الجرافين تلك الماده الثوريه صاحبه نوبل بجداره

[مغتربة]

دفعنى فوز العالمانالمولودان في روسيا اندري غيم وكوستانتين نوفوسيلوف أمس، بجائزة نوبل للفيزياء لعام 2010، بفضل عملهما الطليعي على مادة الغرافين، التي اعتبرت المادة المدهشة للقرن الحادي والعشرين. بالبحث عن معلومات عن هذه الماده الثوريه

و دهشتنى كميه المعلومات المتوفره عنها و الافاق التى يمكن ان تفتحها تطبيقاتها

فقد منحا الجائزه لانهما واشادت الاكاديمية بغيم (51 عاماً) ونوفوسيلوف (36 عاماً) لأنهما أظهرا أن الكربون بهذه الصيغة المسطحة، يمتلك ميزات استثنائية تنبع من عالم الفيزياء الكمية المدهش . وتكرم الجائزة اختراعاً مهد الطريق امام الغرافين، وهو نوع من الكربون اعتبر المادة الخارقة للجيل التالي .

ومادة الغرافين لا تتجاوز سماكتها سماكة الذرة، وهي ارفع واقوى مادة متناهية الصغر في العالم، كما أنها تكاد تكون شفافة ويمكنها نقل الكهرباء والحرارة . ومن هنا وصف الغرافين بأنه المادة المرشحة لأن تحل محل اشباه الموصلات السيليكونية .

ويتوقع ان تتمكن الترانزيستورات المركبة من الغرافين، من العمل بسرعة اكبر والتأقلم مع درجات حرارة أعلى من رقاقات الكمبيوتر المستخدمة حالياً.

وبحسب بيان صحفي صدر عن الأكاديمية اليوم ؛ تمكن العالمان، اللذان بدآ العمل في مجال بحوث الفيزياء في روسيا، في السابق من استخلاص مادة الجرافين من قطعةاعتيادية من الجرافيت، وهي رقاقة من الكربون تعادل في سماكتها سماكة ذرة واحدة من هذا العنصر، وذلك في الوقت الذي كان يعتقد الكثيرون باستحالة ثباتية هذا البناء البلوري.

الجرافين .. سحر الكربون وروعة التشكيل

يعتبر الجرافين شكل من أشكال الكربون، وهو من المواد الواعدة في مجال علم المادة، إذ يمتلك خصائص فريدة مقارنة مع بقية المواد؛ فهو يتفوق على النحاس في قدرته على توصيل الكهرباء، فيما تفوق قدرته على توصيل الحرارة المواد الأخرى.

ويعد الجرافين أقل المواد سماكة وأشدها قوة، وهو مادة شفافة عالية الكثافة تتألف من شبكة من ذرات الكربون ثنائية الأبعاد، لها شكل مشابه لشكل بيوت النحل المتراصة، وهو يعد وحدة البناء الأساسية لمادة الجرافيت الشهيرة.

واعتقد العديد من الباحثين لفترات طويلة أن مادة الجرافين لا يمكن ان تتواجد بشكل ثابت، لذا فهي من الناحية العملية مادة" أكاديمية"؛ إذ أنها وبسبب رقة سماكتها قد تلتف فوق بعضها، أو تتكسر، أوحتى تتلاشى قبل عزلها.

اختراق علمي بقلم رصاص وشريط لاصق

تمكن العالمان "أندريه جييم" و"كونستانتين نوفوسيلوف"، وهما من مواليد الاتحاد السوفياتي سابقاً، من استخلاص مادة الجرافين- التي كان يعتقد بأنه من المحال أن تتواجد بشكل ثابت- من قطعة من الجرافيت، وذلك عن طريق استخدام شريط لاصق عادي، حيث تمكنا في نهاية سلسلة من التجارب من استخلاص رقاقة من الكربون بسماكة تعدل سماكة ذرة واحدة.

