روش تولید گرافن (3)
گرافن از ساختار پایه ای مشابه با گرافیت، ذغال، فولرن و نانولوله های كربنی برخوردار است و در عین حال می توان آن را به عنوان یك مولكول آروماتیكی بزرگ در نظر گرفت.
در مطالب قبل با گرافن و روش لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت و تولید گرافن از اکسید گرافیت آشنا شدید، حال با روشهای دیگر آشنا می شوید.
تولید گرافن با استفاده از قند معمولی:
گروهی از پژوهشگران آمریکایی در بررسی های خود کشف کردند که با دستکاری یک حبه قند معمولی می توان ورقه های گرافن ایجاد کرد.
ماده جدید گرافن که تنها از یک اتم کربن تشکیل شده می تواند برای ایجاد نسل جدیدی از دستگاه های الکترونیکی که انرزی کمتری مصرف کرده و فضای کمی اشغال می کنند به کار رود.
دانشمندان دانشگاه رایس در تحقیقات خود دریافتند که می توان از قند معمولی گرافن به دست آورد در صورتی که فرایند تبدیل قند به گرافن به مرحله تجاری سازی برسد، قند می تواند در کاهش گازهای گل خانه ای و محافظت از منابع طبیعی نقش مهمی ایفا کرده و همزمان موجب توسعه بیشتر ابزارهای الکترونیکی شود.
بر اساس گزارش رویترز، فرایند ایجاد گرافن از دستکاری قند نه تنها از این نظر که از مواد غیر سمی برای ایجاد گرافن استفاده شده است اهمیت دارد، بلکه از این جنبه نیز حائز اهمیت است که می توان تنها در یک مرحله و در دمای نسبتاً پایین ازقندگرافن تهیه کرد.
این محققان مواد غنی از کربن همچون پلکسی گلاس را بر روی یک زیر لایه از جنس مس یا نیکل قرار دادند. زمانی که این فلز اسیدی در معرض هیدروژن و گاز ارگون قرار گرفت همانند یک کاتالیزور رفتار کرد و به این ترتیب کربن خالص به دست آمد و یک لایه منفرد از گرافن تولید شد.
در پایان این فرایند، دانشمندان منابع کربنی دیگری را مورد آزمایش قرار دادند. به عبارت دیگر 10 میلی گرم قند را روی یک ورقه مس گذاشتند. سپس همان شرایط را بر روی این قند اعمال کردند و به سرعت یک لایه گرافن به دست آوردند.
گرافن مصنوعی:
فیزیکدانان ایتالیایی موفق شدند اولین گرافن مصنوعی را با استفاده از گالیوم درون یک نیمه رسانا ایجاد کنند. به همین منظور گروهی از دانشمندان لابراتور ملی علوم و فناوری نانو در شهر پیزای ایتالیا توانستند نوع جدیدی از نیمه رساناها را ایجاد کنند که در آنها از گرافن استفاده نشده اما ساختار نانویی و خصوصیات فیزیکی آن دقیقاً همانند گرافن است.
در این نیمه رسانای جدید از آرسنید گالیوم استفاده شده است. به طور معمول از این ماده در ساخت ترانزیستورهای پرسرعت و لیزرها استفاده می شود. این ماده به راحتی قابل تولید و قابل به کارگیری است و از این پس می تواند از نظر ساختار نانویی و خصوصیات فیزیکی به شکل گرافن در آید.
سنتز گرافن از گرافیت با استفاده از روش های حرارتی:
روش های بر پایه حرارتی به علت اقتصادی بودن و امکان تولید بالا، برای تولید گرافن در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.
اکسید گرافن از اکسید گرافیت حاصل می شود و اکسید گرافیت از اکسیداسیون گرافیت به دست می آید که روشی بسیار قدیمی و مربوط به دهه 1060 میلادی می باشد. در سال 2002 آقای استانکوویچ و همکارانش برای تولید آسان این ماده و کاهش قیمت آن، روشی ارائه دادند که با استفاده از آن برای به کارگیری گرافن در صنعت، فرصت های زیادی ایجاد شد.
در این روش با استفاده از تغیرات و شوک حرارتی، تولید صفحات گرافن از اکسید گرافیت در حجم قابل توجه امکان پذیر خواهد شد. در زیر روند تهیه گرافن به صورت شماتیک نشان داده شده است.
با ترکیبی از اکسیدکننده های قوی مانند اسید نیتریک، اسید سولفوریک، کلرات پتاسیم می توان گرافیت را به روش استادن مایر اکسید نمود. لازم به ذکر است که در این مرحله اکسید نمودن تنها به منظور شکستن پیوندهای مستحکم کربن کربن بین لایه ها و قرار دادن اکسیژن در بین آنها دنبال می گردد.
در این روش، 25 میلی لیتر اسید نیتریک با غلظت بالای 10 % به همراه اسید سولفوریک به غلظت 15 تا 10 درصد، به یک ظرف 500 میلی لیتری که دارای چند ورودی و خروجی می باشد و یک همزن مغناطیسی نیز درون آن قرار گرفته است، وارد می گردد. به علت گرما زا بودن واکنش باید در طی آزمایش، ظرف درون حمام یخ قرار گرفته باشد. مجموعه جهت کاهش دما به مدت 15 دقیقه توسط همزن همزده می شود. 5 گرم از گرافیت طبیعی به سایز 25 میکرو متر طی همزدن محلول به آرامی به آن اضافه می گردد.
