از گرافین تا نوبل فیزیک

در این مدرسه که عنوان آن «پدیده های کوانتومی تکوینی در گرافین» اعلام شده بود دانشمندان برجسته این حوزه از جمله پروفسور می کیتو کوشینو، استاد دانشگاه توکوهو کشور ژاپن، الکساندر گرونایز از دانشگاه کلن آلمان، پروفسور سید رقیب حسن از انستیتو علوم ریاضی هندوستان و پروفسور کنستانتین نووسلوف از دانشگاه منچستر موضوعاتی را در این حوزه برای شرکت کنندگان تدریس کردند. بیش از 170 دانشجوی دکتری فیزیک و بیش از 30 عضو هیأت علمی در این مدرسه شرکت داشتند. در این رویداد علمی سه روزه موضوعات مختلفی از خواص الکترونیکی و اپتیکی مواد دو بعدی تا مقدمه ای بر فیزیک گرافین و حالت های مرزی آن مورد بحث و بررسی قرار گرفت. جام جم آنلاین با پروفسور کنستانتین نووسلوف، برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 2010 از مهمانان مدرسه بهاری فیزیک گفت وگو کرده است.

گرافین چیست و چه ویژگی هایی دارد که شما را به نوبل رسانده است؟

گرافین ماده ای است که از کربن خالص تشکیل شده است. ضخامت این ماده به اندازه یک اتم است. گرافین شفاف است. اگرچه ضخامت این ماده بسیار نازک تر از فولاد است اما می تواند تا 200برابر محکم تر از فولاد باشد. این ماده رسانای بسیار خوبی است و با توجه به این ویژگی ها می تواند در زمینه های مختلف کاربرد داشته باشد. این ماده بسیاری از خصوصیات و ویژگی های شاخص و مورد توجه را در خود جا داده است. یکی از ویژگی های شاخص گرافین قابلیت ترمیم خودکار آن است. یکی از دیگر ویژگی های شاخص گرافین ساختار دو بعدی آن است. نتیجه این ویژگی ها ماده ای رسانا، انعطاف پذیر، قدرتمند و در عین حال بسیار مستحکم است.

گرافین در زندگی روزمره بشر چه کاربردهایی می تواند داشته باشد؟

یکی از حوزه های مطرح برای کاربرد این ماده مدارهای الکترونیکی است. با توجه به ویژگی ها و خواص گرافین می توان از آن به عنوان جایگزین مناسبی برای سیلیکون استفاده کرد. البته باید تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود. بی شک کاربرد این ماده در ساخت قطعات الکترونیکی و تراشه های رایانه ای می تواند مزیت های بسیاری داشته باشد. اما اکنون استفاده از این فناوری در این حوزه مستلزم صرف هزینه بالایی است. البته مزیت ها نیز به اندازه ای چشمگیر و قابل توجه است که نمی توان براحتی از آنها چشم پوشی کرد. یکی از دیگر زمینه های کاربرد این ماده باتری ابزارهای همراه نظیر گوشی های تلفن همراه و تبلت هاست. این ماده در مقایسه با گرافیت برای نگهداری و ذخیره انرژی از عملکرد بهتری برخوردار است. سرعت شارژ باتری هایی که از جنس گرافین ساخته می شوند به مراتب بیشتر است و این باتری ها می توانند برای مدت زمان طولانی تری انرژی را در خود ذخیره کنند. با توجه به آنچه گفته شد می توان پیش بینی کرد در آینده ای نه چندان دور گرافین به ماده اصلی برای ساخت گوشی های هوشمند آینده تبدیل شود. گوشی هایی که نه تنها از استحکام بیشتری برخوردارند، بلکه می توانند انعطاف پذیر و نشکن باشند. از این ویژگی گرافین می توان برای ساخت نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر که می تواند در ساخت ابزارهای الکترونیکی مختلف کاربرد داشته باشد، استفاده کرد. اگر از گرافین در ترکیب با مواد ارگانیک استفاده شود بی شک انقلاب بزرگی را در زمینه الکترونیک شاهد خواهیم بود که به ایجاد شاخه جدیدی به نام الکترونیک ارگانیک منجر می شود.

آیا می توان با توجه به چنین ویژگی از این ماده در حوزه انرژی نیز بهره گرفت؟

بله در حقیقت این ماده امکان به دام انداختن انرژی را فراهم می کند. به همین علت گفته می شود یکی از مهم ترین کاربردهای آنها می تواند ساخت باتری هایی با ظرفیت بالاتر باشد. اما کاربرد این ماده با هدف به دام انداختن انرژی فقط به این کاربرد محدود نمی شود و می توان از گرافین در ساخت سلول های خورشیدی هم استفاده کرد. اکنون در ساخت سلول های خورشیدی از پلاتینیوم استفاده می شود که گرافین می تواند به عنوان یک رسانای خوب جایگزین آن شود.

چه کاربردهای دیگری برای این ماده شگفت انگیز مطرح است؟

یکی از کاربردهای مهم این ماده شگفت انگیز استفاده از آن در حوزه پزشکی و زیست شناسی است. گرافین می تواند با سیستم های زیستی و بیولوژیکی در تعامل باشد و در حقیقت می تواند نقش رابط بین سلول های زنده را داشته باشد. این ماده در ترکیب با لایه های چربی مصنوعی که در ساخت اندام های مصنوعی از آن استفاده می شود، کاربرد دارد. از گرافین می توان علاوه بر ساخت اندام های مصنوعی در دارورسانی و ساخت حسگرهای زیستی استفاده کرد. در یک کلام می توان گفت کاربردهای این ماده غیرقابل پیش بینی است. حسگرهای زیستی که در ساخت آنها از گرافین استفاده شده باشد، می تواند رابط خوبی برای سلول های بدن و بویژه سلول های عصبی باشد. حتی در زمینه تحقیقاتی که در حوزه سلول های بنیادی و استفاده از آنها در روند درمان انجام می شود هم می توان از ویژگی های این ماده استفاده کرد. به نظر من همه زیست شناسی را می توان در فیزیک غشایی خلاصه کرد. گرافین ماده ای است که می تواند در غشای سلولی هم کاربرد داشته باشد. البته هیچ یک از این ایده ها تاکنون کاربردی نشده است و باید تحقیقات بیشتری در این حوزه انجام شود.

