گرافن: نازکترین روان ‌کننده جامد - آکا
هما نطور که می دانیم گرافن را «ماده جادویی» قرن 21 می‌نامند. این ماده که گفته می‌شود محکم‌ترین ماده‌ای است که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته, جایگزینی برای سیلیک

گرافن: نازکترین روان ‌کننده جامد

تازه های فناوری نانو (12)

همانطور که می دانیم 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 .دراین مطلب در ادامه مطالب (1) و (2) و (3) و (4) و (5) و (6) و (7) و (8) و (9) و (10) و (11) به بعضی از تازه ترین پژوهش های انجام شده در زمینه گرافن  می پردازیم.
,فناوری نانو،نانو تکنولوژی،مقالات نانو

گرافن: نازکترین روان ‌کننده جامد

یکی از نکات مهم در بکارگیری یک روان‌کننده جامد در مقیاس میکرو و نانو، ضخامت روان‌کننده و سازگاری فرآیند ترسیب روان‌کننده با محصول هدف است. گرافن، یک ماده کربنی قوی به نازکی یک اتم و با انرژی کم سطحی، کاندیدای مناسبی برای این کاربردها است. اکنون وانگ سیوپ کیم و همکارانش از موسسه مواد و ماشین‌آلات کره جنوبی امکان استفاده از گرافن بعنوان روان‌کننده جامد را شرح داده‌اند.

,فناوری نانو،نانو تکنولوژی،مقالات نانو

فیلم‌های گرافنی که با روش ترسیب بخار شیمیایی روی کاتالیست‌های فلزی مس و نیکل رشد داده شدند و به بستر سیلیکون / دی‌اکسید سیلیکون انتقال داده شدند؛ ویژگی‌های اصطکاکی و چسبندگی عالی از خود نشان دادند. این فیلم‌های گرافنی نیروهای اصطکاکی و چسبندگی را بطور موثری کاهش می‌دهند.

 

از دیدگاه عملی، گرافن تولید شده با روش ترسیب بخار شیمیایی (CVD) در مقایسه با گرافن‌های تولید شده با روش‌های دیگر، به دلیل مقیاس‌پذیری و انتقال‌پذیری عالی آن بهترین گزینه بعنوان روان‌کننده جامد است. با این حال، مشخصه‌های مربوط به اصطکاک‌شناسی این نوع گرافن در مقیاس میکرو و نانو هنوز گزارش نشده است.

کیم توضیح می دهد که ما نشان دادیم که گرافن تولید شده با روش CVD خواص اصطکاکی و چسبندگی عالی در مقیاس میکرو و نانو دارد، بطوری که برای کاربردهای عملی مناسب است. بویژه نتایج‌مان نشان می‌دهند که ضریب اصطکاک گرافن چندلایه‌ای با ضخامت چند نانومتر با ضریب اصطکاک گرافیت توده‌ای (یک روان‌کننده جامد مناسب) قابل مقایسه است. این نتایج که برای اولین بار است که گزارش می‌شوند، نشان‌دهنده امکان استفاده گرافن تولید شده با روش CVD بعنوان روکش سطحی برای کاهش نیروی‌های اصطکاک و چسبندگی و حفاظت از سطح بستر، هستند.

طبق گفته این محققان گرافن ضخیم‌ترِ رشد داده‌شده با نیکل و انتقال‌یافته روی سیلیکا در مقایسه با گرافن نازک‌تر رشد داده‌شده با مس و انتقال‌یافته روی سیلیکا، در مقابل سرخوردن بادوام‌تر است، اما گرافن رشد داده‌شده با نیکل تحت فشار تماسی 37 مگاپاسکال در مقیاس میکرو به آسانی سائیده شد.

نتایج این محققان نشان‌دهنده این هستند که ویژگی‌های سایشی و اصطکاکی گرافن چندلایه‌ای با اتصال محکم گرافن به بستر و برجستگی‌های نانومقیاس روی سطح قابل اصلاح هستند

این محققان می‌گویند که هدف نهایی‌شان ساخت روان‌کننده‌های جامد بادوام‌تر و بسیار نازک با استفاده از گرافن است.

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ACS Nano منتشر کرده‌اند.

 

***********

گرافن چندلایه‌ای برای افزاره‌های الکترونیکی جدید

عدم توانایی گرافن در تشکیل یک باندگپ، مشکل اصلی این ماده برای استفاده در افزاره‌های الکترونیکی جدید است. وجود باندگپ جهت ساخت افزاره‌هایی از قبیل ترانزیستورها، تراشه‌های کامپیوتری و پیل‌های خورشیدی ضروری است. اکنون گروهی از دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) راهی برای تولید مقادیر قابل‌توجهی از گرافن به شکل دو یا سه لایه‌ای پیدا کرده است. موقعی که این لایه‌ها بدرستی مرتب شوند، این ساختارها، گرافنی با باندگپ بسیار مطلوب می‌دهند.میکائیل استرانو، در MIT و یکی از این محققان، می‌گوید: این یک تحول در فناوری گرافن است.

,فناوری نانو،نانو تکنولوژی،مقالات نانو

 موقعی که ترکیبات برم یا کلر (ارائه شده به رنگ آبی) وارد قطعه‌ای از گرافیت (نشان داده شده به رنگ سبز) می‌شوند، این اتم‌ها راه‌شان را برای ورود به این ساختار در بین هر سه صفحه پیدا می‌کنند. بنابراین فاصله بین این صفحه‌ها افزایش می‌یابد و مجزا کردن آنها آسان‌تر می‌شود.