وبحسب مختصين؛ يتألف كل ملميتر من الجرافيت من ثلاثة ملايين طبقة جرافين متراصة فوق بعضها البعض، وهي غير متماسكة بقوة، لذا من السهل فصلها عن بعضها، الأمر الذي يبرز عند الكتابة بقلم الرصاص، حيث يتكون رأسه من مادة الجرافيت.

واستخدم العالمان خلال تجربة صممت بأسلوب علمي قِطعاً من الأشرطة اللاصقة العادية، حيث عملوا بواسطتها على نزع رقاقات من الجرافيت بشكل متكرر، وكانا يحصلا في كل مرة على رقاقات تتألف من طبقات متعددة من الجرافين.

ومن ثم عمد الباحثان إلى ربط القطع المنفصلة من الجرافيت بسطح من مادة السيليكون المتاكسد، والمستخدم في صناعة أشباه الموصلات، ليتمكنا أخيراً من رؤية الجرافين بشكله البديع تحت عدسة المجهر الضوئي العادي، ما يعني أنهما تمكنا من فصل الجرافين والتحقق من وجوده بشكل ثابت على درجة حرارة الغرفة.

الجرافين .. تطبيقات مذهلة

يمتلك الجرافين خصائص فريدة تجعل منه مادة مثيرة للاهتمام بالنسبة للعديد من التطبيقات، فهو مادة شفافة بالغة الرقة (قليلة السماكة)، وتمتاز بمرونتها العالية وقوتها الفائقة.

ويمكن استخدام الجرافين لشفافيته في تصنيع الشاشات التي تعمل باللمس، لوحات الإنارة والخلايا الضوئية، كما يمكن الإفادة من هذه المادة في صناعة مجسات الغاز والإلكترونيات ذات المرونة العالية والقابلة للطي(كأجهزة المحمول والشاشات الإلكترونية)، مع إمكانية استعمالها في تصنيع بعض أجزاء الطائرات والأقمار الصناعية التي يتوجب أن تصنع من مواد تتمتع بخفة الوزن والتركيبة القوية.

كما تعد الترانزيستورات المصنعة من الجرافين بتطوير الحواسيب بشكل مذهل، لتتفوق في أدائها على الحواسيب الحالية بشكل كبير.

إلى جانب ذلك تلمح الدراسات إلى أن إمكانية استخدام الجرافين في تطوير بعض المواد مثل البلاسيتك، فإضافة الجرافين بنسبة بسيطة (واحد في المائة) إلى البلاستيك، سيزيد من مرونة الأخيرة ويرفع من قدرتها على تحمل الحرارة، ويجعلها من المواد الموصلة للكهرباء، ما يفتح المجال أمام استخدام هذا النوع من المواد المطورة في العديد من التطبيقات المثيرة.(قدس برس)

فالسرعة الفائقة التي وصلت لها معالجات الحاسب في هذه الأيام قد تتوقف و ذلك لأن السيليكون الذي تبنى عليه هذه المعالجات قارب على استنفاد قدراته الفيزيائية مما أدى بالباحثين على بدء البحث عن بديل.

قام بروفسور من جامعة جورجيا تك بالتوصل لنتيجة مفادها أن استخدام الجرافين عوضاً عن السيليكون في بناء المعالجات سيضاعف سرعة هذه المعالجات بنسبة كبيرة و يفتح آفاقاً جديدة في صنع هذه الترانزستورات. الجرافين ليس بمادة جديدة بل تستخدم في تصنيع العديد من المواد ومنها أقلام الرصاص.

الحاسبات المبنية على السيليكون تقوم بعمليات عديدة في الثانية بدون أن ترتفع درجة حرارتها و لكن لحد معين، أما الجرافين فإن الالكترونات تمر فيه بدون مقاومة تقريباً و ترتفع درجة حرارته بنسبة قليلة جداً و ذلك لأنه موصل جيد للحرارة و فقده للحرارة بسرعة يجعله مناسباً لاستخدامه في الالكترونيات. أيضاً فإن سرعة المعالجات المبنية على السيليكون ستبقى محصورة في نطاق الـ GigaHertz أما الجرافين سيمكنها من اختراق الـ TeraHertz.

