کاربرد گرافن

1. با پیشرفت تدریجی تولید انبوه و مشکلات اندازه بزرگ، سرعت کاربرد صنعتی گرافن در حال افزایش است. بر اساس نتایج تحقیقات موجود، اولین کاربردهای تجاری ممکن است دستگاه های تلفن همراه، هوافضا و انرژی های جدید باشد. میدان باتری. تحقیقات پایه گرافن برای تحقیقات پایه در فیزیک اهمیت ویژه ای دارد. برخی از اثرات کوانتومی را فعال می کند که فقط به صورت تئوری می توان آنها را قبل از تأیید از طریق آزمایش ها نشان داد.

2. در گرافن دو بعدی، جرم الکترون ها وجود ندارد. این خاصیت گرافن را به یک ماده متراکم نادر تبدیل می‌کند که می‌تواند برای مطالعه مکانیک کوانتومی نسبیتی مورد استفاده قرار گیرد – زیرا ذرات بدون جرم باید با سرعت نور حرکت کنند، بنابراین، باید توسط مکانیک کوانتومی نسبیتی توصیف شود، که فیزیکدانان نظری را با جهت‌گیری تحقیقاتی جدید ارائه می‌دهد: آزمایش‌هایی که در ابتدا باید در شتاب‌دهنده‌های ذرات غول‌پیکر انجام می‌شد را می‌توان با گرافن در آزمایشگاه‌های کوچک انجام داد. نیمه هادی های شکاف انرژی صفر عمدتاً گرافن تک لایه هستند و این ساختار الکترونیکی نقش مولکول های گاز روی سطح آن را به طور جدی تحت تأثیر قرار می دهد. در مقایسه با گرافیت حجیم، عملکرد گرافن تک لایه برای افزایش فعالیت واکنش سطحی توسط نتایج هیدروژناسیون و واکنش های اکسیداسیون گرافن نشان داده شده است، که نشان می دهد ساختار الکترونیکی گرافن می تواند فعالیت سطح را تعدیل کند.

3. علاوه بر این، ساختار الکترونیکی گرافن را می‌توان با القای جذب مولکول گاز تغییر داد، که نه تنها غلظت حامل‌ها را تغییر می‌دهد، بلکه می‌تواند با گرافن‌های مختلف نیز دوپ شود. گرافن حسگر را می توان به یک حسگر شیمیایی تبدیل کرد. این فرآیند عمدتاً با عملکرد جذب سطحی گرافن تکمیل می شود. بر اساس تحقیقات برخی محققان، حساسیت آشکارسازهای شیمیایی گرافن را می توان با حد تشخیص تک مولکولی مقایسه کرد. ساختار دو بعدی منحصر به فرد گرافن آن را نسبت به محیط اطراف بسیار حساس می کند. گرافن یک ماده ایده آل برای حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی است. حسگرهای ساخته شده از گرافن حساسیت خوبی برای تشخیص دوپامین و گلوکز در پزشکی دارند. از گرافن ترانزیستوری می توان برای ساخت ترانزیستور استفاده کرد. با توجه به پایداری بالای ساختار گرافن، این نوع ترانزیستور همچنان می تواند در مقیاس یک اتم به طور پایدار کار کند.

4. در مقابل، ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون فعلی پایداری خود را در مقیاس حدود 10 نانومتر از دست خواهند داد. سرعت واکنش فوق العاده سریع الکترون های گرافن به میدان خارجی باعث می شود ترانزیستورهای ساخته شده از آن بتوانند به فرکانس کاری بسیار بالایی برسند. به عنوان مثال، IBM در فوریه 2010 اعلام کرد که فرکانس کاری ترانزیستورهای گرافن را به 100 گیگاهرتز افزایش می دهد که از ترانزیستورهای سیلیکونی با همان اندازه بیشتر است. صفحه نمایش انعطاف پذیر صفحه نمایش خم شونده توجه زیادی را در نمایشگاه لوازم الکترونیکی مصرفی به خود جلب کرد و در آینده به روند توسعه صفحه نمایش انعطاف پذیر برای نمایشگرهای دستگاه های تلفن همراه تبدیل شده است.

5. بازار آینده نمایشگرهای انعطاف پذیر گسترده است و چشم انداز گرافن به عنوان یک ماده اولیه نیز امیدوارکننده است. محققان کره جنوبی برای اولین بار یک صفحه نمایش شفاف انعطاف پذیر متشکل از چندین لایه گرافن و یک بستر ورق پلی استر فیبر شیشه ای تولید کردند. محققان سامسونگ کره جنوبی و دانشگاه Sungkyunkwan قطعه ای از گرافن خالص را به اندازه یک تلویزیون بر روی تخته پلی استر الیاف شیشه شفاف انعطاف پذیر با عرض 63 سانتی متر ساخته اند. آنها گفتند که این تا حد زیادی بزرگترین بلوک گرافن "فله" است. پس از آن، آنها از بلوک گرافن برای ایجاد یک صفحه نمایش لمسی انعطاف پذیر استفاده کردند.

