گرافن و انواع آن چیست و چه کاربردهایی دارد؟

شاید کمی عجیب به نظر برسد اما خیلی از دانشمندان به دلیل ویژگی‌های کاربردی این ماده، قرن بیست و یکم را عصر گرافن نام‌گذاری کرده‌اند؛ زیرا هر یک از خواص آن، انقلاب و جهش بسیار بزرگی در زمینه‌های مختلف علم و صنعت ایجاد می‌کند. حال باید به این سوال پاسخ داد که گرافن چیست و چه کاربردی دارد؟

گرافن (Graphene) چیست؟

در پاسخ به این سوال که گرافن چیست می‌توان گفت که نام این ماده را شاید بارها در کتاب‌های درسی دبیرستان خود شنیده باشید. این ماده از گروه‌بندی اتم‌های کربن به صورت ۶ ضلعی است که نازک‌ترین ماده آن با ضخامت یک اتم ساخته شده است.

این ماده بخشی از یکی از فراوان‌ترین مواد در طبیعت یعنی گرافیت است؛ در واقع تک لایه‌های گرافن با قرارگیری روی هم گرافیت را تشکیل می‌دهند. جالب است بدانید که قطر یک اتم کربن تقریبا ۰.۳۳ نانومتر بوده و حدود ۳ میلیون لایه گرافن، یک ورقه گرافیت با ضخامت ۱ میلی‌متر را تشکیل می‌دهند.

گرافن به دلیل سخت بودن، انعطاف پذیری بالا، وزن کم و مقاومت زیاد کاربردهای فراوانی دارد؛ شاید برایتان عجیب باشد بدانید که این ماده ۲۰۰ برابر مقاوم‌تر از فولاد و ۵ برابر سبک‌تر از آلومینیوم است.

از طرفی گرافن رسانای عالی گرما و الکتریسیته بوده و توانایی جذب نور بالایی را نیز دارد؛ تمام این ویژگی‌ها دست به دست هم داده‌اند تا این ماده، جهان را تغییر داده و تقریبا در هر صنعتی مورد استفاده قرار بگیرد.

گرافن در انواع و شکل‌های مختلفی تولید و استفاده می‌شود؛ در بخش زیر انواع آن را به طور معرفی و بررسی می‌کنیم.

معرفی انواع گرافن و مشخصات آنها

گرافن‌ها انواع مختلفی دارد و هر کدام از آنها در صنایع و زمینه‌های متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ در جدول زیر با انواع، کاربردها و توضیحات هر کدام از آنها آشنا می‌شوید.

البته علاوه بر موارد بالا انواع دیگری از گرافن‌ها مثل اکسید گرافن (GO) و اکسید گرافن کاهش یافته (rGO) نیز وجود دارد. این دو مورد بسیار شبیه به هم بوده؛ اما نسبت اکسیژن به کربن در نوع کاهش یافته کمتر است. علاوه بر این اکسید گرافن کاهش یافته نسبت به GO پایداری بیشتری نیز دارد.

موارد گفته شده بخشی از انواع و کاربردهای گرافن است اما به طور کلی همه ما روزانه با مواد مختلف ساخته شده از گرافن سر و کار داریم. در بخش زیر بیشتر در این مورد توضیح می‌دهیم.

معرفی کاربردهای شگفت‌انگیز گرافن

گرافن در بخش‌های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته و باعث پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری شده است. در بخش زیر بخشی از کاربردهای این ماده توضیح داده شده است.

۱- استفاده از گرافن در بخش انرژی

استفاده از گرافن در ساخت باتری‌های قابل‌شارژ جهش بسیار بزرگی به سمت بهره‌وری انرژی بوده و علاوه بر این از گرم‌شدن بیش از حد دستگاه‌ها نیز جلوگیری می‌کند. مواد مختلفی در خانه‌ها مثل رنگ، از گرافن ساخته شده‌اند؛ این نوع رنگ‌ها تاثیر بسیار زیادی در تنظیم حرارتی بهتر محیط و همچنین صرفه‌جویی در تهویه مطبوع فضاها دارند.

به همین دلیل اگر خیلی آینده‌بینانه به این موضوع نگاه کنیم؛ گرافن نقطه عطفی بسیار عالی در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر به شمار می‌رود؛ زیرا این ماده باعث تولید انرژی بسیار بیشتری می‌شود.