استخدامات الجرافين لن تكون محصورة في المعالجات و الترانزستورات و لكنها ستمتد لتقنيات الاتصالات و التصوير و الكشف الموجي و الكشف عن الأسلحة و ذلك لأن جميع هذه التطبيقات تتطلب سرعة فائقة لم يتم التوصل لها حتى الآن.

يواجه العلماء عائقاً وحيدأ في استخدام الجرافين، وهو أنه ليس بشبه موصل تماماً كما السيليكون و هذه الخاصية مهم تواجدها في الترانزستورات و إلا فإنها ستتسبب بخسارة كميات من الطاقة دون فائدة، ولكن العلماء قاربوا على تجاوز هذه العقبة و جعله يقارب السيليكون بخصائصه في التوصيل.

لقد جذب هذا الفتح العلمي الكثير من شركات التقنية التي تترقب التطورات في الأبحاث المتعلقة بالجرافين و تدعم بعضها ومنها : اتش بي ، اي بي ام و انتل.

فالباحثونبحثوا طويلا عن بديل آخر نظراً لأن الحاسبات المبنية على السيليكون تقوم بعمليات عديدة في الثانية من دون أن ترتفع حرارتها ولكن لحد معين.

ومنذ عدة سنوات لم يتوان الفيزيائيون عن أن يتخيلوا ويجربوا كل ما عرفوا وما لم يعرفوا من مواد للتوصل إلى مادة تزيد من سرعة المعالجات بنسبة كبيرة وفتح آفاق جديدة في صنع الترانزستورات التي تتكون منها هذه المعالجات.

كانت نتيجة هذه الأبحاث توصل الباحثين إلى مادة الجرافين التي تستخدم في تصنيع العديد من المواد مثل أقلام الرصاص، ومن مميزات الجرافين أنه من الناحية البنيوية الشبكية يعتبر المادة المتبلرة الوحيدة ذات البعدين في الفراغ بمعنى أن ذرات الكربون فيها مرتبة على شكل مسدس الزوايا والأضلاع كخلية النحل تماماً. هذا الأمر يجعله يكون جزيئاً مسطحاً وبسمك ذرة واحدة أي ما يعادل 0،1 نانومتر.

وكان الباحثان الأمريكيان ديفيد مرمين وهربرت واجنر توصلا في 1966 إلى أن الجرافيت الذي تصنع منه أقلام الرصاص، يتأثر بعامل الحرارة أو الاستثارة الحرارية، أي أن طبقة واحدة من الذرات يمكن أن تضطرب في بنيتها الشكلية، وبالتالي فإن المادة نفسها يمكن أن تتحول إلى سائل أو مادة مائعة نظراً لأنه لا يمكن عزلها.

هذا الأمر لم يمنع الفيزيائي الهولندي ذا الأصل الروسي أندريه جايم وفريقه العلمي من جامعة مانشستر، من أن ينجحوا في عزل بلورة الجرافين، اللهم إلا أن الجرافين ليس مسطحاً تماماً ويظهر عن تموجات دقيقة جداً قادرة على امتصاص طاقة الاستثارة الحرارية.

ومنذ اكتشافه لم يكف الجرافين عن إظهار خصائص جديدة غير مسبوقة، فخصائصه تبين أنه مادة شفافة وموصلة ومثالية في مجال صناعة الألواح الشمسية أو البلورات السائلة كما أن مقاومته الميكانيكية تبشر بأنه سيكون من المواد فائقة الصلابة، فضلاً عن ذلك فإن خواصه الإلكترونية أثارت دهشة العلماء بالفعل لأن سرعة النقل الإلكتروني فيه مرتفعة بشكل لا يصدق أي أن الإلكترونات تمر عبره من دون مقاومة تقريباً وترتفع درجة حرارته بنسبة قليلة جداً وذلك لأنه موصل جيد للحرارة وفقده لها سريع جداً الأمر الذي يجعله مناسباً للاستخدام في الإلكترونيات.

