بحث جديد يكشف عن أغشية جرافيت أفضل

يتميز الجرافيت عالي الجودة بقوة ميكانيكية ممتازة، وثبات حراري عالٍ، ومرونة فائقة، وموصلية حرارية وكهربائية عالية جدًا في المستوى، مما يجعله أحد أهم المواد المتقدمة للعديد من التطبيقات، مثل الموصلات الكهروضوئية المستخدمة في بطاريات الهواتف. على سبيل المثال، يُعد نوع خاص من الجرافيت، وهو الجرافيت البيروليتي عالي الترتيب (HOPG)، من أكثر المواد استخدامًا في المختبرات. تعود هذه الخصائص الممتازة إلى البنية الطبقية للجرافيت، حيث تُسهم الروابط التساهمية القوية بين ذرات الكربون في طبقات الجرافين في خصائص ميكانيكية ممتازة، وموصلية حرارية وكهربائية عالية، بينما يكون التفاعل بين طبقات الجرافين ضئيلاً للغاية. ينتج عن ذلك درجة عالية من المرونة. على الرغم من اكتشاف الجرافيت في الطبيعة منذ أكثر من 1000 عام، ودراسة تصنيعه صناعيًا لأكثر من 100 عام، إلا أن جودة عينات الجرافيت، سواء الطبيعية أو المصنعة، لا تزال بعيدة عن المثالية. على سبيل المثال، يقل حجم أكبر نطاقات الجرافيت أحادي البلورة في مواد الجرافيت عادةً عن 1 مم، وهو ما يتناقض تمامًا مع حجم العديد من البلورات الأخرى، مثل بلورات الكوارتز والسيليكون أحادية البلورة، التي قد يصل حجمها إلى متر. ويعود صغر حجم الجرافيت أحادي البلورة إلى ضعف التفاعل بين طبقات الجرافيت، وصعوبة الحفاظ على استواء طبقة الجرافين أثناء نموها، مما يؤدي إلى انقسام الجرافيت بسهولة إلى عدة حدود حبيبية أحادية البلورة غير منتظمة. ولحل هذه المشكلة الرئيسية، اقترح البروفيسور الفخري من معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST) وزملاؤه، البروفيسور ليو كاي هوي والبروفيسور وانغ إنج من جامعة بكين، وغيرهم، استراتيجية لتصنيع أغشية رقيقة من بلورات الجرافيت أحادية البلورة، وصولًا إلى مقياس البوصة. تعتمد طريقتهم على رقاقة نيكل أحادية البلورة كركيزة، حيث تُغذى ذرات الكربون من الجهة الخلفية للرقاقة عبر عملية "الذوبان والانتشار والترسيب متساوي الحرارة". وبدلاً من استخدام مصدر غازي من الورق المقوى، اختاروا مادة كربونية صلبة لتسهيل نمو الجرافيت. تُمكّن هذه الاستراتيجية الجديدة من إنتاج أغشية جرافيت أحادية البلورة بسماكة تقارب 1 بوصة و35 ميكرون، أو ما يزيد عن 100,000 طبقة من الجرافين في غضون أيام قليلة. وبالمقارنة مع جميع عينات الجرافيت المتاحة، يتميز الجرافيت أحادي البلورة بموصلية حرارية تبلغ حوالي 2880 واط/متر/كلفن، ومحتوى ضئيل من الشوائب، ومسافة دنيا بين الطبقات. (1) إن نجاح عملية تصنيع أغشية نيكل أحادية البلورة كبيرة الحجم كركائز فائقة النعومة يمنع اضطراب الجرافيت المُصنّع. (2) يتم تنمية 100,000 طبقة من الجرافين بشكل متساوي الحرارة في حوالي 100 ساعة، بحيث يتم تصنيع كل طبقة من الجرافين في نفس البيئة الكيميائية ودرجة الحرارة، مما يضمن جودة موحدة للجرافيت؛ (3) يسمح التزويد المستمر بالكربون من خلال الجانب الخلفي لرقاقة النيكل بنمو طبقات الجرافين باستمرار بمعدل عالٍ جدًا، طبقة واحدة تقريبًا كل خمس ثوانٍ.