گرافن - جلسه اول

اهداف جلسه:
·آشنایی با گرافن
·آشنایی با ویژگی های گرافن
·سنتز گرافن به روش مکانیکی

وسایل مورد نیاز:
·دسترسی به اینترنت
·پودر گرافیت
·مداد مشکی
·چسب نواری شفاف
·یک تکه شیشه
·قلمو

مقدمه:
گرافن را «ماده جادویی» قرن 21 می‌نامند. این ماده که گفته می‌شود محکم‌ترین ماده‌ای است که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته، جایگزینی برای سیلیکون است و خواص عجیب آن مانند بیشترین میزان رسانایی الکتریکی در بین مواد شناخته شده، دنیای علم و رسانه‌ها را تکان داده است. گرافن ماده­ای منحصربه فرد با پایه‌ی کربن و دانسیته‌ی اتمی بالاست.

ارزیابی ویژگی های گرافن
ترکیب خاص و خواص بی نظیر گرافن، نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، خصوصیات عالی نوری و سطحی و قابلیت اتصال به گروه های عاملی شیمیایی، آن را مرکز توجه محققان قرار داده است. این حقیقت که شیمیدانان به سختی می­توانند جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده که این ماده دارای کاربردهای فراوانی در نانوالکترونیک، پیل­های خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژی مثل باطری‌‌‌ها و ابرخازن‌ها باشد.
گرافن کاربردهای گسترده ای در نانوالکترونیک، پیل­ های خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژی مثل باطری‌‌‌ها و ابرخازن‌ها دارد؛ شیمی دانها به سختی می ­توانند جایگزینی برای این ماده پیدا کنند.

گرافن ماده‌ای تخت و تک‌لایه متشکل از اتم‌های کربن است که این اتم‌ها در یک شبکه دوبعدی و کند‌و مانند به هم متصل شده‌اند. این ماده دارای ضخامت یک اتم با ویژگی‌های منحصربه‌فرد است، که آن را به عنوان باریک‌ترین ماده جهان نیز می‌شناسند.