۲- کاربرد گرافن در ساخت و ساز

جالب است بدانید گرافن حتی در ساخت‌و‌ساز نیز کاربرد داشته و باعث عایق بهتر ساختمان‌ها می‌شود. علاوه بر این مواد حاوی گرافن در برابر خوردگی، رطوبت و آتش مقاوم‌تر بوده و به همین دلیل پایداری و استحکام ساختمان‌ها نیز افزایش می‌یابد.

به طور کلی گرافن، تکمیل کننده مصالح ساختمانی است و با محیط زیست نیز سازگاری دارد. به دلیل این ویژگی‌هاست که این ماده طرفداران زیادی را جلب خود کرده است.

۳- نقش پررنگ گرافن در پزشکی

شاید عجیب باشد اما گرافن در ساخت تجهیزات پزشکی و بهداشتی نیز کاربرد دارد؛ برای مثال استفاده از گرافن در ساخت سمعک‌ها، آنها را بسیار قوی‌تر، انعطاف‌پذیرتر و همچنین سبک‌تر می‌کند.

از طرفی از گرافن‌ها حتی در ساخت ماهیچه‌‌ها و استخوان‌های جراحی نیز استفاده شده و در تشخیص انواع بیماری‌ها و درمان آنها این ماده نقش دارد، بنابراین هرگز توانایی‌های این ماده فوق‌العاده را دست کم نگیرید!

۴- کاربرد گرافن در الکترونیک

گرافن گاهی اوقات صنعت الکترونیک را به طور کامل تغییر می‌دهد؛ با استفاده از این ماده می‌توان دستگاه‌هایی بسیار کوچک‌تر، محکم‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر از محصولات امروزی تولید کرد.

علاوه بر این، گرافن به کار رفته در مدارهای الکترونیکی، دستگاه‌ها را در برابر رطوبت مقاوم و از خرابی آنها جلوگیری می‌کند. جالب است بدانید این ماده رسانای حرارتی و الکتریکی بسیار عالی بوده و حتی ۱۰۰۰ برابر از مس بهتر عمل می‌کند.

تا اینجا شما با بسیاری از کاربردهای گرافن آشنا شدید؛ این ماده نقش بسیار پررنگی در زندگی روزانه ما داشته و بدون آن انجام بسیاری از کارها سخت می‌شود. نکته حائز اهمیت این است که تولید و استفاده از این ماده خیلی راحت نبوده و چالش‌ها و نگرانی‌های خاص خودش را دارد.

چالش‌ها و نگرانی‌های تولید و استفاده از گرافن

گرافن‌ها با وجود تمام ویژگی‌ها و کاربردها‌ی فوق‌العاده‌شان، چالش‌ها و نگرانی‌های مختلفی نیز برای افراد دارند؛ به نظرتان دلیل آن چیست؟ در وهله اول همان‌طور که گفتیم گرافن‌ها انواع مختلفی دارند؛ برخی از آنها چند لایه و ارزان‌تر و برخی تک لایه و مفیدتر هستند.

با وجود این، افراد و حتی شرکت‌های بزرگ به دلیل ناآگاهی، گرافن مناسب و مربوط به کار خود را انتخاب نمی‌کنند؛ همین مورد باعث ایجاد بی‌اعتمادی بازار و همچنین دریافت نتایج ضعیف می‌شود؛ بنابراین باید حتما مصرف کنندگان در این زمینه آموزش کافی ببینند.

یکی دیگر از چالش‌های گرافن محدودیت آن در تولید حجم انبوه آن است؛ البته روش‌های ساخت انواع متفاوت گرافن رو به افزایش بوده و احتمال رفع این مشکل در ۲ الی ۵ سال آینده پیش‌بینی شده است.

تولید انبوه از این مواد تاثیر بسیار زیادی بر قیمت نهایی آن داشته و از طرفی این موضوع در افزایش قیمت محصولات حاوی گرافین نیز تاثیر مستقیم دارد. با توجه به این موارد باید استفاده از گرافن کاملا توجیه شود؛ زیرا با توجه به درجه و نوع آن، کمی قیمت بالایی دارد.

جمع‌آوری نکات مربوط به گرافن

در این مطلب توضیحاتی پیرامون اینکه گرافن چیست، انواع آن، کاربردها و چالش‌های استفاده از آن ارائه شد. با این حال، تحقیقات در این زمینه هنوز تمام نشده و به همین دلیل هنوز زمان مناسبی برای پیش‌بینی آینده آن نیست!

علاوه بر این، گرافن در حال حاضر آماده استفاده گسترده و رایج در صنعت نیز نبوده؛ اما قطعا ویژگی‌ها و خواص آن ثابت شده است.