در این قسمت باید 55 گرم کلرات پتاسیم 10 درصدی به آرامی و طی 15 دقیقه به آن اضافه گردد. این مرحله به علت احتمال افزایش غلظت و امکان انفجار باید تحت کنترل و با رعایت نکات ایمنی فردی انجام پذیرد. پس از این مرحله، باید محلول به مدت 16 ساعت در دمای محیط همزده شود. با استفاده از 2 لیتر آب یونیزه شده باید محلول شسته و صاف شود. در این زمان شستشو باید طوری انجام پذیرد که PH محلول اسیدی نباشد.
جهت خشک کردن ذرات باید محلول طی مکانیسمی توسط روش اسپری کردن با هوای ورودی 300 درجه سانتیگراد، هوای خروجی 100 درجه سانتیگراد و دبی جرمی 80 کیلوگرم بر ساعت، اسپری گردد. با قرار دادن نانو ذرات در محفظه خلاً در دمای 60 درجه، اکسید گرافیت برای انجام مرحله بعد آماده می گردد. پس از تهیه ذرات پودری شکل اکسید گرافیت، این ماده درون یک لوله کوارتز به قطر 25 میلیمتر و طول 103 سانتیمتر که یک سمت آن بسته می باشد، قرار می گیرد. در این قسمت گاز آرگون توسط یک لوله وارد محفظه شده و با یک درپوش پلاستیکی در آن بسته می گردد و به مدت 10 دقیقه اکسید گرافیت در معرض گاز آرگون قرار می گیرد.
سپس لوله کوارتز به مدت 3 ثانیه در کوره ای با دمای 1050 درجه سانتی گراد قرار میگیرد. با توجه به شوک حرارتی داده شده و انبساط بین لایه ها، پیوند ضعیف شده بین آنها شکسته می شود و صفحات گرافن جدا میگردند. در این قسمت کنترل ابعادی و تصحیح فرایند انجام خواهد پذیرفت تا لایه های گرافن به ضخامت بسیار پایین و مطلوب 32 % نانو متر برسند.
سنتز نانو روبانهای گرافنی درون نانولوله های کربنی:
فیزیکدانان دانشگاه اوما در فنلاند موفق شدند روشی کارا برای سنتز نانو روبان های گرافنی ارائه کنند. فیزیکدانان دانشگاه اوما در فنلاند موفق شدند روشی کارا برای سنتز نانو روبان های گرافنی ارائه کنند. در این روش، نانو رروبان ها مستقیما درون نانولوله های کربنی تک جداره ایجاد میشود.
گرافن ماده ای است که به دلیل خواص غیر معمول خود از کارایی بالایی برخوردار است. این ماده دارای هدایت الکتریکی و گرمایی بسیار بالایی است. با تغییر شکل گرافن به صورت نوارهای باریک موسوم به نانو روبان، این ماده خواص مختلفی پیدا میکند.
نانو روبان ها پتانسیل های کاربردی زیادی در صنعت الکتریک دارند. با این حال تولید این ساختارها کار ساده ای نیست.
الکساندر تالیزین و گروه تحقیقاتیشان با همکاری همتایان خود در دانشگاه آلتو موفق شدند روشی برای تولید نانو روبان گرافنی ارائه کنند.
آنها برای این کار از فضای خالی درون نانولوله های کربنی به عنوان راکتور شیمیایی تک بعدی استفاده کردند. آنها گرافن را درون این حفره قرار دادند. الکساندر تالیزین می گوید ما از پریلن و کروئن که مولکول های آلی بسیار طویلی هستند به عنوان واحدهای سازنده نانو روبان استفاده کردیم و آنها را درون نانو لوله کربنی قرار دادیم. ایده استفاده از این مولکول ها به عنوان واحد سازنده از پروژه قبلی ما به دست آمد.
تحقیقات قبلی آنها نشان داده بود که مولکول های کروئن می توانند به شکلی با هم واکنش دهند که محصول دیمر یا تریمر یا مولکول های بلندتر به شکل پودر ایجاد شود.
این سیم ها را می توان به طور مستقیم درون نانو لوله ها قرار داد، از آنها نور گرفت و به عنوان نانولامپ مورد استفاده قرار داد. نانو روبان های نیمه هادی می توانند به عنوان ترانزیستور و پیل خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند .
این روش جدید سنتز نانو روبان ها بسیار ساده است و به راحتی می توان آن را به تولید انبوه رساند.
با این روش می توان تقریبا 100 درصد لوله ها را با استفاده از نانو روبان پر کرد. شبیه سازی کامپیوتری که توسط این گروه تحقیقاتی انجام شده نشان می دهد که نانو روبان ها تمام خواص منحصر به فرد خود را درون نانولوله ها حفظ می کنند در حالی که به دلیل کپسوله بودن از گزند شرایط محیطی در امان هستند. نتایج این تحقیق در نشریه Nano Letters به چاپ رسیده است.
