تطبيق الجرافين

1. مع الاختراق التدريجي للإنتاج الضخم ومشاكل الحجم الكبير، تتسارع وتيرة التطبيق الصناعي للجرافين. واستنادًا إلى نتائج الأبحاث الحالية، قد تكون التطبيقات التجارية الأولى هي الأجهزة المحمولة والفضاء والطاقة الجديدة. مجال البطارية. البحث الأساسي للجرافين أهمية خاصة للبحث الأساسي في الفيزياء. فهو يتيح بعض التأثيرات الكمومية التي لا يمكن إثباتها إلا من الناحية النظرية قبل أن يتم التحقق منها من خلال التجارب.

2. في الجرافين ثنائي الأبعاد، تبدو كتلة الإلكترونات غير موجودة. هذه الخاصية تجعل من الجرافين مادة مكثفة نادرة يمكن استخدامها لدراسة ميكانيكا الكم النسبية، لأن الجسيمات عديمة الكتلة يجب أن تتحرك بسرعة الضوء، لذلك، يجب وصفها بواسطة ميكانيكا الكم النسبية، مما يوفر للفيزيائيين النظريين اتجاهًا بحثيًا جديدًا: بعض التجارب التي كان من الضروري إجراؤها في الأصل في مسرعات الجسيمات العملاقة، يمكن إجراؤها باستخدام الجرافين في مختبرات صغيرة. أشباه الموصلات ذات فجوة الطاقة الصفرية هي في الأساس طبقة واحدة من الجرافين، وهذا الهيكل الإلكتروني سيؤثر بشكل خطير على دور جزيئات الغاز على سطحه. بالمقارنة مع الجرافيت السائب، تظهر وظيفة الجرافين أحادي الطبقة لتعزيز نشاط التفاعل السطحي من خلال نتائج تفاعلات هدرجة الجرافين والأكسدة، مما يشير إلى أن التركيب الإلكتروني للجرافين يمكنه تعديل نشاط السطح.

3. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تغيير البنية الإلكترونية للجرافين بشكل مماثل عن طريق تحريض امتزاز جزيء الغاز، والذي لا يغير تركيز الناقلات فحسب، بل يمكن أيضًا تطعيمه بجرافينات مختلفة. يمكن تحويل مستشعر الجرافين إلى مستشعر كيميائي. تكتمل هذه العملية بشكل أساسي من خلال أداء الامتزاز السطحي للجرافين. وفقًا لأبحاث بعض العلماء، يمكن مقارنة حساسية كاشفات الجرافين الكيميائية بحد اكتشاف جزيء واحد. إن البنية الفريدة ثنائية الأبعاد للجرافين تجعله حساسًا جدًا للبيئة المحيطة. يعتبر الجرافين مادة مثالية لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية. تتمتع أجهزة الاستشعار المصنوعة من الجرافين بحساسية جيدة للكشف عن الدوبامين والجلوكوز في الطب. يمكن استخدام ترانزستور الجرافين لصنع الترانزستورات. ونظرًا للاستقرار العالي لبنية الجرافين، فإن هذا النوع من الترانزستور لا يزال بإمكانه العمل بثبات على مقياس ذرة واحدة.

4. في المقابل، ستفقد الترانزستورات الحالية القائمة على السيليكون استقرارها على مقياس حوالي 10 نانومتر؛ إن سرعة رد الفعل الفائقة السرعة للإلكترونات الموجودة في الجرافين للمجال الخارجي تجعل الترانزستورات المصنوعة منه يمكن أن تصل إلى تردد تشغيل عالي جدًا. على سبيل المثال، أعلنت شركة آي بي إم في فبراير 2010 أنها ستزيد تردد تشغيل ترانزستورات الجرافين إلى 100 جيجا هرتز، وهو ما يتجاوز تردد تشغيل ترانزستورات السيليكون من نفس الحجم. شاشة مرنة جذبت الشاشة القابلة للانحناء الكثير من الاهتمام في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية، وأصبحت اتجاهًا لتطوير شاشات العرض المرنة لشاشات الأجهزة المحمولة في المستقبل.

5. إن السوق المستقبلية لشاشات العرض المرنة واسعة النطاق، كما أن احتمال استخدام الجرافين كمادة أساسية واعد أيضًا. أنتج باحثون كوريون جنوبيون لأول مرة شاشة عرض مرنة وشفافة تتكون من طبقات متعددة من الجرافين وطبقة من ألياف البوليستر الزجاجية. قام باحثون من سامسونج وجامعة سونجكيونكوان في كوريا الجنوبية بتصنيع قطعة من الجرافين النقي بحجم جهاز تلفزيون على لوح بوليستر من الألياف الزجاجية الشفافة المرنة بعرض 63 سم. قالوا إن هذه هي أكبر كتلة جرافين "سائبة" على الإطلاق. وبعد ذلك، استخدموا كتلة الجرافين لإنشاء شاشة لمس مرنة.

