نانوگرافن

نانوگرافن

نانوگرافن

پیش از بحث درباره نانوگرافن، باید کمی درباره گرافن و چگونگی تولید آن صحبت کنیم.

گرافن چیست

گرافن، اولین ماده‌ی دوبعدی و در دسترس علم است. واژه‌‌ی دوبعدی به دلیل ساختار یک لایه اتم کربن با ضخامت یک اتم است و بعد سوم (ارتفاع) صفر می‌باشد. گرافن واحد سازنده‌ی گرافیت است. یک آلوتروپ پایدار از کربن می‌باشد که ساختار کریستالی دارد. گرافن، شامل یک لایه‌ی واحد از اتم‌‌های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری چیده شده‌اند. در واقع شامل یک صفحه از کربن است که دارای چهار پیوند می‌باشد.

از زمان کشف آن در سال 2004 توسط پروفسور آندره گیم و پروفسور نووسلوف، که جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال 2010 به آن‌ها اهدا شد. گرافن انقلابی بزرگ در علم مواد و فیزیک ماده‌ی متراکم ایجاد کرد. اگرچه گرافن مزایای بسیار زیادی دارد، اما محدودیت‌های زیادی نیز به دلیل ساختار مشبک نامحدود شش ضلعی خودش دارد. یکی از این مشکلات، تجمع بین لایه‌هاست.  با برداشتن یک لایه از گرافیت، یک لایه گرافن ایجاد می‌شود.

گرافیت و گرافن
شکل (a) گرافیت، و شکل (b)، یک لایه از گرافن

گرافن در مقابل آلوتروپ‌های دیگر

سایر آلوتروپ ها

گرافیت با قرار گرفتن لایه‌های گرافن بر روی هم ایجاد می‌شود، حال اگر آن‌ها را برش داده و به شکل کروی درآیند، آلوتروپ فولرِن ایجاد می‌شود و اگر برش داده و به صورت رُل درآیند، نانوتیوب ایجاد می‌شود.

برخی روش‌های مهم تولید گرافن

  • چسب نواری (آندره گیم و کنستانتین نووسلوف در ابتدا، از نوار چسب برای تقسیم گرافیت به گرافن استفاده کردند. هرکدام یک برش با لایه‌های کمتر ایجاد کردند، تا زمانی که تنها یک لایه باقی بماند)
تولید گرافن با چسب نواری
  • الماس: در این روش، یک تکه الماس تک کریستال تیز روی لایه گرافیت نفوذ می‌کند تا لایه لایه شود
  • کاهش اکسید گرافیت: P. Boehm در سال 1962 پوسته‌های تک لایه‌ای از اکسید گرافن کاهش یافته تولید کرد. گرم شدن سریع اکسید گرافیت و لایه‌برداری باعث تولید پودر کربن بسیار پراکنده با چند درصد تکه‌های گرافن می‌شود
  • برش زدن: در سال 2014، مایعات حاوی گرافن که فاقد اکسید بودند، با استفاده از میکسر‌های برشی از گرافیت ایجاد شدند
  • سنتز الکتروشیمیایی: باعث لایه‌برداری گرافیت و ایجاد گرافن می‌شود. تغییر ولتاژ، سطح پوسته پوسته شدن و تعداد نقص‌ها را کنترل می‌کند و بر خواص آن تاثیر می‌گذارد، این فرایند با غرق کردن گرافیت در یک حلال، برای تداخل شروع می‌‌شود
  • رسوب بخار شیمیایی (Chemical vapor Deposition)  CVD: فرایند رسوب مواد جامد بر روی یک بستر گرم شده از طریق تجزیه یا واکنش شیمیایی ترکیبات موجود در گاز که از روی سطح عبور می‌کند، CVD نامیده می‌شود. در حال حاضر این روش، بهترین گزینه برای ساخت گرافن است. مزیت‌های این روش: کیفیت بسیار بالا، تولید در مقیاس زیاد، حداقل میزان نقص، مناسب برای کاربرد‌های الکترونیکی انعطاف پذیر و پوشش‌های ضد خوردگی می‌باشد.
  • سیلیکون کاربید: با استفاده از این روش، می‌توان تعداد لایه‌های گرافن را کنترل و به کیفیت بسیار بالایی از گرافن دست یابیم. گرم کردن سیلیکون کاربید در دمای بالا (کمتر از 1100 درجه سلسیوس) و فشارکم، آن را به گرافن کاهش می‌دهد. با تصعید اتم‌های سیلسیم، کاربید سیلیکون باقیمانده به یک سطح نازک گرافیتی تبدیل می‌شود. قطبیت مورد استفاده برای تشکیل گرافن به شدت بر ضخامت، تحرک و چگالی حامل تاثیر می‌گذارد. ساختار نواری الکترونیکی گرافن (به اصطلاح ساختار مخروطی)، برای اولین بار در این ماده تجسم شد. معایب این روش شامل: هزینه‌ی بالای کاربید سیلیکون و افزایش دما برای تصعید می‌باشد.
  • حلال‌های شیمیایی یا شوک حرارتی: باعث تولید لایه‌های گرافن در مقیاس بزرگ می‌شود، اما پوسته‌های تولید شده با این روش، معمولا چند لایه هستند در نتیجه کنترل آن‌ها دشوار است و باعث ورود ناخالصی به گرافن می‌شود

