گرافن و کاربردهای آن – Graphene

گرافن و کاربردهای آن – Graphene

گرافن نام یکی از آلوتروپ های کربن است. در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ های کربن)، هر کدام از اتم های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده اند. این لایه خود بر روی لایه ای کاملاً مشابه قرار گرفته است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده است، اما این پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می خورند و می توانند در نوک مداد به کار بروند.

گرافن ماده ای است که در آن تنها یکی از این لایه های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده است.
هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه ای به نام قضیه مرمین -واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده ای را غیرپایدار می دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین- واگنر نمی تواند کاملا درست باشد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.

گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماد های منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکون در نسل بعدی قطع ههای فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است. از این رو توجه کم سابقه ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است.