 

اگرچه گرافن در سال 2004 کشف شده است، اما تولید انبوه آن تاکنون یک چالش بوده است. با این حال، روش جدید این محققان را می‌توان در مقیاس بزرگ انجام داد. طبق گفته استرانو با استفاده از این روش که کاربردهای عملی و واقعی گرافن را ممکن می‌سازد، می‌توان ترتیب دقیقی از لایه‌ها ایجاد کرد. ترتیب این لایه‌ها معروف به پشته‌های A-B است که در فضاهای بین آنها اتم‌هایی است که منجر به خواص الکترونیکی مطلوب می‌شوند.

نکته کلیدی در این فناوری استفاده از تکنیکی است که در دهه‌های 50 و 60 میلادی ارائه شده است: ترکیبات برم وکلر به یک قطعه از گرافیت وارد شده و راه خود را بصورت طبیعی به داخل این ماده پیدا می‌کنند – به طور منظم در بین لایه‌ها، یا در بعضی از حالت‌ها بین هر سه لایه قرار می‌گیرند و طی این فرآیند فاصله بین لایه‌ها را اندکی بیشتر می‌کنند

استرانو و همکارانش متوجه شدند که موقعی که این گرافیت در محلول قرار داده می‌شود، بصورت طبیعی از مکان‌هایی که اتم‌ها وارد شده‌اند، مجزا شده و ورقه‌های گرافنی دو یا سه لایه‌ای تشکیل می‌شود. استرانو می‌گوید: "بدلیل اینکه این فرآیندِ پراکندگی می‌تواند بسیار ملایم باشد، ما به ورقه‌های بسیار بزرگ‌تر از ورقه‌های ساخته شده با دیگر روش‌ها می‌رسیم. گرافن یک ماده‌ی بسیار آسیب‌پذیر است، بنابراین نیاز به یک فرآیند ملایم دارد".

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند.

 

***********

 

گرافن باتری‌های قابل شارژ را تقویت می‌کند

محققان در دانشگاه استانفورد با پیچاندن ذرات ریز گوگرد در صفحه‌های گرافنی، ماده کاتدی نویدبخشی برای باتری‌های قابل‌شارژ گوگرد – لیتیوم ساخته‌اند. این باتری‌ها را می‌توان در مقیاس بزرگ برای نیرو دادن به وسائل نقلیه الکتریکی استفاده کرد. این کاتدهای جدید گوگرد – گرافن موقعی که با آندهای مبتنی بر سیلیکون ترکیب شوند، می‌توانند منجر به باتری‌های قابل‌شارژی شوند که چگالی انرژی بسیار بالاتری از آنچه هم‌اکنون ممکن است، دارند.

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش‌روی وسائل نقلیه الکتریکی که از باتری‌ها توان می‌گیرند، چگالی‌های توان و انرژی پایین باتری‌های لیتیوم قابل شارژ است. نقطه ضعف این باتری‌ها مواد کاتدی کنونی آنها است که ظرفیت‌های ویژه‌شان بسیار کمتر از ظرفیت‌های ویژه مواد آندی است.

,فناوری نانو،نانو تکنولوژی،مقالات نانو

 مراحل تولید یک کامپوزیت گوگرد – گرافن که می‌توان آن را بعنوان ماده کاتدی برای باتری‌های قابل‌شارژ گوگرد – لیتیوم با چگالی انرژی بالا استفاده کرد.

محققان دانشگاه استانفورد بمنظور رفع این مشکل، از گوگرد استفاده کرده‌اند که ظرفیت ویژه تئوری برابر با 1672 میلی‌آمپر ساعت بر گرم (حدود 5 برابر ظرفیت ویژه مواد کاتدی مرسوم) دارد. اگرچه گوگرد مزایای دیگری از قبیل هزینه کم دارد، اما معایبی نیز دارد. برای مثال، گوگرد رسانای ضعیفی است، در طی تخلیه منبسط می‌شود، و پلی‌سولفیدها در الکترولیت حل می‌شوند. این مشکل‌ها سبب عمر چرخه کم، ظرفیت ویژه پایین و راندمان انرژی پایین می‌شوند.

این محققان برای حل این مشکل‌ها راهبردی ارائه کردند. آنها ذرات ریز گوگرد را برای بدام‌اندازی پلی‌سولفیدها و جلوگیری از حل شدن‌شان، با پلی اتیلن گلایکول (PEG) روکش‌دهی کردند. این روکش پلیمری انعطاف‌پذیر همچنین با اصلاح انبساط حجمی ذرات گوگرد در طی تخلیه هر چرخه، عمر چرخه را بهبود می‌دهد. سپس این محققان ذرات گوگرد روکش‌داده شده را در صفحه‌های گرافن تزئین شده با نانوذرات دوده، پیچاندند. نانوذرات دوده رسانایی گوگرد را بهبود می‌دهند.

محققان مذکور شرح دادند که کاتد گوگرد – گرافن منتج می‌تواند برای بیش از 100 چرخه، ظرفیت ویژه‌ بالایی بین 500 تا 600 میلی‌آمپر ساعت بر گرم داشته باشد. این مواد کاتدی جدید را می‌توان برای ساخت باتری‌های قابل شارژی با چگالی انرژی بالاتری از چگالی دیگر باتری‌های قابل شارژ امروزی استفاده کرد. طبق گفته این محققان افت ظرفیت برای 100 چرخه فقط 10 تا 15 درصد است که بسیار عالی است.

این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nano Letters منتشر کرده‌اند.

 

 

فرآوری: مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان

منبع : tebyan.net

منبع : بخش مقالات علمی آکاایران
برچسب :