metallurgydata متالورژی دیتا

ساخت اولین ابررسانا از جنس گرافن مشکل زیست محیطی زمین را کاهش میدهد

گرافن بسیار مقاوم بوده و در حدود ۲۰۰ برابر در وزنی مشابه، مقاومت بیشتری از استیل دارد. به علاوه این ماده، هادی بسیار خوب جریان الکتریسیته است و محققان در سرتاسر دنیا در تلاش هستند تا این ماده را در مدارهای پیشرفته و سایر لوازم الکترونیکی بکار بگیرند.
با اینکه گرافن دارای ویژگی‌های فراوان الکترونیکی است، اما ابررسانایی یکی از این خصوصیات، تا به امروز نبوده است. ابررساناها می‌توانند جریان الکتریسیته را بدون هیچ مفاومتی عبور داده و خطوط برق با بازده بسیار بالایی را تشکیل دهند. (شرکت‌های نیروگاهی بیش از ۷ درصد انرژی تولیدی خود را در سیم‌های انتقال از دست می‌دهند.)


سنتز گرافن به روش لایه‌برداری الکتروشیمیایی برای ساخت جوهر هادی

در این تحقیق یک جوهر گرافنی از گرافن‌های ساخته شده با روش لایه‌برداری الکتروشیمیایی ساخته و خواص آن بررسی شد.
روش لایه‌برداری الکتروشیمیایی یکی از جدیدترین روش‌ها برای ساخت گرافن است که قابلیت ساخت گرافن در مقیاس زیاد و با محتوی اکسید کم را دارد. گرافن حاصل با غلظت مناسب در حلال دی متیل فرمامید برای ساخت جوهر پخش می‌شود. جوهر حاصل بعد از لایه‌نشانی و عملیات حرارتی (به مدت 10دقیقه در دمای Cº 250) از هدایت الکتریکی بالایی (cm .Ω 30±10) برخوردار است.
جوهرهای هادی در سلول‌های خورشیدی به منظورهای مختلفی می‌توانند استفاده شوند. این جوهرها به طور معمول می‌توانند برای ساخت خطوط هادی اتصال استفاده شوند که نقش جمع کننده و انتقال دهنده الکترون به مدار خارجی و اتصال پشتی را بر عهده دارند. به طور مثال می‌توان به خطوط انتقال دهنده فلزی در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی و برای اتصال (الکترود) پشتی در سلول‌های خورشیدی کادمیم تلوراید اشاره کرد.
در سال‌های اخیر جوهرهایی برای ساخت لایه هادی شفاف مورد کاربرد در سلول‌های خورشیدی نیز استفاده شده است. جوهرهایی بر پایه نانو سیم‌های نقره و گرافن از مهمترین نوع این جوهرها هستند.
گرافن به علت داشتن خواص فوق‌العاده در هدایت الکتریکی و هدایت گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، خواص اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصر بفرد تبدیل شده است.
آلوتروپ جدید کربن به واسطه این خواص فوق‌العاده کاندیدی بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکون در نسل بعدی قطعه‌های فتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. این ماده با هدایت الکتریکی بالا، خاصیت انعطاف پذیری و پایداری مکانیکی و گرمایی به عنوان یک الکترود جدید به ویژه در ابزار الکترونیکی آلی در نظر گرفته می‌شود.
فرایند نفوذ یون‌ها به داخل گرافیت با روش الکتروشیمی از سال 1980 شناخته شده است، گفت: بعد از گسترش شکست میکرومکانیکی گرافیت در سال 2004، روش‌های الکتروشیمی برای ورقه کردن گرافیت دوباره استفاده و برای تولید گرافن مورد علاقه واقع شدند.
شکست الکتروشیمی گرافیت شامل اعمال یک پتانسیل کاتدی یا آندی و یا جریان در یک الکترولیت آبی یا آلی به یک الکترود کار گرافیتی است. هنگامی که یک پتانسیل مثبت به الکترود کار گرافیتی اعمال می‌شود، سبب اکسیداسیون خود گرافیت، آب و یون‌های موجود در الکترولیت می‌شود. سپس یون‌های با بار منفی از محلول به داخل صفحات گرافیت نفوذ کرده و منجر به باز شدن فاصله صفحات می‌شود. در مرحله پایانی محصول گرافیت ورقه شده در معرض امواج اولتراسوند با انرژی کم قرار می‌گیرد و به گرافن تبدیل می‌شود.
در روش ساخت گرافن با روش الکتروشیمی پارامترهای مختلفی بر ساخت گرافن نهایی تاثیرگذار است.
مهمترین این پارامترها شامل نوع گرافیت مورد کاربرد، نوع الکترولیت و غلظت آن، مقدار پتانسیل اعمالی و زمان اعمال پتانسیل و فاصله بین الکترودها است. انواع مختلف گرافیت از قبیل پودر گرافیت، گرافیت HOPG، فویل گرافیت و حتی مغز مداد می‌تواند استفاده شود.
هر چه کیفیت الکترود استفاده شده به عنوان الکترود کار بهتر باشد، منجر به ساخت گرافن بهتری (از نظر پهنای لایه گرافنی و درصد تولید) می‌شود.
پتانسیل اعمالی و نوع الکترولیت بر سرعت فرایند و میزان محتوی اکسید گرافن نهایی تاثیرگذار هستند و باید به دقت کنترل شوند. بهتر است فرایند در پتانسیل کمتری انجام شود تا محتوی اکسید محصول با زمان افزایش نیابد.


