ماذا تعرف عن المواد النانوية ثنائية الأبعاد 

م. د. عمر مهيدي داود حبيب- قسم الفيزياء

esp.omarm.dawood@uoanbar.edu.iq

الصفحة الرسمية الالكترونية للكاتب

يمكن تعريف المواد النانوية على أنها مواد تمتلك ، على الأقل ، بُعدًا خارجيًا واحدًا بمقياس يتراوح ما بين 1 الى 100 نانومتر. هناك تطبيقات واسعة لاستخدام المواد النانوية تمتد عبر مختلف الصناعات، الرعاية الصحية ومستحضرات التجميل إلى الحفاظ على البيئة وتنقية الهواء. وفقًا لذلك ، اذا تم قياس جميع الأبعاد للمادة داخل المقياس النانوي، فتصنف هذه المادة على انها مواد نانوية ذات الابعاد الصفرية (D0). الجزيئات نانوية هي اكثر المواد شيوعا للمواد D0 و الفوليرين وهو شكل من الكربون له جزيء كروي كبير يتكون من قفص أجوف من الذرات ، كان باكمينستر فوليرين أول مثال معروف.

اذا كانت أحد ابعاد المادة خارج المقياس النانوي فتصنف هذه المواد النانوية على انها مواد أحادية البعد (D1)، الأنابيب النانوية الكربونية (CNT) والأسلاك النانوية مثال شائع على هذه الفئة. الأنابيب النانوية الكربونية (CNT) وهي عبارة عن أنبوب مصنوع من الكربون بأقطار تُقاس عادةً بالنانومتر.

اذا وجد للمادة بعدين خارج المقياس النانوي وبُعد واحد فقط بسماكة واحدة أو طبقات ذرية قليلة، فتصنف هذه المواد النانوية على انها مواد نانوية ثنائية الأبعاد (D2). تضم هذه الفئة اشكالا متعددة من اشهرها الجرافين، الفوسفور، ثاني كبريتيد التنغستن، ثاني كبريتيد الموليبدينوم واشكالا اخرى.

اخر تصنيف هي المواد النانوية ثلاثية الأبعاد (D3). هي مواد لا تقتصر على المقياس النانوي في أي بعد. تحتوي هذه الفئة على مساحيق سائبة ، وتشتت الجسيمات النانوية ، وحزم من الأسلاك النانوية ، والأنابيب النانوية بالإضافة إلى طبقات النانو المتعددة.

 لكل صنف من المواد النانوية في اعلاه تطبيقات مهمة في مجالات الحياة المختلفة, لكن ما يهمنا هو دراسة المواد النانوية ثنائية الابعاد (D2). وسوف نركز على مادة الجرافين.

يجب ان نذكر شيء مهم  ان الجرافين هو لبنة البناء الأساسية للمواد الجرافيتية الأخرى المذكورة في اعلاه اي يمعنى: إذا كانت صفائح الجرافين مرتبطة فوق بعضها البعض ، فيمكننا صنع مواد ثلاثية الأبعاد مثل الجرافيت ؛ إذا تم لف ورقة من الجرافين ، فيمكننا صنع أنبوب نانوي كربوني ، مادة 1D ؛ إذا تم قطع ورقة من الجرافين وطيها في شكل كروي ، فيمكننا صنع مادة الفوليرين ، مادة 0D.

أول مادة معروفة ثنائية الأبعاد هي الجرافين الذي يتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة سداسية الشكل. للمقارنة مع مادة 0D (فوليرين) ومادة 1D (أنابيب الكربون النانوية) ، فقد نمت الأبحاث المتعلقة بالمواد ثنائية الأبعاد (الجرافين) بسرعة على خواص الكربون الأخرى. استنادًا إلى قاعدة بيانات Scopus (البحث بالكلمة الرئيسية "الجرافين" في 18 مارس 2019) ، زادت المنشورات على الجرافين من 3772 ورقة في 2010 إلى 21،439 ورقة في 2018. ويبلغ العدد الإجمالي للمنشورات المتعلقة بالجرافين 132،628 وثيقة. ومع ذلك ، فإنه ليس فقط الجرافين ثنائي الأبعاد الذي تم تطبيقه على نطاق واسع في مجموعة كبيرة ومتنوعة من التطبيقات المحتملة ولكن أيضًا مواد ثنائية الأبعاد أخرى مثل ثاني كبريتيد التنجستن وثاني كبريتيد الموليبدينوم ونتريد السيليكون تفتح فرصًا جديدة للأجهزة المستقبلية.

