وبلاگ

۱-۵-۴-رسانایی الکتریکی :
مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، ۳۱ اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس بیشتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.
۱-۵-۵ -رسانایی گرمایی :
رسانایی گرمایی گرافن تقریباً ۵۰۰۰ وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق ۴۰۱ وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن ۱۰ برابر بهتر از مس گرما را منتقل می کند.
۱-۵-۶-چگالی :
سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر ۰/۰۵۲ نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن۰/۷۷ میلی گرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و ۰/۷۷ میلی گرم وزن دارد.
۱-۵-۷ -شفافیت نوری :
گرافن تقریباً شفاف است. فقط ۳/۲ درصد از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند. این عدد بیانگر آن است که گرافن معلق هیچ رنگی ندارد. در شکل(۱-۹) اولین تصویرمیکروسکوپیک منتشرشده از گرافن به روش پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی نشان داده شده است و در شکل(۱-۱۰) طول پیوند کربن-کربن در گرافن نشان داده شده است.
(شکل۱-۹): تصویرمیکروسکوپیک منتشرشده از گرافن به روش پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی
(شکل۱-۱۰): طول پیوند کربن-کربن در گرافن
۱-۵-۸ -مقاومت مکانیکی :
مقاومت شکست گرافن ۴۲ نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای ۳/۳۵ آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست درحدود ۰/۴۲- ۰/۰۸۴ نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن ۱۰۰ برابر فولاد است.

۱-۶-کاربرد های گرافن :
۱-۶-۱ - ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وبسیار سریع با بهره گرفتن از گرافن
گروه تحقیقاتی دانشگاه منچستر یک ترانزیستور گرافنی یک نانومتری ساخت که ضخامت آن یک اتم و قطرش برابر ده اتم بود. عده ای پیش بینی کرده بودند که ترانزیستورهای مذکور که از مشتقات گرافن بودند روزی جای سیلیکون را به عنوان پایه ی محاسبات آینده بگیرد. به مدت چهل سال، یک قانون کلی به نام قانون مور بر محاسبات حکمفرما بوده است. این قانون پیش بینی می کند که تقریباً هر دو سال، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده روی تراشه ها دو برابر خواهد شد. با این وجود، سیلیکون که تا به حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زیر ده نانومتر ساختارهای پایداری ندارد. جدیدترین تراشه های امروز تنها چهل و پنج نانومتر ابعاد دارند. بنابراین وجود جایگزینی برای سیلیکون احساس می شود. گرافن ها از خواص رسانشی فوق العاده ای برخوردارند و به همین دلیل نامزد نسل آینده ی ترانزیستورهای سرعت بالا هستند. شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام و نوکیا هم به آینده گرافن امید بسته‌اند. آی‌بی‌ام یک ترانزیستو ۱۵۰ گیگا هرتزی تولید کرده است؛ در حالی که سریع‌ترین ترانزیستور سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس ۴۰ گیگاهرتز کار می‌کند. به گفته دکتر یو مینگ لین از آی‌بی‌ام، “در مورد سرعت ترانزیستورها، در حال حاضر هیچ مرزی برای حد نهایی سرعت آنها وجود ندارد. هرچند به مشکلاتی برخورده‌ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی‌کنم که مشکلی با خواص گرافن داشته باشیم”.
۱-۶-۲-ذخیره بسیار متراکم داده ها
گروهی از پژوهشگران دانشگاه Rise یک نمونه حافظه شبیه حافظه‌های فلش کنونی ساختند که مبتنی بر گرافن طراحی شده ‌بود و علاوه بر این‌که از چگالی و تراکم بیشتری برخوردار بود، اتلاف حافظه کمتری داشت.
۱-۶-۳- ذخیره انرژی
کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تلاش‌ها برای استفاده از این ماده جهت ساخت خازن‌های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتقال جریان الکتریسیته آغاز شده‌است. هم‌اکنون نیز بعضی از شرکت‌هایی که در ساخت محصولات الکترونیکی ویژه از نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کنند، در حال روی آوردن به گرافن هستند. نمونه‌ای از این محصولات الکترونیکی ویژه، لباس‌هایی هستند که می‌توان آن‌ها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آن‌ها شارژ کرد. همچنین از ترکیب گرافن و آب برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. آب، سبب خیس نگهداشتن گرافن (به شکل ژل) می شود و یک نیروی دافعه میان ورقه‌های منفرد ایجاد کرده و با جلوگیری از اتصال دوباره این ورقه‌ها به یکدیگر، امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای واقعی ایجاد می‌کند. کارایی ژل گرافنی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره‌سازی و هم از نظر زمان رهایش این بار بسیار بهتر از فناوری دیگر مبتنی بر کربن بود. دکتر دان لی، استاد دانشکده مهندسی مواد دانشگاه موناش به همراه همکارانش روی گرافن کار کرده‌اند؛ این ماده می‌تواند مبنایی برای تولید نسل بعدی سامانه‌های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد. وی می‌گوید: «اگر بتوانیم این ماده را به‌ درستی دستکاری کنیم، به‌طور مثال آیفون شما می‌تواند در عرض چند ثانیه و یا حتی کمتر شارژ شود».