ویژگی‌ها و کاربرد‌های مهم گرافن

ویژگی ها و کاربردهای گرافن
  1. شفافیت: گرافن فقط 3/2% از بازتاب نور را جذب می‌کند، در نتیجه خواص نوری منحصر به فرد و شفافیت بالایی دارد
  2. هدایت گرمایی: دو برابر بیشتر از الماس، گرما را هدایت می‌کند و 13 برابر بیشتر از مس، رسانایی گرمایی دارد

کاربردها

  • مواد رابط حرارتی
  • پخش کننده‌های حرارتی
  • گریس‌های حرارتی
  • نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن و …

3. رسانایی الکتریکی: آرایش اتمی منحصر به فرد اتم‌های کربن در گرافن به الکترون‌های آن اجازه می‌دهد تا به راحتی با سرعت بسیار بالا بدون احتمال پراکندگی زیاد حرکت کنند

کاربردها

  • دستگاه‌های تاشو و قابل انعطاف (تراشه‌های هوشمند)
  • قطعات الکترونیکی کم هزینه قابل چاپ
  • قطعات الکترونیکی با فرکانس بالا
  • ترانزیستورها با فرکانس بالا
نانوگرافن

4. غشای نفوذناپذیر: گرافن به دلیل نفوذناپذیری بالا، حتی کوچکترین اتم مانند هلیم، نمی‌تواند از یک لایه گرافن بدون نقص عبور کند. در طی نفوذناپذیری گرافن، یک لایه از اتم‌ها می‌توانند به عنوان یک سد عالی در برابر گازها و مایعات عمل کنند. منافذ موجود در گرافن به صورت انتخابی عمل می‌کنند و به گرافن اجازه می‌دهد که نفوذپذیری انتخابی گاز‌ها را فعال کند.

کاربردها

  • موانع گازی (در بسته بندی مواد غذایی)
  • نمک زدایی و خالص سازی آب
  • جداسازی حلال‌های آلی از آب 

5. فناوری زیست پزشکی: گرافن به دلیل مساحت سطح بالا و تحرک الکترون‌ها، نقش عمده ای در زیست پزشکی دارد

کاربردها

  • فرسایش حرارتی سلول‌های سرطانی بسیار مقاوم
  • هدف قراردادن و خنثی سازی سلول‌های سرطانی
  • رابط الکترونیکی با سلول‌های زنده و بافت عصبی
  • برچسب‌های گرافیکی لومینسانس، برای تصویرسازی زیستی

6.  مقاومت سختی و کشش: اگرچه گرافن نسبتا شکننده است، ولی تا 25% انعطاف پذیری و کشش می‌تواند داشته باشد و برای لوازم الکترونیکی انعطاف پذیر بسیار کاربردی است

7. برداشت و ذخیره انرژی: گرافن به دلیل هدایت الکتریکی و مساحت سطح بالا، در دستگاه‌های ذخیره‌ی انرژی بسیار مفید است.چهار حوزه‌ی‌ مربوط به انرژی که گرافن و نانومواد مبتنی بر گرافن بر روی آن اثر دارند شامل: سلول‌های خورشیدی، خازن‌ها با ظرفیت بالا، باطری‌های گرافن و کاتالیست‌ها برای سلول‌های سوختی می‌باشد.