6. محققان گفتند که در تئوری، افراد می توانند گوشی های هوشمند خود را جمع کرده و مانند یک مداد پشت گوش سنجاق کنند. باتری های انرژی جدید باتری های انرژی نو نیز یکی از حوزه های مهم اولین استفاده تجاری گرافن هستند. موسسه فناوری ماساچوست در ایالات متحده با موفقیت پانل های فتوولتائیک انعطاف پذیر با پوشش های نانو گرافن بر روی سطح را توسعه داده است که می تواند هزینه های ساخت سلول های خورشیدی شفاف و تغییر شکل پذیر را تا حد زیادی کاهش دهد. چنین باتری هایی را می توان در عینک دید در شب، دوربین ها و سایر دوربین های دیجیتال کوچک استفاده کرد. کاربرد در دستگاه علاوه بر این، تحقیق و توسعه موفقیت‌آمیز ابر باتری‌های گرافن، مشکلات ظرفیت ناکافی و زمان شارژ طولانی باتری‌های خودروهای انرژی جدید را نیز حل کرده است و توسعه صنعت باتری‌های انرژی جدید را تا حد زیادی سرعت می‌بخشد.

7. این مجموعه از نتایج تحقیقات راه را برای کاربرد گرافن در صنعت باتری های انرژی جدید هموار کرد. فیلترهای گرافنی نمک زدایی بیشتر از سایر فناوری های نمک زدایی مورد استفاده قرار می گیرند. پس از اینکه فیلم اکسید گرافن در محیط آب در تماس نزدیک با آب قرار گرفت، کانالی با عرض حدود 0.9 نانومتر ایجاد می شود و یون ها یا مولکول های کوچکتر از این اندازه می توانند به سرعت از آن عبور کنند. اندازه کانال های مویرگی در فیلم گرافن با ابزارهای مکانیکی فشرده تر می شود و اندازه منافذ کنترل می شود که می تواند نمک موجود در آب دریا را به طور موثر فیلتر کند. گرافن مواد ذخیره‌سازی هیدروژن دارای مزایای وزن سبک، پایداری شیمیایی بالا و سطح ویژه بالا است که آن را به بهترین نامزد برای مواد ذخیره‌سازی هیدروژن تبدیل می‌کند. با توجه به ویژگی های رسانایی بالا، استحکام بالا، فوق العاده سبک و نازک در هوافضا، مزایای کاربرد گرافن در صنایع هوافضا و نظامی نیز بسیار برجسته است.

8. در سال 2014، ناسا در ایالات متحده یک حسگر گرافن مورد استفاده در زمینه هوافضا را توسعه داد که می تواند عناصر کمیاب را در جو در ارتفاعات زمین و نقص های ساختاری در فضاپیماها شناسایی کند. گرافن همچنین نقش مهم تری در کاربردهای بالقوه ای مانند مواد هواپیماهای فوق سبک خواهد داشت. عنصر حساس به نور نوع جدیدی از عنصر حساس به نور است که از گرافن به عنوان ماده عنصر حساس به نور استفاده می کند. از طریق یک ساختار خاص، انتظار می رود که توانایی حساسیت به نور را در مقایسه با CMOS یا CCD موجود هزاران برابر افزایش دهد و مصرف انرژی تنها 10٪ از اصلی است. می توان از آن در زمینه مانیتور و تصویربرداری ماهواره ای استفاده کرد و در دوربین ها، تلفن های هوشمند و غیره استفاده کرد. آنها عملکرد بسیار خوبی در زمینه های ذخیره انرژی، دستگاه های کریستال مایع، دستگاه های الکترونیکی، مواد بیولوژیکی، مواد حسگر و حامل های کاتالیزور از خود نشان داده اند و دارای طیف گسترده ای از چشم انداز کاربردی هستند.

9. در حال حاضر، تحقیقات کامپوزیت های گرافن عمدتاً بر روی کامپوزیت های پلیمری گرافن و نانوکامپوزیت های معدنی مبتنی بر گرافن متمرکز است. با عمیق‌تر شدن تحقیقات گرافن، استفاده از تقویت‌کننده‌های گرافن در کامپوزیت‌های فله‌ای مبتنی بر فلزات توجه مردم را بیشتر و بیشتر می‌کند. کامپوزیت های پلیمری چند منظوره و مواد سرامیکی متخلخل با استحکام بالا ساخته شده از گرافن، بسیاری از خواص ویژه مواد کامپوزیت را افزایش می دهند. بیوگرافن برای تسریع تمایز استخوانی سلول‌های بنیادی مزانشیمی مغز استخوان انسان و همچنین برای ساخت حسگرهای زیستی گرافن اپیتاکسیال بر روی کاربید سیلیکون استفاده می‌شود. در عین حال، گرافن می تواند به عنوان یک الکترود رابط عصبی بدون تغییر یا از بین بردن خواصی مانند قدرت سیگنال یا تشکیل بافت اسکار استفاده شود. به دلیل انعطاف پذیری، زیست سازگاری و رسانایی، الکترودهای گرافن در داخل بدن بسیار پایدارتر از الکترودهای تنگستن یا سیلیکون هستند. اکسید گرافن در مهار رشد باکتری E.coli بدون آسیب رساندن به سلول های انسانی بسیار موثر است.