6. قال الباحثون إنه من الناحية النظرية، يمكن للناس أن يطويوا هواتفهم الذكية ويثبتوها خلف آذانهم مثل قلم الرصاص. بطاريات الطاقة الجديدة تعد بطاريات الطاقة الجديدة أيضًا مجالًا مهمًا للاستخدام التجاري المبكر للجرافين. نجح معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة في تطوير ألواح كهروضوئية مرنة مع طلاءات نانوية من الجرافين على السطح، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكلفة تصنيع الخلايا الشمسية الشفافة والقابلة للتشوه. يمكن استخدام هذه البطاريات في نظارات الرؤية الليلية والكاميرات وغيرها من الكاميرات الرقمية الصغيرة. التطبيق في الجهاز . بالإضافة إلى ذلك، أدى البحث والتطوير الناجح لبطاريات الجرافين الفائقة أيضًا إلى حل مشكلات عدم كفاية السعة ووقت الشحن الطويل لبطاريات مركبات الطاقة الجديدة، مما أدى إلى تسريع تطوير صناعة بطاريات الطاقة الجديدة بشكل كبير.

7. مهدت هذه السلسلة من نتائج الأبحاث الطريق لتطبيق الجرافين في صناعة بطاريات الطاقة الجديدة. يتم استخدام مرشحات الجرافين لتحلية المياه أكثر من تقنيات تحلية المياه الأخرى. بعد أن يكون فيلم أكسيد الجرافين في البيئة المائية على اتصال وثيق مع الماء، يمكن تشكيل قناة بعرض حوالي 0.9 نانومتر، ويمكن للأيونات أو الجزيئات الأصغر من هذا الحجم أن تمر بسرعة. يتم ضغط حجم القنوات الشعرية في طبقة الجرافين بشكل أكبر بالوسائل الميكانيكية، ويتم التحكم في حجم المسام، مما يمكنه تصفية الملح في مياه البحر بكفاءة. تتميز مادة الجرافين لتخزين الهيدروجين بمزايا الوزن الخفيف والاستقرار الكيميائي العالي ومساحة السطح المحددة العالية، مما يجعلها أفضل مرشح لمواد تخزين الهيدروجين. نظرًا لخصائص الموصلية العالية والقوة العالية والخفيفة جدًا والرفيعة في الفضاء الجوي، فإن مزايا تطبيق الجرافين في صناعة الطيران والصناعة العسكرية بارزة للغاية أيضًا.

8. في عام 2014، طورت وكالة ناسا في الولايات المتحدة مستشعر الجرافين المستخدم في مجال الفضاء الجوي، والذي يمكنه اكتشاف العناصر النزرة في الغلاف الجوي المرتفع للأرض والعيوب الهيكلية في المركبات الفضائية. سوف يلعب الجرافين أيضًا دورًا أكثر أهمية في التطبيقات المحتملة مثل مواد الطائرات الخفيفة. العنصر الحساس هو نوع جديد من العناصر الحساسة للضوء يستخدم الجرافين كمادة للعنصر الحساس. من خلال هيكل خاص، من المتوقع زيادة القدرة الحساسة للضوء بآلاف المرات مقارنة بـ CMOS أو CCD الموجودين، واستهلاك الطاقة هو 10% فقط من الأصل. يمكن استخدامه في مجال الشاشات والتصوير عبر الأقمار الصناعية، ويمكن استخدامه في الكاميرات والهواتف الذكية وما إلى ذلك. المواد المركبة تعتبر المواد المركبة القائمة على الجرافين اتجاهًا بحثيًا مهمًا في مجال تطبيقات الجرافين. لقد أظهروا أداءً ممتازًا في مجالات تخزين الطاقة، وأجهزة الكريستال السائل، والأجهزة الإلكترونية، والمواد البيولوجية، ومواد الاستشعار، وحاملات المحفزات، ولديهم مجموعة واسعة من آفاق التطبيق.

9. في الوقت الحاضر، تركز أبحاث مركبات الجرافين بشكل أساسي على مركبات بوليمر الجرافين والمركبات النانوية غير العضوية القائمة على الجرافين. مع تعميق أبحاث الجرافين، أصبح تطبيق تعزيزات الجرافين في المركبات ذات الأساس المعدني السائبة يولي الناس المزيد والمزيد من الاهتمام. تعمل مركبات البوليمر متعددة الوظائف والمواد الخزفية المسامية عالية القوة المصنوعة من الجرافين على تعزيز العديد من الخصائص الخاصة للمواد المركبة. يستخدم Biographene لتسريع التمايز العظمي للخلايا الجذعية الوسيطة لنخاع العظم البشري، ويستخدم أيضًا في صنع أجهزة استشعار حيوية للجرافين الفوقي على كربيد السيليكون. وفي الوقت نفسه، يمكن استخدام الجرافين كقطب كهربائي لواجهة العصب دون تغيير أو تدمير الخصائص مثل قوة الإشارة أو تكوين أنسجة ندبية. نظرًا لمرونتها وتوافقها الحيوي وموصليتها، فإن أقطاب الجرافين أكثر استقرارًا في الجسم الحي من أقطاب التنغستن أو السيليكون. يعتبر أكسيد الجرافين فعالًا جدًا في تثبيط نمو الإشريكية القولونية دون الإضرار بالخلايا البشرية.