کاربردها

  • گرافن، ظرفیت انرژی و سرعت شارژ در باطری‌هایی با قابلیت شارژ مجدد را فراهم می‌کند
  • گرافن فعال شده، خازن‌هایی با ظرفیت بالا برای ذخیره انرژی فراهم می‌کنند
  • الکترودهای گرافن، ممکن است منجر به تولید سلول‌های خورشیدی شوند که مقرون به صرفه، سبک و قابل انعطاف باشند

8. کامپوزیت و پوشش‌ها گرافن علاوه بر خواص ذاتی مکانیکی خودش، به دلیل جرم و ابعاد کم، آن را به عنوان یک عامل تقویت کننده در تولید کامپوزیت‌ها برجسته می‌کند)

کاربردها

  • تولید کامپوزیت‌های بسیار سبک برای ساختارهای منطبق با بدن انسان
  • به عنوان نانومواد، به صورت یک فیلم با نفوذناپذیری فوق العاده بالا
  • محافظت از خوردگی
  • پوشش‌های هدایت گرمایی شفاف برای وسیله‌ها و کاربردهای فوتونی
  • فیلم‌های شفاف و قابل انعطاف

9. سنسورها: حسگرها‌ی بر پایه‌ی گرافن، برای سنجش مولکول‌های گاز با اندازه گیری تغییرات هدایت الکتریکی در مواد کار می‌کنند. این سنسور‌ها با جذب یک مولکول گاز در سطح گرافن عمل می‌کنند (به عنوان دهنده یا پذیرنده الکترون عمل می‌کنند). حساسیت سنسورهای گاز انتخابی را می توان با تعیین دقیق میزان جریان گاز و میزان دمای مورد نظر افزایش داد از آن جا که هر اتم موجود در گرافن، در معرض محیط خود قرار می‌گیرد. یک ماده‌ی ایده آل برای حسگرهای بیولوژیکی، گازی و شیمیایی است.

کاربردها

  • تشخیص مواد منفجره
  • سنسورهای گاز انتخابی
  • بایوسنسورها، برای تشخیص نشان‌گرهای زیستی برای بیماری‌هایی نظیر پارکینسون
  • جاسازی حسگرهای الکترونیکی چند منظوره با قابلیت خود‌درمان در بافت پوست 

10. خواص آنتی باکتریال: در سال 2010 برای اولین بار فعالیت ضد باکتریایی دو ماده بر پایه‌ی گرافن گزارش شد. نانو صفحات اکسید گرافن و اکسید گرافن به طور قابل توجهی از رشد باکتری E.Coli جلوگیری کردند. لایه‌های گرافن اکساید، کارایی بسیار بالایی برای از بین بردن باکتری‌ها دارند. وقتی باکتری‌ها بر روی یک سطح مناسب فرود می‌آیند شروع به تکثیر و تولید یک پوشش باکتریایی می‌کنند. تکه های گرافن به غشاهای سلولی آسیب می‌رسانند و باکتری‌ها را از بین می‌برند در نتیجه از لایه‌های گرافن برای کاربردهای بهداشتی و بسته بندی مواد غذایی برای حفظ تازگی و افزایش زمان نگهداری استفاده می‌گردد.

نانوگرافن

در ادامه مقاله به بررسی نانوگرافن خواهیم پرداخت. با مکرر بلاگ همراه باشید.

نانوگرافن

واحد‌های گرافن، به عنوان نانوگرافن نیز شناخته می‌شوند، که برای کاربرد‌های ویژه تولید می‌شوند. فرایند تولید نانوگرافن‌ها، بسیار پیچیده‌تر از گرافن معمولی است. به طور معمول، سنتز این مواد دقیق نبوده و کنترل آن ها دشوار است. محققان راه‌هایی برای دستیابی به کنترل دقیق در تولید نانوگرافن کشف کرده‌اند. با انجام این کار، آ‌ن‌ها فرایندهای شیمیایی نامشخص قبلی را که در تولید نانوگرافن دخیل بودند، روشن کردند.

نانوگرافن به صورت انتخابی با حذف اتم‌های هیدروژن از مولکول‌های آلی کربن و هیدروژن ساخته می‌شود، فرایندی که آب زدایی یا دهیدروژناسیون نامیده می‌شود.

هیدروژن زدایی روی سطحی فلزی مانند نقره، طلا یا مس انجام می‌شود که به عنوان کاتالیزور عمل می‌کند. ” این سطح نسبت به مولکول‌های آلی مورد نظر بزرگ است”. این امر، به دشواری در ساخت سازندهای نانو نگاری خاص، کمک می‌کند. محققان با بررسی روش‌های مختلف سنتز نانوگرافن، به روش‌هایی کارآمد دست یافتند که کنترلی دقیق ارائه می‌دهند.