ويشير الباحثون إلى أن سرعة انتقال الإلكترونات فيه تزيد على سرعتها في السيليكون بثلاثين مرة. علاوة على ذلك فإن سرعة المعالجات المبنية على السيليكون ستبقى محصورة في نطاق الجيفاهرتز أما الجرافين فسيمكنها من اختراق نطاق السيتراهرتز.

في هذه الآونة تنشط المختبرات العلمية لإنتاج الجرافين بكميات تجارية بطريقتين: الأولى منها يديرها معهد جورجيا التكنولوجي بولاية أتلانتا الأمريكية وتتمثل في رفع حرارة بلورة كربيد السيليسيوم (السيليكون) إلى أكثر من 1000 درجة مئوية إلى أن تتفكك وتتبخر. وينتج عن هذه العملية بقاء ذرات الكربون التي ترتبط فيما بينها بشكل تلقائي مشكلة شبكة سداسية من الجرافين. وتقول كلير برجيه التي تعمل في هذا المعهد بفخر: “يبلغ عرض وريقات الجرافين التي ينتجها المختبر بضع عشرات من الميكرومتر، لكن الأهم من ذلك هو أننا استطعنا خلال هذه السنة أن نثبت أن نقاوة العينات التي أنتجناها كانت كافية لاستخدامها في التطبيقات الميكروإلكترونية، ما يعني أن مرحلة الإنتاج على المستوى التجاري قد انطلقت بالفعل في ديسمبر/ كانون الأول 2008 في أتلانتا”.

الطريقة الثانية التي يسعى إلى التحضير لها الباحث تيري بوارو من مختبر الأبحاث التطبيقية في مجال الإلكترونيات بمدينة غرونوبل الفرنسية، تستفيد من اكتشاف الباحثين الفرنسيين أنه عندما نؤكسد الجرافيت في وسط حمضي فإن وريقاته تتفكك وتتحول إلى جرافين وبالتالي فإنه يكفي تنقية البلورة باستخدام محلول مختزل. وفي الآونة الأخيرة، تمكن فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا من اكتشاف أن مادة الهيدرازين (مركب من الآزوت والهيدروجين) قادرة على أن تقوم بالدور الذي تقوم به الجرافين بشكل ممتاز حيث يمكن للباحثين الحصول على طبقات ذات درجة توصيل عالية وبسعر أرخص من الطريقة الأولى.

استخدامات الجرافين لن تبقى محصورة في المعالجات والترانزستورات بل ستمتد إلى تقنيات أخرى كالاتصالات والتصوير والكشف الموجي والكشف عن الأسلحة والبيولوجيا للكشف عن متتاليات الحمض النووي وذلك لأن جميع هذه التطبيقات تتطلب سرعة فائقة.

ويقول الباحث أندريه جايم إن الجرافين بمثابة الرحمة للفيزيائي لأنه من الناحية النظرية يمكنه من خلال ذرة واحدة الحوصل على مادة ثنائية الأبعاد وفائقة التوصل، ففي وريقة واحدة من الجرافين تتحرك الشحنات الكهربية كالجسيمات الكمومية النسبوية وكأنها في الحقيقة فقدت كتلتها مما يجعلها تتحرك بسرعة الضوء. ويضيف جايم أن هذا النوع من الفيزياء الذرية كان بعيد المنال، ولذا يمكنني تشبيه الجرافين بأنه يعمل كمعجل للجسيمات، وستكون السنوات الخمس عشرة المقبلة فاصلة في موضوع التطورات التي سيشهدها عالم الكمبيوتر بشكل خاص.. كيف لا وهو أشد مقاومة من الفولاذ بمائتي مرة؟

فهى ماده اشد صلابه من الالماس

[مصرية و أفتخر]

شكراً على الافادة