۱-۶-۴-تجهیزات نوری ،سلول های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر
گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اصلی گرافن در این است که می‌تواند نور و الکتریسیته را از خود عبور دهد. این ویژگی‌ها در کنار مزایایی مانند استحکام و انعطاف‌پذیری باعث می‌شود تا استفاده از آن به افزایش بازده سلول‌های خورشیدی و لامپ‌هایLED بیانجامد، مضاف بر این‌که در ساخت تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای لمسی، نوریاب‌ها و لیزرهای فوق‌ سریع نیز سودمند خواهد بود. امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آنها می‌توان به روش ‌های پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی، روش رشد همبافته، رسوب بخار و روش های شیمیایی را نام برد. برخی روش های دیگری همانند شکافتن نانو لوله های کربنی برای تولید نانوشیمیایی نوارهای گرافن و ساخت با امواج ماکرویو نیز اخیراً بکار برده شده اند. گرافن در حالت ایده آل یک ساختار کاملا دو بعدی است؛ نانو ساختاری تک لایه از اتم های کربن که با پیوندهای کووالانسی به هم وصل شده اند و یک شبکه شش ضلعی کاملاً مسطح پدید آورده اند.
۱-۷- روش های تولید گرافن
گرافن و گرافن تغییر یافته‌ى شیمیایى یا به ‌عبارت دیگر، مشتقات شیمیایى گرافن، گزینه‌هاى بسیار مناسبى براى کاربردهاى مختلفى همچون مواد ذخیره‌کننده‌ى انرژى، مواد شبه ‌کاغذ، کامپوزیت‌هاى پلیمرى، ابزارهاى بلور مایع و نوسانگرهاى مکانیکى به‌ شمار می‌روند. تاکنون، روش‌هاى مختلفى براى تولید گرافن از گرافیت و مشتقاتش ابداع شده ‌است که هر یک، مزایا و محدودیت‌هایی دارند. در ادامه، به برخی از این روش‌ها اشاره می‌شود:
۱-۷-۱ - لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت
این روش که به نام نوار اسکاتلندی یا روش پوست کنی نیز معروف است ، ادامه ی کارهای قبلی در زمینه لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت الگودهی شده بود. این روش منجر به تولید مقدار اندکی گرافن می شود که می تواند در مطالعات بنیادی مورد استفاده قرار گیرد.
۱-۷-۲-تولید گرافن از اکسید گرافیت
از قرن نوزدهم که اکسید گرافیت برای اولین بار تهیه شد، برای تولید این ماده، عمدتاً از روش های Brodie ، Staudenmeierو Hummer استفاده شده است. هر سه روش مذکور، شامل اکسید کردن گرافیت در حضور اسیدها و اکسیدکننده های قوی است. به رغم تحقیقات زیادی که برای روشن کردن ساختار اکسید گرافیت انجام شده است، همچنان چندین مدل در مقالات، مورد بحث واقع می شود. برای نمونه در شکل(۱-۱۱)، شمای کلی از فرایند Hummeبه تصویر کشیده شده است.
(شکل۱-۱۱):شمای کلی از فرایند Hummers
در (شکل ۱-۱۱)، روش Hummers و نهایتاً، کاهش حرارتی نشان داده‌شده‌است. به‌طور خلاصه، در این فرایند، ابتدا گرافیت به‌صورت حجمی در آب اکسید شده و لایه‌های آن، از هم جدا می‌شوند و در نهایت با حرارت کاهش یافته و گرافن تک‌لایه حاصل می‌گردد. همان‌طور که بیان‌ شد اکسید گرافیت، به‌عنوان پیش ‌ماده برای تولید گرافن در این فرایند درنظر گرفته ‌می‌شود. چون اکسید گرافیت ساختاری لایه‌اى شکل ازجنس ورقه‌هاى اکسید گرافن دارد که بسیار آب‌ دوست است، مولکول‌هاى آب، به ‌راحتى مى‌توانند در بین این صفحات وارد شوند. شایان ذکر است که می‌توان با بهره گرفتن از امواج ماورای صوت (شکل ۱-۱۲) و به‌ هم ‌زدن شدید مخلوطی از اکسید گرافیت و آب به مدت طولانی، این ماده را کاملاً لایه‌لایه و یک مخلوط معلق کلوئیدی آبی از ورقه‌های اکسید گرافن تولیدکرد. همچنین، در(شکل ۱-۱۳)، می‌توان نمایی کلی از مراحل فرایند تولید گرافن از گرافیت را مشاهده نمود.