کاهش وزن بال و بدنه هواپیما با گرافن عامل‌دار

شرکت هایدال کامپوزیت سلوشن (Haydale Composite solotion) از شرکت‌های تابعه هایدال، اخیرا وارد یک پروژه تحقیقاتی مشترک شده که قرار است به مدت 18 ماه اجرا شود. این پروژه با حمایت و مدیریت برنامه بهره‌برداری فناوری ملی هوافضا (NATEP) قرار است اجرا شود.
کامپوزیت‌های الیاف کربنی به وفور در بخش هوایی نظیر بدنه هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجایی که الیاف کربنی برای تقویت کامپوزیت‌های اپوکسی مورد استفاده قرار می‌گیرد و این کامپوزیت‌ها هدایت الکتریکی کمی دارند، بنابراین در اثر برخورد نور با آنها، دچار زوال ساختاری می‌شوند. برای رفع این مشکل، شرکت‌های تولیدکننده هواپیما اقدام به افزودن مس به این کامپوزیت‌ها کرده که این امر موجب افزایش وزن و هزینه کار می‌شود.
هدایت الکتریکی گرافن می‌تواند موجب بهبود این کامپوزیت‌ها شود.
هدف از این پروژه، توسعه رزین‌های اپوکسی رسانا است که در آنها از گرافن عامل‌دار استفاده شده‌ است. با افزودن الیاف کربنی به این کامپوزیت‌های تقویت شده با گرافن، کامپوزیتی ایجاد می‌شود که هم سبک و هم رسانا است. توسعه چنین کامپوزیت‌هایی منجر به ساخت هواپیماهای سبک‌تر و ارزان‌تر می‌شود که در آن از فلز کمتری استفاده شده‌ است بنابراین، امکان تداخل میان این فلزات با دیگر اجزاء هواپیما به حداقل می‌رسد.
این پروژه برای دو مصرف کننده مختلف انجام می‌شود شرکت ایرباس انگلستان و بی‌ای‌ای سیستم (BAE System). چند شرکت مختلف انگلیسی نیز در انجام این پروژه همکاری دارند. NATEP حمایت مالی 150 هزار پوندی برای این پروژه در نظر گرفته است.
گری بویس از مدیران شرکت اچ سی اس (HCS) که در این پروژه مشارکت داشته و حمایت مالی 100 هزار پوندی از این پروژه دارد، می‌گوید: « توانایی توسعه رزین‌های اپوکسی با استفاده از گرافن عامل‌دار شده می‌تواند فرصت تازه‌ای برای ما ایجاد کند. ما خوشحالیم که با استفاده از این ماده می‌توان رزین‌های اپوکسی تولید کرد که عاری از فلز هستند فلزاتی که موجب بروز تداخل در عملکرد کامپوزیت می‌شود.
هایدال یکی از شرکت‌های تولید کننده گرافن در جهان است. شرکت هایدال کامپوزیت به دنبال استفاده از این ماده در تولید کامپوزیت‌هایی با ویژگی‌های منحصر به فرد است.

کوچک سازی لوازم الکترونیکی دیجیتال در طول نیم قرن گذشته روند تصاعدی مشابهی را داشته، اندازه گیت های ترانزیستور از حدود 1000 نانومتر در سال 1970، امروزه به 23 نانومتر کاهش یافته است. ظهور ترانزیستورهای ساخته شده از گرافن، نوید تغییرات بزرگی را می دهد، انتظار می رود که تا سال 2025، اندازه گیت های ترانزیستور کاهش بیشتری داشته باشد و تا حدود 7 نانومتر برسد. برای مقایسه، اندازه یک گلبول قرمز خون انسان در حدود 6200 تا 8200 نانومتر است.