آیا ممکن است روزی گرافین جایگزین سیلیکون شود؟

به نظر من یکی از بزرگ ترین دستاوردهای بشر در سال های اخیر شناسایی ویژگی ها و کاربردهای مختلف این ماده بوده است. با سرعت گرفتن روند تحقیقات درباره این ماده، مسیر تجاری سازی کاربردهای مطرح شده هموار خواهد شد و شاهد انقلاب بزرگی در فناوری های آینده خواهیم بود. گرچه گرافین در مقایسه با سیلیکون از مزیت های بیشتری برخوردار است، اما به این معنی نیست که در آینده ای نزدیک تحولات گسترده ای را در حوزه فناوری نظاره گر خواهیم بود. گسترش کاربرد گرافین در حوزه های مختلف به آمادگی بیشتری نیاز دارد. اگر گرافین بخواهد در مقابل رقیبی مانند سیلیکون حرفی برای گفتن داشته باشد باید هزینه ها کاهش پیدا کند و رسیدن به این هدف زمانبر است. ممکن است سال ها به طول انجامد تا این ماده بتواند راه خود را به بازار مصرف پیدا کند. بنابراین تنها کاری که می توان برای تسهیل این روند انجام داد این است که تحقیقات بیشتری درباره ویژگی ها و خواص این ماده و کاربرد آن در زندگی روزمره بشر انجام دهیم.

آینده گرافین را چگونه می بینید؟

در سال های اخیر یعنی در ده سال گذشته بسیاری از محققان در تلاش بوده اند بر اساس ویژگی های این ماده کاربرد آن را در زمینه های مختلف بررسی کنند. اما به نظر می رسد گرافین برای رسیدن به تولید و ورود به محصولاتی که در بازارهای تجاری عرضه می شود راهی طولانی پیش رو داشته باشد. به هر حال باید پذیرفت گرافین ماده ای است که بسیاری از محدودیت ها و درهای بسته را باز می کند و کاربرد آن در حوزه های مختلف می تواند به افزایش سرعت توسعه و پیشرفت فناوری در حوزه های مختلف منجر شود. بی شک این ماده می تواند در زندگی بشر امروز نقش بسیار مهمی داشته باشد. کاربردهای گرافین به حوزه خاصی محدود نمی شود. خواص و ویژگی های این ماده به منزله ایجاد فرصت های جدید است که می تواند به افزایش قابلیت ها و بهبود فناوری های موجود در بازار و همچنین عرضه فناوری های جدید منجر شود.

به افراد علاقه مند به فیزیک چه توصیه ای می کنید؟

من همیشه سعی می کنم به هیچ فردی توصیه نکنم! چون توصیه های من برای خودم کاربردی خواهد بود. بی شک من همیشه بر اساس توانمندی ها و خصوصیات خودم مسیری را ترسیم می کنم که ممکن است این مسیر برای افرادی که چنین خصوصیتی ندارند، مناسب نباشد. بنابراین همیشه سعی می کنم تا حد امکان هیچ فردی را نصیحت نکنم. سوالاتی که در جلسه سخنرانی عمومی با موضوع مواد در سرزمین مسطح از سوی دانشجویان شرکت کننده مطرح شد، نشان دهنده این است که دانشجویان از سطح علمی مطلوبی برخوردارند و امیدوارم دانشگاه ها بتوانند با برگزاری برنامه های علمی مشابه به پیشرفت و بهبود وضع علمی دانشجویان ایرانی که تا این اندازه به دانش علاقه مند هستند، کمک کنند.

رنگ باختن نظریه ها در مقابل گرافین

پروفسور کنستانتین نووسلوف، برنده جایزه نوبل فیزیک است. این محقق روسی اکنون ریاست انستیتو گرافین در دانشگاه منچستر را بر عهده دارد و سال 2010 در 36 سالگی موفق شد جایزه نوبل فیزیک را از آن خود سازد. این جایزه به پاس تحقیقات مبتکرانه و ارزشمند این محقق و استادش آندره گایم به آنها تعلق گرفت و به این ترتیب نام این محقق به عنوان جوان ترین برنده جایزه نوبل که تابعیت کشور روسیه را دارد به ثبت رسید. گرافین یک ساختار دو بعدی از یک لایه از شبکه لانه زنبوری از جنس کربن است که از مهم ترین خواص آن می توان به رسانایی، چگالی بالا، خواص مکانیکی و بسیاری از دیگر ویژگی های منحصر به فرد این ماده اشاره کرد.

این ماده دو بعدی شفاف بوده و تجمع مجموعه ای از ویژگی های شاخص در این ماده، گرافین را به ماده ای منحصر به فرد تبدیل کرده است. تا پیش از این که نووسلوف و استادش پروفسور گایم موفق به ساخت گرافین شوند بر اساس نظریه ها و قضیه های فیزیکی، ساخت ماده دو بعدی و غیرپایدار غیرممکن بود، اما موفقیت این دو دانشمند نادرستی این نظریه ها را تائید کرد.

No tags for this post.