رقاقة رقيقة وقابلة للتمدد وقوية مثل الفولاذ: هل يمكن لمادة الجرافين “المعجزة” أن تغير عالمنا أخيرًا؟ | علم المواد

قبل عشرين عامًا، أعلن العلماء أنهم ابتكروا مادة معجزة جديدة ستغير حياتنا. أطلقوا عليه اسم الجرافين.

تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في نمط سداسي، وهي واحدة من أقوى المواد التي تم صنعها على الإطلاق، وهي موصل أفضل للكهرباء والحرارة من النحاس.

بدت آفاق إحداث ثورة في التكنولوجيا لا نهاية لها، وكان من المتوقع ظهور جيل جديد من المعالجات وأجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة. وذكرت التقارير أن هذا قد يسمح بشحن البطاريات بشكل أسرع خمس مرات، ويجعل الخرسانة أقوى بنسبة 35%.

حتى أنه تم طرحه كحل للحفر. ويُقال إن مجرد مزجها مع مادة السطح التقليدية سيتم القضاء على لعنة القيادة الحديثة.

وحصل علماء جامعة مانشستر الذين اكتشفوه، أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف، على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010، وتم إنشاء معهد وطني للجرافين في الجامعة.

لكن الضجيج حول هذه المادة المعجزة تضاءل بشكل كبير. لم يُحدث الجرافين ثورة إلكترونية بعد؛ الحفر لا تزال معنا.

فماذا حدث لثورة الجرافين؟ لماذا لم يغير عالمنا؟ لدى السير كولين همفريز، أستاذ علوم المواد في جامعة كوين ماري في لندن، إجابة واضحة: “لا يزال الجرافين مادة واعدة للغاية”. وكانت المشكلة هي زيادة إنتاجها. وهذا هو السبب في أنها لم تحقق التأثير الذي كان متوقعا

وأوضح همفريز أن الجرافين كان يُصنع في الأصل بطريقة غير عادية إلى حد ما. ابتكرها جيم ونوفوسيلوف عن طريق وضع شريط لاصق على كتل من الجرافيت وتقشير الطبقات حتى حصلوا على طبقة بسمك الذرة.

وأضاف: “لكنها ستكون مجرد شريحة صغيرة يبلغ عرضها بضعة ملليمترات”. “لا يمكنك صنع أجهزة إلكترونية بقصاصات كهذه. بالنسبة للأجهزة العاملة، يجب أن يكون لديك رقائق من المواد بحجم 6 بوصات على الأقل. وعلى هذا فقد أنفقت شركات آي بي إم، وسامسونج، وإنتل المليارات في محاولة لزيادة إنتاج الجرافين لإنتاجه بأشكال وكميات مفيدة ــ دون نجاح يُذكَر.

ونتيجة لذلك، تم تعليق ثورة الجرافين، على الرغم من وجود دلائل مشجعة مؤخرًا على أن التكنولوجيا قد تستعيد قريبًا الكثير من وعدها الأصلي.

يعتقد همفريز أنه يمكن إعادة تنشيط السوق قريبًا بفضل الاختراقات في تصنيع الأجهزة المعتمدة على الجرافين. لقد حقق همفريز وزملاؤه تطورًا رئيسيًا في هذه الحملة، حيث أدركوا أن التكنولوجيا المستخدمة في صنع مكونات نيتريد الغاليوم الإلكترونية يمكن استغلالها لصنع الجرافين على نطاق واسع.

قال همفريز، الذي أنشأ منذ ذلك الحين شركة فرعية تدعى باراجراف مع فريقه: “لقد استخدمنا بعضًا من الجرافين الأول الذي صنعناه بهذه الطريقة لصنع جهاز استشعار يمكنه اكتشاف المجالات المغناطيسية”.

يقع مقرها في قرية سومرشام في كامبريدجشير، وقد أصبحت الآن واحدة من أولى الشركات في العالم التي تنتج كميات كبيرة من الأجهزة المعتمدة على الجرافين. وينتج الآن مفاعلان ــ على شكل أفران البيتزا ــ ما يكفي من الجرافين لصنع 150 ألف جهاز يوميا.

يتم استخدام هذه الأجهزة من قبل باراغراف بطريقتين: أولاً، لصنع أجهزة استشعار تقيس المجالات المغناطيسية. ويمكن استخدامها للكشف عن البطاريات المعطوبة في الدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية الإلكترونية، مما يمنع الحرائق.

أما النوع الثاني من أجهزة الاستشعار فيمكنه التمييز بين الالتهابات البكتيرية والفيروسية، مما يوضح ما إذا كانت المضادات الحيوية ستكون العلاج المناسب. وقال همفريز: “نعتقد أيضًا أنه يمكننا استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية لدينا لاكتشاف ما إذا كان شخص ما مصابًا بالإنتان أم لا، في بضع دقائق”.

وأضاف أن حقيقة أن أجهزة الجرافين من المرجح أن تستهلك طاقة أقل من الأجهزة الحالية أمر مهم أيضًا.

“إن عصر السيليكون يقترب من نهايته. لقد وصلنا إلى الحد الأقصى لعدد الترانزستورات التي يمكننا حشرها على شريحة واحدة بينما تتضاعف الطاقة التي تستهلكها كل ثلاث سنوات.

“وهذا يعني أنه إذا لم يحدث شيء، وواصلنا ما نفعله، فإن أجهزة السيليكون سوف تستهلك كل توليد الكهرباء في العالم ــ وهو ما يشكل تهديدا كبيرا لتطلعاتنا إلى الصفر”.

“ربما وصلت تكنولوجيا الجرافين في وقت متأخر عما كنا نأمله في الأصل، ولكن لديها القدرة على التغلب على هذه المشاكل وإحداث فرق حقيقي في الحياة الحديثة.”

العلم المدعوم الذي فشل في الحصول على الدرجة

• الطاقة النووية “سوف يستمتع أطفالنا في منازلهم بالطاقة الكهربائية الرخيصة للغاية بحيث لا يمكن قياسها” – لويس شتراوس، رئيس لجنة الطاقة الذرية في الولايات المتحدة في عام 1954.

• سنكلير C5 “هذا هو مستقبل النقل” – مادة ترويجية للسكوتر/السيارة الكهربائية Sinclair C5 في عام 1985. كان من المتوقع أن تصل مبيعات العام الأول إلى 100000 ولكن تم بيع 5000 فقط. تم التخلي عن المشروع.

• التقدم الطبي “لقد حان الوقت لإغلاق كتاب الأمراض المعدية، وإعلان انتصار الحرب ضد الأوبئة” – منسوبة إلى الدكتور ويليام ستيوارت، الجراح العام الأمريكي 1965-1969.