روش‌های تولید نانوگرافن

  • تولید نانوگرافن با میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

 یک روش بسیار تخصصی برای کنترل سنتز دقیق نانوگرافن، استفاده از یک نوع میکروسکوپ تخصصی به نام میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) Atomic Force microscopy  می‌باشد. یک نوع میکروسکوپ پروب اسکن با وضوح 1000 برابر، که بسیار بهتر از پراش نوری عمل کرده و از هر نوع سطحی مانند کامپوزیت‌ها، پلیمر‌ها، و نمونه‌های بیولوژیکی تصویر می‌گیرد. که جزئیات مولکول‌ها را با یک کاوشگر سوزنی نانوسکوپی اندازه گیری می‌کند. AFM با دستکاری اتم‌ها برای تشخیص ویژگی آن‌ها، می‌تواند پیوندهای کربن- هیدروژن را در مولکول‌های آلی بشکند، زیرا نوک آن بسیار کوچک است و می‌تواند بدون نیاز به انرژی حرارتی پیوندها را بشکند و اجزای نانوگرافن را با کنترل بسیار دقیق می‌سازد.

  • روبان‌های نانوگرافن (GNRs)Graphene Nano Ribbons

نوارهای گرافنی که روبان‌های نانوگرافن نیز نامیده می‌شوند، نوارهایی از گرافن با عرض کمتر از 100 نانومتر هستند. این روبان‌های گرافنی توسط محققان برای بررسی اثر لبه و اندازه نانو در گرافن معرفی شد.

روش‌های تولید نانوروبان‌های گرافنی

  1. نانوتومی

مقادیر زیادی از نانوروبان‌های گرافنی کنترل شده با عرض را می‌توان از طریق نانوتومی گرافیت تولید کرد. با استفاده از یک چاقوی تیز الماس بر روی گرافیت، نانو بلوک‌های گرافیتی ایجاد می‌شود و سپس با لایه برداری از آن‌ها، نانوروبان‌ها‌‌ی گرافن تولید می‌شوند.

نانو روبان‌ها را می‌توان با باز کردن یا برش محوری نانولوله‌ها نیز تولید کرد.  (اخیرا نانوروبان‌های گرافنی بر روی بسترهای سیلیکون کاربید با استفاده از کاشت یون و سپس بازپخت خلاء با لیزر رشد کرده‌اند).

2. اپیتاکسی (روش سیلیکون کاربید در تولید گرافن می‌باشد)

3. رسوب بخارشیمیایی

نانوروبان‌های گرافنی باریک‌تر از 10 نانومتر، که روی بستر ژرمانیوم رشد کرده‌اند، مانند نیمه هادی‌ها عمل می‌کنند، با استفاده از CVD در محفظه‌ی واکنش، از متان برای رسوب دادن هیدروکربن‌ها بر روی سطح بستر استفاده می‌شود وجایی که با هم واکنش می‌دهند نوارهایی با لبه‌های بلند و صاف تولید می‌شود، با کنترل سرعت و زمان رشد، محققان به کنترل عرض نانوروبان‌ها هم دست یافتند.

4. فرایند باز شدن حلقه (Zipping up)

باز شدن حلقه‌ها برای ساخت نانوگرافن‌ها، یک روش سریع و کارآمد برای سنتز نانوروبان‌های گرافنی است.گرافن با قیچی شیمیایی نانولوله‌های کربنی این کار را انجام می‌دهد. طبق محاسبات دانشمندان، یک روبان گرافن به اندازه کافی پیچ خورده، شروع به ایجاد پیوند شیمیایی بین اتم‌های کربن در لبه‌های مخالف می‌کند. این پیوند، نیروی لازم را برای زیپ کردن غشای گرافن فراهم می‌کند. این روش قدرتمند در تولید نانوگرافن به تولید طیف وسیعی از مواد جدید اُپتوالکترونیکی مانند نمایشگرهای الکترولومینست ارگانیک و سلول‌های خورشیدی منجر می‌شود.

فرایند باز شدن حلقه

پلاکت‌های نانوگرافن (NGP Nano Graphene platelet)

یک پلاکت در مقیاس نانو است، که از یک یا چند لایه از گرافن با ضخامت بین (34/0-100 nm)، ساخته شده است. این دسته از نانوگرافن‌ها، شبیه نانوتیوب‌ها هستند و جریان الکترون با سرعت بالا، بدون هیچ گونه برخوردی با اتم‌ها در ساختار کریستالی در حرکت است.  معمولا شامل دو لایه گرافن که بر روی بستر سیلیکون دی اکساید قرار گرفته‌اند.

