پزشکان گیل

ماهنامه‌ جامعه‌ پزشکی استان گیلان

نوبل فیزیک ۲۰۱۰/ گرافن، تور اتمی بی‌نقص/ ترجمه: دکتر عباس رحیمی

بدست • ۲۲ آبان ۱۳۹۱ • دسته: ویژه‌ نوبل 2010

پشت جایزه‌ی نوبل فیزیک امسال ورق نازکی از کربن معمولی با ضخامت فقط یک اتم نهفته است. آندره گیم و کنستانتین نووسلوف نشان دادند که کربن در چنین شکل مسطحی خواصی استثنایی دارد که از فیزیک کوانتوم منشا می‌گیرد.
گرافن شکلی از کربن است. به‌عنوان یک ماده کاملاً جدید است؛ نه‌تنها نازک‌ترین، بلکه مستحکم‌ترین. به‌عنوان انتقال‌دهنده‌ی الکتریسیته همانند مس عمل می‌کند. به‌عنوان انتقال‌دهنده‌ی گرما همه‌ی مواد شناخته‌شده را پشت‌سر می‌گذارد. تقریباً به‌طور کامل شفاف است. و آن‌چنان متراکم است که حتی هلیم (کوچک‌ترین اتم گازی) نیز نمی‌تواند از آن عبور کند.

تصویر ۱٫ تور تقریباً بی‌نقص که تنها یک اتم ضخامت دارد، شامل اتم‌های کربن به‌هم‌پیوسته با طرح شش‌وجهی شبیه تور سیمی.

مقاله‌ی گرافن که در مجله‌ی Science در اکتبر ۲۰۰۴ به چاپ رسید، جنب‌وجوش زیادی در دنیا برپا کرد. خواص عجیب گرافن دانشمندان را در آزمایش اصول نظری فیزیک توانا ساخت. به‌عبارت دیگر، در حال حاضر به‌نظر می‌رسد کاربردهای عملی بسیار زیادی شامل خلق مواد و اختراعات الکترونیکی جدید امکان‌پذیر است.
کربن، اساس هر گونه حیات شناخته‌شده روی کره‌ی زمین، بار دیگر ما را شگفت‌زده کرده است.

مداد، کاغذ و نوار چسب
آسان‌تر از این نمی‌توان گرافن را به‌دست آورد؛ ماده‌ی معجزه‌آسایی که از گرافیت معمولی مثل مداد منشا می‌گیرد. بیشتر مواقع مواد ساده و واضح از دید ما مخفی می‌مانند.
گرافن شامل اتم‌های به‌هم پیوسته‌ی کربن در یک شبکه‌ی مسطح همانند ساختار کندوی عسل ولی با ضخامت فقط یک لایه اتم است. یک میلی‌متر گرافیت در واقع شامل ۳ میلیون لایه‌ی گرافن به‌هم چسبیده است. لایه‌ها به‌طور ضعیف به هم اتصال دارند و بنابراین به‌سادگی پاره و از هم جدا می‌شوند. هر کسی که چیزی با مداد معمولی نوشته باشد این را تجربه کرده است و ممکن است یک لایه‌ی تنها از گرافن در انتهای نوشته ایجاد شود.
گیم و نووسلوف در یک روش منظم با استفاده از نوار چسب لایه‌های نازک یک قطعه گرافیت بزرگ را برداشتند. در ابتدا پوسته‌های برداشته شده شامل لایه‌های بسیاری از گرافن بود، ولی آن‌ها این عمل را ۱۰ تا ۲۰ بار تکرار کردند تا پوسته‌های نازک‌تر و نازک‌تری به‌دست آورند. قدم بعدی یافتن قطعات بسیار کوچک گرافن در بین لایه‌های ضخیم‌تر گرافیت بود. این دانشمندان تصمیم گرفتند پوسته‌ها را به صفحه‌ی سیلیکون اکسیدشده- ماده‌ی استانداردی در صنعت نیمه‌رسانا- بچسبانند.
هنگامی که صفحه در زیر میکروسکوپ استاندارد قرار داده شود، رنگ‌های رنگین‌کمان را می‌توان دید که مشخص‌کننده‌ی تعداد لایه‌های گرافن در پوسته‌هاست. برای مشخص شدن گرافن، ضخامت لایه‌ی زیرین سیلیکون تعیین‌کننده است. حالا در زیر میکروسکوپ گرافن دیده می‌شود؛ یک ماده‌ی کریستالی واقعاً دوبعدی که در دمای اتاق پایدار است. گرافن شبکه‌ی کاملاً منظم کربن تنها با دو بعد طول و عرض است. واحد پایه‌ی این طرح شامل ۶ اتم کربن به هم پیوسته از نظر شیمیایی است.