امروزه روش ­های متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می­ شود که از متداول­ترین آنها می توان به روش ­های لایه برداری مکانیکی[1]، لایه برداری شیمیایی، سنتز شیمیایی و رسوب بخار شیمیایی(CVD)[2] نام برد. شکافت نانو لوله‌های کربنی و ایجاد نانو نوار­ها که در واقع همان ورقه گرافن بریده شده است، و همچنین ساخت با امواج ماکروویو نیز اخیرا بکار برده شده اند.
به نظر شما علت این همه ویژگی‌های خاص و متمایز و توانایی‌های به ظاهر متناقض و در عین حال بسیار کاربردی گرافن چیست ؟ برای پاسخ بایستی کمی به عقب برگردیم و از جدول تناوبی عناصر شروع کنیم. همانطور که می‌دانید تا کنون 94 عنصر در طبیعت کشف شده است. عنصر کربن که در جدول تناوبی عناصر آن را با حرف C انگلیسی نمایش می‌دهند و در دسته نافلزات قرار می‌گیرد، یکی از همین عناصر طبیعی است و دارای سه ایزوتوپ است؛ یعنی در طبیعت، سه نوع اتم کربن با عدد اتمی (تعداد پرون‌های هسته) یکسان و عدد جرمی متفاوت (مجموع پروتون‌ها و نوترون‌های هسته) وجود دارد که اعداد جرمی آنها 12، 13 و 14 است؛ از این میان کربن 13 و کربن 12 پایدار هستند.
از نظر آرایش الکترونی، هر اتم کربن دارای چهار الکترون آزاد است که قابلیت برقراری چهار پیوند را برای آن مهیا می‌کند. به عبارت دیگر اتم‌های کربن چهار ظرفیتی هستند.
نکته مهم در مورد کربن، دگرشکل‌های (ایزوتروپ) مختلف آن است که بخاطر خواص ویژه‌اش در طبیعت یافت می‌شوند؛ از الماس گرفته که جزو سخت‌ترین مواد دسته بندی می‌شود تا مغز مداد سیاه که آن را با نام گرافیت می‌شناسیم، جزو دگرشکل‌های کربن هستند.
شایان ذکر است که از نظر آرایش الکترونی، هر اتم کربن دارای چهار الکترون آزاد است که قابلیت برقراری چهار پیوند را برای آن مهیا می‌کند در واقع اتم‌های کربن، چهار ظرفیتی هستند.
حال زمان پاسخ به پرسش مطرح شده در قسمت بیاندیشیم فرا رسیده است: "علت اثری که نوک مداد سیاه شما هنگام نوشتن بر کاغذ از خود به جا می‌گذارد چیست ؟" پیش‌تر گفتیم که عنصر سازنده گرافیت، کربن است. هر اتم کربن، سه اتم از میان چهار اتم آزاد خود را توسط پیوند کوالانسی (نافلز-نافلز) به اشتراک می‌گذارد و به این نحو صفحه‌ای از شش ضلعی‌های متصل به هم تشکیل می‌گردد. در میان این صفحات که آنها را صفحات گرافن می‌نامیم و شبیه لانه زنبور هستند، نیروی ضعیف واندوالس حاکم است؛ که باعث می‌شود این صفحات به راحتی روی هم بلغزند؛ همین ویژگی سبب ایجاد ردی از مداد بر کاغذ می‌شود. در اثر فشار دست شما به مداد هنگام نوشتن، صفحات گرافن روی هم لغزیده و از ساختار گرافیتی مغز مداد جدا شده، روی کاغذ می‌نشینند.
                                                                       ساختار لانه زنبوری گرافن تک لایه
به طور خلاصه، گرافن ساختاری دو بعدی و یک شبکه شش ضلعی از اتم‌های کربن است که با پیوند کوالانسی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. نیروی کوالانسی یکی از قوی‌ترین نیروهای بین اتمی موجود در طبیعت است. به همین دلیل، گرافن با وجود نازکی، یکی از سخت‌ترین مواد به حساب می‌آید.  گرافن انواع مختلف یک، دو و چند لایه دارد که هر یک خواص و همچنین کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند. گرافن‌های چند لایه با ضخامتی بسیار بسیار کمتر از فولاد، استحکامی تا 200 مرتبه بیشتر دارند.
چنانچه می‌دانید گرافن یک لایه از چیدمان اتم‌های کربن در یک صفحه یا به عبارتی در دو بعد است، پس ضخامتی برابر با قطر اتم کربن دارد. به سبب همین ضخامت نانومتری و علیرغم تراکم اتمی بالا، نور را به راحتی از خود عبور داده و شفافیت بسیار خوبی دارد.
از دیگر ویژگی‌های به شدت مورد توجه گرافن، خاصیت رسانندگی حرارتی و الکتریکی آن است؛ به همین ذلیل می‌تواند جایگزین مناسبی برای فلز مس در صنعت رساناهای الکتریکی و حرارتی باشد. علت این رسانندگی نیز به پیوند میان اتم‌های کربن در ساختار گرافن برمی‌گردد؛ همانطور که پیشتر به آن اشاره شد از آنجا که هر اتم کربن در این ساختار با سه اتم کربن دیگر پیوند می‌دهد یکی از الکترون‌های آزاد آن باقی می‌ماند و پیوندی برقرار نمی‌کند که اصطلاحا به آن بازوی آزاد اتم کربن گفته می‌شود. علت رسانندگی بالای گرافن که می‌تواند تا 100 برابر بیشتر از سیلیکون باشد، تعدد همین بازوهای آزاد و در واقع مجموعه‌ای از الکترون‌های آزاد موجود است.
روش کار
1. مقداری از پودر گرافیت را روی سطح شیشه بریزید و با قلمو آنرا پخش کنید.
2. یک تکه از چسب را بکنید و روی پودر گرافیت بچسبانید.
3. چسب را بلند کرده و آنرا روی چسب دیگری بچسبانید. به طوری که دو قسمت چسبناک چسب روی هم نباشند.
4. سپس چسب را بلند کنید. با اینکار 15 الی 30 لایه گرافن را جدا کرده اید.
5. این آزمایش را با طرح های ایجاد شده از نوک مداد روی یک سطح پلاستیکی تکرار کنید.
6. ضخامت لایه ها را با هم مقایسه کنید.

 سوالات
 1. گرافیت و گرافن چه فرقی با هم دارد؟
2. ضخامت لایه های به دست آمده را چگونه می توان کاهش داد؟

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت