الجرافين.. المادة النانوية الفريدة.. فما هي؟

يعد عنصر الكربون C من أكثر العناصر أهمية في الجدول الدوري ويشكل الكربون العديد من المتآصلات منها المعروف قديماً (الألماس والغرافيت) ومنها عُرف في ال 10-20 سنة الأخيرة (الفلورين وأنابيب الكربون النانوية). تعد الصيغة الثنائية الأبعاد من مركبات الكربون (الجرافين) من أحدث الصيغ المكتشفة حديثاً والتي شغلت حيزاً كبيراً من اهتمام العلماء خلال الفترة الأخيرة. اُكتشف الجرافين على يد مجموعة من العلماء عام 2004 من جامعة مانشستر في بريطانيا الأمر الذي خلق ثورة كبيرة في مجال البحث العلمي عالمياً.

يطلق اسم الجرافين على الشريحة الثنائية البعد الكربونية المتشابكة ذات التهجين sp². يتواجد الجـرافين على شكل خلية سداسية من الكربون بسماكة ذرة واحدة. البناء الشبكي السداسي للغرافين يعد السبب الرئيسي لأهم خواصه من ناقلية حرارية وكهربائية. ويعد الحجر الأساس في تشكيل المتآصلات الكربونية حيث يمكن أن تتراص وتشكل الغرافيت الثلاثي الأبعاد، أو يمكن لفها لتشكل أنبوبة كربون نانوية أحادية البعد أو يمكن أن تلف حول محور وتشكل كرة من الفلورين معدوم الأبعاد، ويبين الشكل التالي المتآصلات الكربونية انطلاقاً من الـجرافين.

يتألف الجرافين كيميائياً من عنصر وحيد وهو نظير الكربون C-12 والذي يملك 4 الكترونات حرة الأمر الذي يسهل تكوين روابط مع الذرات الأخرى. يملك الـغرافين كيمياء غنية جداً من حيث مشاركته بالعديد من التفاعلات الكيميائية كمادة متفاعلة أو كعامل مرجع (مانح للإلكترونات) أو عامل مؤكسد (مستقبل للإلكترونات) . ويعد هذا كنتيجة مباشرة لبينة الجرافين الالكترونية التي تمنحه ألفة الكترونية (electron affinity) وكمون تأين (ionization potential) حوالي 4.6 eV.

بعض التفاعلات الكيميائية الممكنة على الجرافين

• الهدرجة (Hydrogenation)

يتم تحضير الجرافين المهدرج بواسطة تسليط حزمة من الهيدروجين الذري لشريحة الـغرافين المسخن أو بتعريضها لبلازما أساسية الهيدروجين. هذا التفاعل يحول تهجين ذرات الكربون من sp² إلى sp³ مما يؤدي إلى استطالة الرابطة C-C . يتم ارتباط الهيدروجين وفق الوجهين البلوريين الرئيسين للغرافين وفي حالة تم الارتباط من جهة واحدة تتحول الغرافين على أنبوبة كربون نانوية بسبب الإجهاد الخارجي الغير متساوي على الشريحة . الغرافين المهدرج بالكامل يسمى الغرافان (Graphane) . يتمتع الغرافان بخواص عديدة:

• امتلاك قطاع محظور عريض.
• خواص ضوئية فريدة: عصابات امتصاص عريضة ضمن مجال الضوء فوق البنفسجي الأمر الذي يجعله نفوذاً للأشعة المرئية.
• زيادة لدونة شريحة الجرافيـن بسبب استبدال شبكة الروابط القوية العطرية برابطة واحدة فقط من روابط σ.
• يبين الشكل 2 بنية الغرافين

 

• الفلورة (Fluorination)

فلورة الغـرافين مماثلة لهدرجته ولكن بمقارنة طاقة الروابط نجد أن طاقة الرابطة C-F أدنى من C-H الأمر الذي يسهل عملية الحصول على الغرافين المفلور (fluorographene) مقارنة بالغرافان. يتم التحضير بتفاعل الغرافين لعامل فلورة (e.g., XeF2).يتمتع الغرافين المفلور بخاصية النفاذية للضوء ولكن في منطقة الأزرق فقط.

• الأكسدة(Oxidation)

تعد أكسدة الـغرافين من أعقد التفاعلات المطبقة لأن ذرة الأوكسجين تستطيع تشكيل رابطتين بدلاً من واحدة. من طرق الأكسدة المشهورة: الأكسدة المباشرة للغرافين بمؤكسد قوي جداً مثل حمض الكبريت المركز في وسط من حمض الآزوت. يعد أكسيد الغرافين (GO) من اهم منتجات أكسدة الـغرافين، ولوقتنا هذا لم يستطع العلماء من تحديد بنية محددة ومعرّفة لأكسيد الغـرافين .

يتمتع الغـرافين بخواص تفاعلية كبيرة لوجود الروابط الأوكسجينية ضمن بنيته ولعل أهم خواصه هي المواءمة البيولوجية وقابليته للتوافق بيولوجيا مع النسج الحية ويستخدم مع مواد سيراميكية مثل (Hydroxyapatite) كمولد للعظام في المناطق الميتة من المفاصل والعظام.

بعض تطبيقات الجرافين

• تخزين البيانات

تم تصميم ذاكرة عضوية التي تحوي شريحتين من الجرافـين بين طبقتين من البولي أميد بحيث تقوم الشريحتين كطبقة حجز للشحنات وتخزينها ضمن مصفوفة الذاكرة. يبين الشكل 3 الذاكرة العضوية.

 

• ديودات الغرافين GRAPHENE MOSFET

نظراً لحركية الشحن العالية للجرافين وسرعتها العالية حيث يؤمن النقل بين المنبع والمصرف ويقلل الضياعات مما يرفع كفاءة الديود يبين الشكل 4 ديود الجرافين

• الجرافين في الدارات المتكاملة (graphene-based integrated circuit)

قد توصل العلماء في IBMعام 2011 لتصنيع أول دارة متكاملة باستخدام الغـرافين وصُنفت هذه الدارة بأصغر دارة صُنعت في العالم وأسرعها من حيث نقل البيانات مما يجعلها تطبيقاً هاماً في مجال الاتصالات. يبين الشكل5 صورة ضوئية للدارة المتكاملة المصنعة.

• معرفة التسلسل الجيني ضمن ال DNA (Sequence DNA)

أكد العلماء أنه يمكن ل DNA النفاذ عبر ثقوب الغرافين وبالتالي من خلال حساب معاملات مثل السرعة وعرض الفتحة وكيفية التحرك والانزلاق وتغير عرض الدخول للفتحة من جين لأخر يمكن تحديد التسلسل الجيني6. يبين الشكل 6 نموذجا نظريا ل Sequence DNA

شكرًا لصفحة الإبداع في الكيمياء ومساهمتها في نشر العلم

المراجع:

1. Jorio, A., Dresselhaus, G., and Dresselhaus, M. S.. Carbon Nanotubes: Advanced Topics in the Synthesis, Structure, Properties and Applications. Springer-Verlag,Berlin, (2008).
 2. Panchakarla, L. S., et al., ACS Nano (2007) 1, 494.
 3. Koos, A. A., et al., Carbon (2010) 48, 3033.
 4. M. Terrones, A. G. Souza Filho, and A. M. Rao, Doped Carbon Nanotubes:Synthesis, Characterization and Applications Vol. 111, 531–566(Springer Topics inAppl. Phys., Springer, 2008).
 5. Rao, A. M., et al., Nature (1997) 388, 257.
 6. Villapando-Paez F., et al., Chem Phys Lett (2006) 424, 345.
 7. Subrahmanyam, K. S., et al., J Phys Chem C (2009) 113, 4257.
 8. Das B., et al., Chem Commun (2008) 5, 155.
 9. Panchakarla, L. S., et al., Adv Mater (2009) 21, 4726.
 10. Dresselhaus, M. S. and Dresselhaus, G., Adv Phys (1981) 30, 139.