاده از گرافین نوعی ابرخازن ساخته است که می‌تواند بدون کاهش عملکرد، بارها و بارها مورد استفاده قرار بگیرد و تنها ظرف چند ثانیه به طور کامل شارژ شود. لین برای تولید لایه‌های گرافینی اختراع خود از پرینترهای سه بعدی استفاده کرده است. گفتنی است فناوری تازه ای که او خلق کرده می‌تواند روزی جایگزین باتری‌های لیتیومی اسمارت فون‌ها، تبلت‌ها و حتی خودروهای الکتریکی امروزی شود.
 
محققان دانشگاه یونان نورمال و دانشگاه اوشن چین، از گرافین برای تولید پنل‌های خورشیدی نوآورانه‌ای استفاده کرده‌اند که قادر است زیر باران نیز انرژی الکتریسیته تولید کند. وجود یک لایه گرافین روی سلول‌های خورشیدی، به خاطر واکنشی که با نمک طبیعی موجود در آب باران می‌دهد می تواند منجر به تولید انرژی شود. این نوآوری پیشگامانه دسترسی موثر و ساده به نانوساختارهای الکترونیکی که واقعا کار می‌کنند را میسر می‌سازد، و می‌تواند موجب کوچک شدن میکرو الکترونیک موجود در مقیاس نانومتری شود.
 
دانشگاه منچستر خود را خاستگاه گرافین می نامد، چرا که صفحات گرافینی برای اولین بار در سال ۲۰۰۴ در این دانشگاه ساخته شدند. اما یک تیم تحقیقاتی دیگر این دانشگاه در سال ۲۰۱۵ موفق به ساخت نوعی لامپ LED با قابلیت تنظیم نور شد که به لطف یک لایه گرافین، نسبت به لامپ های LED موجود ۱۰ درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند.
 
دانشمندان مدت هاست به دنبال ساخت ماده‌ای هستند که از هر چیز دیگر در این دنیا سبک‌تر باشد. در سال ۲۰۱۳، گروهی از محققان چینی با استفاده از گرافین ماده ای اسفنجی شکل تولید کردند که عنوان «سبک ترین ماده ی جهان» را به خود اختصاص داد. این تیم دانشگاهی چینی موفق شد از ترکیب کربن فریز شده با اکسید گرافین، ماده ای خلق کند که آن را هواژلگرافینی نامیدند؛ یک ماده‌ی جامد اسفنجی که هر سانتی متر مکعب از آن تنها ۰.۱۶ میلی گرم وزن دارد. این اسفنج کربنی به شکل چشمگیری انعطاف پذیر است و استعداد زیادی در جذب روغن دارد.
 
ارائه شده توسط: دانشگاه ارلانگن-نورنبرگ
 
 برگرفته از مجله: Science

مترجم: علی رضایی میر قائد