 تصویر 2. گرافن از گرافیت: گرافیت ماده‌ی پایه‌ای است که در طبیعت یافت می‌شود. وقتی که ورق‌های گرافیت از هم جدا می‌شوند گرافن ایجاد می‌شود. یک لوله از گرافن نانوتیوب کربن را شکل می‌دهد و جمع شدن آن باعث ایجاد توپ فوتبال کوچک به نام فولرن می‌شود.
تصویر ۲٫ گرافن از گرافیت: گرافیت ماده‌ی پایه‌ای است که در طبیعت یافت می‌شود. وقتی که ورق‌های گرافیت از هم جدا می‌شوند گرافن ایجاد می‌شود. یک لوله از گرافن نانوتیوب کربن را شکل می‌دهد و جمع شدن آن باعث ایجاد توپ فوتبال کوچک به نام فولرن می‌شود.

انتظار برای کشف
البته گرافن همیشه وجود داشت، ولی مهم آن بود که آن ‌را ببینیم. همان‌طور که اشکال طبیعی دیگر کربن پیش از آن‌که دانشمندان آن‌ها را به‌درستی ببینند آشکار شده بودند: در ابتدا «نانوتیوب» و سپس توپ‌های توخالی به نام «فولرن» (Fulleren) که جایزه‌ی نوبل شیمی ۱۹۹۶ را برد. بسیاری از دانشمندان فکر می‌کردند که جدا شدن چنین مواد نازکی غیرممکن است، چون آن‌ها در دمای اتاق مچاله یا لوله می‌شوند یا حتی به‌سادگی و به‌طور کامل ناپدید می‌شوند. با وجود این، هنوز کسانی در تلاش بودند، اگرچه کوشش‌های پیشین در به‌دست آوردن گرافن شکست خورده بود. قبلاً امکان گرفتن فیلم‌هایی با ضخامت کمتر از ۱۰۰ اتم وجود داشت که در واقع بعضی از آن‌ها در حد شفاف بودن نازک‌اند.
یک راه به‌دست آوردن گرافن از گرافیت، داخل کردن مواد شیمیایی بین لایه‌های اتم به‌منظور ضعیف کردن پیوند بین آن‌ها و سپس جدا کردن لایه‌هاست. روش دیگر جدا کردن ساده‌ی لایه‌های گرافیت است. همچنین به‌طور موفقیت‌آمیز سعی شد تا سیلیکون از کریستال کارباید سیلیکون سوزانده شود؛ در دمای بسیار زیاد لایه‌های کربن باقی خواهند ماند. روش‌های مختلف رشد هم‌بافته (Epitaxial growth) برای ایجاد مواد نیمه‌رسانای مختلف استفاده شده است. ورق‌های لوله شده با عرض ۷۰ سانتی‌متر بزرگ‌ترین گرافن‌های تولید شده در حال حاضر هستند.

تصویر ۳٫ شبیه یک صفحه‌ی ابریشمی؛ ورقه‌های چین‌دار گرافن روی صفحه‌ی سیلیکونی. تصویر با میکروسکوپ الکترونی با بزرگ‌نمایی ۵۰۰۰ گرفته شده است.

دنیایی پر از تناقض
آندره گیم و کنستانتین نووسلوف تنها توانستند پوسته‌های بسیار کوچک ماده‌ی جدید را به‌دست آورند. با وجود اندازه‌ی بسیار کوچک گرافن تولیدی، آن‌ها توانستند شروع به تحقیق در مورد دو ویژگی بسیار قابل ملاحظه‌ی آن کنند که هر دو در خاصیت الکتریکی آن موثر است.
مورد اول ترکیب تقریباً کامل گرافن است. این ترتیب بدون نقص ناشی از پیوند قوی اتم‌های کربن است و در عین‌حال پیوند‌ها به‌اندازه‌ی کافی انعطاف‌پذیر هستند که اجازه‌ی کشش تا بیشتر از ۲۰ درصد اندازه‌ی اولیه را بدهند. همچنین این بافت درهم‌تنیده به الکترون‌ها اجازه می‌دهد بدون اشکال مسافتی طولانی را در داخل گرافن سفر کنند. خاصیت بی‌نظیر دیگر گرافن این است که الکترون‌های آن همانند ذرات نور و فوتون‌های بدون جرم عمل می‌کنند. فوتون‌ها در محیط خلا با سرعت ۳۰۰ میلیون متر در ثانیه حرکت می‌کنند. به‌طور مشابه، الکترون‌ها در گرافن طوری رفتار می‌کنند که هیچ جرمی ندارند و با سرعت ثابت یک میلیون متر در ثانیه حرکت می‌کنند. این مساله مطالعه‌ی پدیده‌ی معینی را با راحتی بیشتر بدون نیاز به شتاب‌دهنده‌های بزرگ ذرات امکان‌پذیر می‌سازد.
گرافن همچنین به دانشمندان اجازه می‌دهد اثرات روح‌مانند کوانتوم را آزمایش کنند که قبلاً فقط به‌صورت تئوری بحث می‌شد. یکی از این پدیده‌ها «تونلی شدن کلین» است که توسط فیزیکدان سوئدی، اسکار کلین (Oskar Klein) در سال ۱۹۹۲ به‌صورت فرمول درآمد. اثر تونلی در فیزیک کوانتوم نشان می‌دهد که چگونه گاهی اوقات ذرات از سدی که به‌طور معمول جلوی آن‌ها را می‌گیرد عبور می‌کنند. هر چه مانع بزرگ‌تر باشد احتمال کمتری برای عبور ذرات کوانتومی وجود دارد، اما این مساله در مورد الکترون‌هایی که در گرافن سفر می‌کنند صدق نمی‌کند و در بعضی شرایط آن‌ها طوری حرکت می‌کنند که هیچ مانعی در جلوی آن‌ها وجود ندارد.