(شکل ۱-۱۲):امواج ماورای صوت
(شکل ۱-۱۳):نمایی کلی از مراحل تولید گرافن از گرافیت
در (شکل ۱-۱۴)، تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی^۱۹ از صفحات انباشته‌شده و کاهش‌یافته‌ی اکسید گرافیت، ارائه شده‌است.
۱۹.SEM
(شکل ۱-۱۴): تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی^۱۹ از صفحات انباشته‌شده و کاهش‌یافته‌ی اکسید گرافیت،
۱-۷-۳-تولید گرافن از مشتقات دیگر گرافیت
گرافیت با ترکیبات جوف گذاری شده و گرافیت های بسط^۲۰ که نوع خاصی از ترکیبات لایه دار گرافیتی هستند، به عنوان ماده ی^۲۱ پذیر اولیه در در ساخت سوسپانسیون های کلوئیدی از ورقه های گرافن تک لایه ای، مورد استفاده قرار گرفته اند. به شکل ایده آل استفاده از گرافیت، ترکیبات لایه دار گرافیت و گرافیت های بسط پذیر، امکان تولید سوپانسیونی از ورقه های گرافنی با کیفیت بالا، تقریباً گرافن خالص را ایجاد کند.
۱-۷-۴-تولید ورقه های گرافن به روش سنتز الکتروشیمیایی
سنتز الکتروشیمیایی ورقه های گرافن ،یک فرایند تک مرحله ای است. در این فرایند، از دو میله که از جنس گرافیت با خلوص بالا هستند، به عنوان الکترود استفاده شده است سپس الکترودها را در یک سلول الکتروشیمیایی و در الکترولیتی که حاوی یک محلول یونی و آب است، غوطه ور می سازند که در شکل (۱-۱۵) سمت چپ می توان نمونه ای از این سلول الکتروشیمیایی را ملاحظه نمود.
۲۰.intercalation compound graphite
۲۱.expandable graphite
(شکل۱-۱۵): سلول الکتروشیمیایی
از سمت چپ به راست، به‌ترتیب: سلول الکتروشیمیایی تولید گرافن، ورقه‌های گرافن از آند گرافیتی و اصلاح‌شده از واکنش شیمیایی، عکس گرافن به‌دست‌آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری^۲۲ به‌عنوان محصول این فرایند، به‌طول و عرض ۷۰۰ و ۵۰۰ نانومتر و ضخامت کمتر از ۱/۱نانومتر.
در (شکل ۱-۱۶) نمونه‌ای از الگوی آزمایشگاهی سلول الکتروشیمیایی برای تولید گرافن، نشان داده‌ شده ‌است. در سمت راست سلول الکتروشیمیایی نشان‌ داده‌ شده، محصول به‌دست ‌آمده از این سلول، به ‌نمایش گذاشته شده‌ است.
شکل (۱-۱۶): نمونه‌ای از الگوی آزمایشگاهی سلول الکتروشیمیایی برای تولید گرافن
۲۲.TEM
۱-۸-دگر شکل های کربن(آلوتروپ ها)
۱-۸-۱-الماس
الماس یکی از سنگ‌های قیمتی و یکی از آلوتروپ‌های کربن است که در فشارهای بالا پایدار است. آلوتروپ دیگر کربن گرافیت نام دارد. الماس در حالت پایدار دارای ساختار بلند روی (مکعبی) است. الماس ساختار منشوری نیز دارد که این ساختار بصورت شبه ‌پایدار در طبیعت به صورت کانیلونسدالنیت وجود دارد. در شکل (۱-۱۷) ساختار مکعبی الماس نشان داده شده است.

شکل (۱-۱۷): ساختار مکعبی الماس
۱-۸-۲-گرافیت
گرافیت یکی از آلوتروپ‌های کربن است که به جهت نرم بودن و رنگ سیاهش در ساخت نوک مداد مورد استفاده قرار می‌گیرد. گرافیت ساختار لایه-لایه داشته و از قرار گرفتن ۶ اتم کربن به صورت ۶ ضلعی منظم پدید آمده است. این اتم‌ها با پیوند کوالانسی به هم متصلند و نمی‌توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی تشکیل دهند، بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوند واندروالس -که پیوند ضعیفی است- به لایه‌های زیرین متصل است. این خاصیت سبب می‌شود لایه‌های گرافیت به راحتی به روی هم بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب برای «روان کاری» و «روغن کاری» استفاده می شود. از گرافیت به عنوان الکترودهای کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ها، فولادهای پرکربن، چدن‌ها، مداد گرافیتی استفاده می‌شود.شرایط استاندارد است.در ( شکل ۱-۱۸) کانی گرافیت نشان داده شده است.
( شکل ۱-۱۸):کانی گرافیت
۱-۸-۳-فولرن