يتم تصنيع الجرافين بعدة طرق. سوف نتطرق الى بعضها بشكل مختصر

(1)- اول طريقة هي طريقة التقشير الميكانيكي حيث استخدمها العالمين نوفوسيلوف وجيم التقشير الميكانيكي في عام 2004 من جامعة مانشستير في المملكة المتحدة، للحصول على اول مادة ثنائية الابعاد وهي الجرافين. منذ ذلك الحين يتم استخدامه هذه الطريقة بشكل كبير في تصنيع المواد ثنائية الأبعاد نظرًا لمرونته وتكلفته المنخفضة. التقشير الميكانيكي هو عملية بسيطة لتركيب المواد تنتج طبقة إلى عدة طبقات من الرقائق البلورية ثنائية الأبعاد مع الحفاظ على التركيب البلوري وخصائصه. يُستخدم الشريط اللاصق السهل لتقشير طبقة سميكة من مادة الجرافيت، بحيث يتم ترسيب تلك الطبقات المقشرة على الركيزة لتم بعد ذلك دراستها والنظر في تطبيقتها المحتملة. يعد التقشير الميكانيكي طريقة منخفضة التكلفة لإنتاج مواد ثنائية الأبعاد ، وهو مثالي للتحليل الأساسي. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية غير قابلة للتطوير بشكل جيد للرقائق ثنائية الأبعاد

(2)- طريقة التقشير الكيميائي بطريقة هامرز المعدلة وهي إحدى الطرق الشائعة لنمو أكسيد الجرافين بالاعتماد على عوامل مؤكسدة مناسبة من أكسيد الجرافيت. تقدم هذه الطريقة كمية كبيرة من منتجات الجرافين وهي منخفضة التكلفة.

(3)- تعتمد طريقة التقشير الكهروكيميائي على تكوين منتج الجرافين من قضيب الجرافيت أو الجرافيت عالي التحلل الحراري (HOPG) باستخدام الكهرباء لتقشير قضيب الجرافيت أو HOPG المغمور في محاليل الإلكتروليت.

(4)- طريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) توفر منتجات جرافين عالية الجودة مع طبقات جرافين يمكن التحكم فيها على مساحة واسعة النطاق [3 ، 4]. عادة ، تم استخدام الميثان (CH4) والأسيتيلين (C2H2) كمصدر للكربون لنمو الجرافين على رغوة النحاس (Cu) أو النيكل (Ni) تحت درجة حرارة عالية.

 خصائص الجرافين

الجرافين مادة ذات خصائص مثيرة للاهتمام. هذه الخصائص ، جنبًا إلى جنب مع وفرة الكربون في الطبيعة ، جعلت من الجرافين مادة مدروسة للغاية ذات إمكانيات كبيرة.

أبرز خصائص الجرافين هي:

1- الموصلية الحرارية العالية

2- الموصلية الكهربائية العالية

3- مرونة وليونه عالية

4- صلابة عالية

5- مقاومة عالية. الجرافين أقوى بحوالي 200 مرة من الفولاذ ، وهو مشابه لمقاومة الماس ، ولكنه أخف بكثير.

6- لا يتأثر الإشعاع المؤين

7- قادرة على توليد الكهرباء عن طريق التعرض لأشعة الشمس

8- مادة شفافة

9- كثافة عالية لا تسمح بمرور ذرات الهيليوم ، لكنها تسمح بمرور الماء ، الذي يتبخر بنفس السرعة كما لو كان في وعاء مفتوح.

10- تأثير مضاد للجراثيم. البكتيريا غير قادرة على النمو فيه.

11- تأثير جول منخفض ، تسخين عند إجراء الإلكترونات.

12- استهلاك منخفض للكهرباء مقارنة بالمركبات الأخرى.

تطبيقات الجرافين

على الرغم من اكتشافه حديثًا نسبيًا ، فقد تم اختبار الجرافين على نطاق واسع في تصنيع العديد من الأجهزة المختلفة ، بعضها في المراحل الأولى من التطوير ، والبعض الآخر موجود بالفعل في السوق. نظرًا للشفافية العالية والموصلية الكهربائية العالية ، فإن الجرافين جذاب للغاية كموصل شفاف ، والذي يمكن أن يكون بديلاً أقل ضررًا بالبيئة لأكسيد القصدير الإنديوم (ITO). نظرًا لمرونته ، يمكن أيضًا استخدام الجرافين في شاشات العرض المرنة. كما يتم الاستفادة من الخصائص الكهربائية للجرافين في إنشاء ترانزستورات التأثير الميداني (FET) ، وأجهزة الكشف الضوئية ، والخلايا الكهروضوئية ، والأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS) ، والمكثفات الفائقة المرنة وبطاريات الليثيوم أيون المرنة. بالإضافة إلى خواصه الكهربائية ، فإن خواصه الكيميائية والحرارية تجعله يستخدم في مجسات الإجهاد ، وأجهزة استشعار الغاز ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة ، وأجهزة الاستشعار الحيوية وأجهزة استشعار التدفق. بدأت شركة Huawei المصنعة للهواتف الذكية في استخدام الجرافين في بعض الهواتف الذكية كجهاز تبريد للدوائر المتكاملة. كما تم الاستفادة من الخصائص الميكانيكية للجرافين في صنع مركبات الجرافين القائمة على البوليمر وألياف الجرافين. كما يتم دمجه في المطاط لتحسين الخواص الميكانيكية.