دنیای رویایی
کاربرد‌های عملی قابل دسترس گرافن بسیار مورد توجه قرار گرفته است. بسیاری از این کاربرد‌ها تاکنون در تخیلات ما وجود داشته است ولی تعداد زیادی از این موارد در حال حاضر توسط گیم و نووسلوف در حال آزمایش‌اند.
قدرت هدایت الکتریکی گرافن باعث توجه بسیار شده است. پیش‌بینی می‌شود ترانزیستور‌های گرافنی به‌طور قابل ملاحظه‌ای سریع‌تر از مشابه سیلیکونی امروز باشد. ریزپردازنده‌ها سریع‌تر و با صرفه‌جویی انرژی بیشتر خواهند بود و با وجود این، کوچک‌تر می‌شوند.
نکته‌ی مهم در چند سال اخیر این است که ترانزیستورهای گرافنی به‌همان سرعت موارد سیلیکونی هستند که این ممکن است به‌معنی کوچکتر شدن قطعات الکترونیکی با کارایی بیشتر کامپیوتر‌ها در آینده باشد. تاکنون کامپیوترهای گرافنی وجود نداشته است ولی در یک رویای دور کامپیوترهای شفاف به نازکی کاغذ و قابل لوله شدن در کیف دستی در آینده عرضه خواهند شد.
چون گرافن عملاً شفاف است (نزدیک ۹۸ درصد) و همزمان امکان هدایت الکتریکی دارد، برای تولید صفحه‌های لمسی شفاف، تابلوهای نوری و باتری‌های خورشیدی مناسب خواهد بود.
اگر فقط یک درصد گرافن با پلاستیک مخلوط شود، پلاستیک‌ هادی الکتریسیته می‌شود. با مخلوط کردن قسمتی از گرافن، مقاومت حرارتی پلاستیک تا ۳۰ درجه افزایش می‌یابد، در حالی ‌که از نظر مکانیکی مقاوم‌تر می‌شود و این خاصیت در مواد جدیدی که تولید خواهند شد قابل استفاده است. در آینده ماهواره‌ها، هواپیما‌ها و اتومبیل‌ها با مواد جدید ساخته خواهند شد. همچنین ساختار بی‌نقص گرافن آن را برای تولید حسگر‌های بسیار حساس که حتی کوچک‌ترین میزان آلودگی را کشف می‌کنند مناسب می‌سازد. حتی یک مولکول منفرد که بر سطح گرافن جذب شود قابل کشف است.

Ref: http://www.nobelprize.org

دکتر عباس رحیمی
متخصص رادیوتراپی
عضو هیات علمی دانشگاه علوم پزشکی گیلان
نشانی: رشت، بیمارستان رازی، تلفن: ۵۵۵۰۰۲۸

Email: dr.rahimi@yahoo.com

۵ اکتبر ۲۰۱۰
آکادمی سلطنتی علوم سوئد تصمیم گرفته است جایزه‌ی نوبل فیزیک را در سال ۲۰۱۰ اهدا کند به:
آندره گیم (Andre Geim)
دانشگاه منچستر، بریتانیا
و کنستانتین نوووسلوف (Konstantin Novoselov)
دانشگاه منچستر، بریتانیا
به‌‌پاس آزمایش‌های بنیادین درباره‌ی ماده‌ی دوبعدی گرافن.

آندره گیم، شهروند هلند، متولد ۱۹۵۸ در روسیه.
کنستانتین نوووسلوف، شهروند بریتانیا و روسیه، متولد ۱۹۷۴ در روسیه

بی‌بی‌سی فارسی: پروفسور گِیم، ۵۱ ساله، شهروند هلند است و دکتر نووسلوف ۳۶ ساله، شهروندی بریتانیا و روسیه را دارد. هر دو نفر در روسیه متولد شده‌اند و حرفه‌ی خود در رشته‌ی فیزیک را در آن کشور شروع کردند.
این دو دانشمند پیش از نقل مکان به بریتانیا در هلند کار می‌کردند. آن‌ها در ماه اکتبر سال ۲۰۰۴، زمانی که در دانشگاه منچستر کار می‌کردند، مقاله‌ی تحقیقی خود درباره‌ی گرافین را چاپ کردند.
دکتر نووسلوف یکی از جوان‌ترین برندگان جایزه‌ای است که معمولاً به دانشمندانی با چند دهه تجربه اهدا می‌شود.

برچسب‌ها: ٬ ٬ ٬

دیدگاه خود را بیان کنید.