پلاکت های نانوگرافن

ویژگی‌های پلاکت نانوگرافن

  • چگالی بسیار پایین تر از مس و هدایت الکتریکی بالا تر از مس
  • چگالی کمتر از فولاد، ولی 50 برابر قوی تر از آن

مزایای پلاکت نانوگرافن

  • ویژگی‌های عالی مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و شیمیایی
  • پیوند شیمیایی گسترده با رزین های متنوع
  • توانایی فیلتراسیون مواد مضر آلی و غیر آلی
  • قفس ساخته شده از گرافن و ستون‌های نانوتیوب، امکان ذخیره بهتر هیدروژن را فراهم می‌کند
قفس گرافن و نانوتیوب

کاربردهای پلاکت نانوگرافن

  • الکترود‌های باطری و سوپرخازن‌ها
  • سلول‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی و منابع انرژی
  • محافظت از تکانه‌های الکترومغناطیسی و رادیو فرکانسی برای کامپیوتر‌ها و گوشی‌های موبایل
  • فیلتراسیون و خالص سازی
  • سدهای رطوبتی با کارایی بالا

ویژگی و کاربرد‌های گرافن‌های مبتنی بر نانوذرات

مواد نانوساختار مبتنی بر گرافن، بسیار مفید هستند و در زمینه تکنولوژی و زیست پزشکی نوید بخش می‌باشند.

  • به عنوان یک ماده‌‌ی نوری غیر خطی، برای دستگاه‌های اُپتوالکترونیکی
  • بهبود سلول‌های خورشیدی، سلول‌های سوختی، LED‌ها
  • مساحت سطح بالا
  • هدایت الکتریکی بالا
  • فوق العاده سبک و اغلب شفاف
  • مقاومت مکانیکی بالا
  • هدایت گرمایی بالا
  • بالاترین چگالی جریان در دمای اتاق
  • رسانش دارو و درمان سرطان
  • زیست پزشکی

گرافن نانومتخلخل

طراحی و سنتز ساختارهای نانو متخلخل دو بعدی، با تخلخل قابل کنترل و ویژگی های منحصر به فرد در مقیاس نانو، در کاربردهایی مانند جداسازی و کاتالیز بسیار مهم است. استراتژی‌های تخلخل در بین مواد دوبعدی مانند گرافن، فرصت‌های امیدوارکننده‌ای را برای توسعه‌ی ساختارهای نانو با قابلیت تنظیم میزان توزیع اندازه منافذ، تراکم منافذ و یکنواختی نشان می‌دهد.

ساختارهای گرافن نانومتخلخل، از نظر انتشار پلاسمونیک، فعالیت کاتالیزوری و خواص ترموالکتریکی نسبت به مواد متراکم دو بعدی معمولی خواص بسیار بهبود یافته ای دارند.

نانوگرافن اکساید

نانوگرافن اکساید

یک ورقه‌ی گرافنی متراکم، با گروه‌های هیدروکسیل، اپوکسی و کربوکسیلیک اسید می‌باشد. استفاده از نانوذرات گرافن و مشتقات آن‌ها مانند نانوگرافن اکساید‌ها در سیستم انتقال دارو با اصلاح سطح توسط پلیمرها و یا سایر نانوذرات امکان پذیر است. حضور گروه‌های اکسیژنی باعث برهم کنش بهتر با مواد دیگر می‌شود. این دسته از ورقه‌های گرافنی را می‌توان با پیوندهای کوالانسی به مواد دیگر پیوند داد.

ویژگی‌های نانوگرافن اکساید

ساختار چند لایه ای، مساحت سطح بالا، زیست سازگاری عالی، انتقال نوری بالا، انعطاف پذیری در اصلاح سطح، آنتی باکتریال و …

کاربردهای نانوگرافن اکساید

  • تصویربرداری بیولوژیکی
  • تصویربرداری مولکولی
  • تحویل دارو-ژن (اصلاح سطحی گرافن اکساید می تواند با ایجاد جذب از طریق جاذبه الکترواستاتیک، در مونتاژ لایه به لایه، بازدهی دارو را بهبود ببخشند)
  • پراکندگی زیاد در آب و پایداری کلوئیدی خوب
  • نانوکاتالیز‌ها
  • نانودارو‌ها
  • بیوسنسور‌ها
  • مهندسی بافت
  • درمان انواع سرطان‌ها
  • دستگاه‌های الکترونیکی مبتنی بر بیو نانو
نانوگرافن

پوشش‌های نانوگرافن

پوشش‌های نانوگرافن یکی از جدیدترین پیشرفت‌ها در حفاظت از سطح محسوب می‌شود. پراکندگی ذرات نانوگرافن همرا با پلی دی متیل سیلوکسان منجر به تولید پوشش قوی و انعطاف پذیر می‌شود.  بعنوان مثال تولید پوشش‌های نانوکامپوزیتی گرافن- دی اکسید زیرکونیوم، کاربردهایی از جمله مقاومت در برابر خوردگی فلز از خود نشان می‌دهند.

نانوگرافن

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر

منابع:

به اشتراک بگذارید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *