بخشی از مقاله
چکیده
ساختارهای کربنی گستره وسیعی از تنوع و کاربرد را به خود اختصاص داده اند انواع مختلف ساختارهای کربنی از قبیل گرافیت، گرافیت پیرولیتی با نظم بسیار بالا، فولرن، نانو الیافهای کربنی، نانولوله های کربنی و گرافن ها وجود دارند. گرافن به دلیل داشتن ویژگی های عالی مکانیکی، الکتریکی، دمایی ،اپتیکی ،مساحت سطحی بسیار بالا، غیر متراکم بودن و ... مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته اند.
با در نظر گرفتن توجه دانشمندان به گرافن و امید به کاربردهای مختلف آن در آینده نزدیک، تلاش های تحقیقاتی زیادی به روش های تولید، درک ساختار و خواص گرافن اختصاص داده شده است. هدف از این مقاله معرفی ساختار های کربنی ، خصوصیات و روش های تولید گرافن و مروری بر روند رشد و توصعه این مواد است.
-1 مقدمه
ساختارهای کربنی گستره وسیعی از تنوع و کاربرد را در شیمی به خود اختصاص داده اند. این گستردگی به دلیل شیمی خاص اتمهای کربن است.کربن در انواع میکروسکوپی مختلفی وجود دارد. ترکیباتی همچون گرافیت، الماس، کربن های بی شکل - آمورف - ، فولرن ، نانو الیاف کربنی، نانولوله های کربنی و گرافن از این دسته اند. گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد. فولرن به عنوان یک نانوماده ی صفر بعدی - D-0 - ، نانولوله های کربنی به عنوان نانوماده ی یک بعدی - D-1 - و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی - D-3 - درنظر گرفته میشوند [1] انواع فرم های کربنی، - A فولرن - ، - B نانولوله های کربنی، - C گرافن و - D گرافیت[1].
- 2 گرافن
گرافن ورقه ای دو بعدی از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی - لانه زنبوری - می باشد که اتم ها با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند. گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی است، که شامل فولرن به عنوان نانوماده صفر بعدی ، نانولوله های کربنی به عنوان نانوماده ی یک بعدی و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی می باشد.
گرافن، به عنوان یک لایه تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. ویژگی های برجسته ی گرافن که تاکنون گزارش شد ه اند عبارتند از : مدول یانگ بالا حدود 1100 گیگاپاسکال و مقاومت بالا در برابر شکست 125 گیگاپاسکال، تحرک پذیری بالای حاملان بار یا به عبارت دیگر رسانایی الکتریکی بالا 200000 Vs/cm2، رسانایی حرارتی خوب حدود 5000W/mK ، مساحت سطحی ویژه بالا و پدیده های انتقالی شگفت انگیزی همچون اثرکوانتومی.[2] تولید صفحات گرافن از نظر فنی کار بسیار دشواری است.
در طی سال ها تک لایه هایی از گرافیت در یک ساختار بزرگتر مانند ترکیبات بین لایه ای گرافیت با میکروسکوپ الکترونی عبوری دیده شدند. ساختارهایی که در واقع اکسید گرافن یا اکسید گرافن کاهش یافته بودند که با میکروسکوپ الکترونی دیده شدند. ساخت گرافن اکسید به سال 1859 برمی گردد.[3] با قرار دادن گرافیت در اسیدهای قوی، ماده ای بدست آمد که در آن زمان کربونیک اسید نام گرفت . برودی تصور می کرد که فرم جدیدی از کربن با وزن مولکولی 33 به نام گرافن کشف کرده است. ولی در واقع بعدها مشخص شد که او یک سوسپانسیون از بلورهای کوچک گرافن اکسید ساخته است.
روئس و ووگت میکروسکوپ الکترونی عبوری را به کار بردند و بعد از خشک کردن یک قطره از سوسپانسیون گرافن اکسید بر روی گرید TEM، تکه هایی با ضخامت کمتر از چند نانومتر مشاهده کردند.[4] بوئم و هوفمن جستجوی زیادی برای پیدا کردن نازکترین قطعه از گرافن اکسید کاهش یافته انجام دادند و تعدادی تک لایه پیدا کردند.[5] با شروع دهه 1970 گرافن تک لایه برای اولین بار بر روی سطح مواد دیگر با استفاده از روش رشد همبافته - Epitaxial Growth - تولید شد.
این گرافن ایجاد شده شامل یک شبکه شش ضلعی از اتم های کربن پیوند شده با هیبریدSp2 با ضخامت یک اتم بود. همچنین با شروع سال 1990 تلاش های بسیاری برای ایجاد فیلم های بسیار نازک از گرافیت با خراش دادن و یا مالش گرافیت در برابر یک سطح دیگر انجام شد . [6] تا سال 2004 هیچ ماده ی کربنی نازک تر از 50 تا 100 لایه تولید نشد .[7] در سال 2000، کیم و همکارانش روش ورقه شدن میکرومکانیکی را تا حدی اصلاح کردند و یک مداد با تکنولوژی بالا - Nanopencil - ایجاد کردند.
آنها یک میکروکریستال از گرافیت را به بازوی تیرک یک میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - متصل کردند و نوک این میکروکریستال را در طول یک ویفر سیلیکون - شبیه به نوشتن با یک مداد - خراش دادند. با این روش ماده ای به ضخامت چند ده لایه ی اتمی بدست آمد و مواد بدست آمده در واقع گرافیت نازک بود، نه گرافن. به این ترتیب کسی واقعا انتظار نداشت که چنین ماده ای - گرافن - در طبیعت وجود داشته باشد.[8]
کشف گرافن به سیل عظیمی از تحقیقاتی بین المللی منجر شده است. با این حال، مانند دیگر فرمهای دیگر تازه کشف شده از کربن، مانند فولرن ها و نانولوله های کربنی - - CNTs ، در دسترس بودن مواد و فرآیندپذیری، عوامل محدود کننده سرعت در مراحل ارزیابی کاربرد گرافن می باشد .[9] برای گرافن، یک چالش مهم، سنتز و تولید گرافن خالص با کیفیت و در مقیاس بالا می باشد .[10]
- 3 خصوصیات گرافن
با در نظر گرفتن توجه دانشمندان به گرافن و امید به کاربردهای مختلف آن در آینده نزدیک، تلاش های تحقیقاتی زیادی به درک ساختار و خواص گرافن اختصاص داده شده است. به طور کلی انتظار می رود که گرافن تنها از یک لایه تشکیل شده باشد، اما علاقه قابل توجهی برای تحقیق در مورد گرافن دو لایه و کم لایه نیز وجود دارد. گرافن های دو لایه و کم لایه به ترتیب شامل 2 و 3 تا 10 لایه از این ورقه های دو بعدی می باشند. ساختار گرافن شامل بیش از 10 عدد از این ورقه های دوبعدی به عنوان گرافن ضخیم در نظر گرفته شده و کمتر مورد علاقه دانشمندان می باشد .[11]
گرافن وضعیت خود را از یک ماده ی ناشناخته به یک ستاره پر فروغ در زمینه های مختلف علم و فن آوری تغییر داده است .[12] این بدلیل خصوصیات استثنایی گرافن شامل چگالی بالای جریان، حمل و نقل بالستیک، بی اثر بودن شیمیایی، هدایت حرارتی بالا، عبور نوری و آبگریزی فوق العاده در مقیاس نانومترمی باشد .[13] گرافن تک لایه به عنوان یک ورقه ی دو بعدی از اتمهای کربن که به صورت شبکه ای شش ضلعی کنار هم قرار گرفته اند تعریف شده است [14] .
گرافن دارای هیبرید sp2 می باشد و اتم های کربن سه پیوند قوی کووالانسی - - در صفحه تشکیل می دهد که ساختار شش ضلعی را تشکیل می دهند و همچنین دارای یک اوربیتال عمود بر صفحه می باشند که تشکیل پیوندهای خارج از صفحه را می دهند. این پیوند ها می توانند برهمکنش بین لایه های مختلف گرافن را در گرافن چندلایه کنترل کنند .[15] گرافن طبیعی یک شبه فلز یا یک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است و همچنین دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالا در دمای اتاق می باشد.
خواص نوری منحصر به فرد گرافن، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایه ی اتمی شده است. .[16] گرافن تک لایه همچنین به عنوان یکی از قویترین مواد در نظر گرفته می شود. با در نظر گرفتن این خواص جالب جدید گرافن انتظار می رود که مرزهای جدیدی در زمینه ی کاربردهای گرافن باز شود.[17] گرافن دو لایه به عنوان نیمه رسانای بدون گاف در نظر گرفته شده است.
گرافن تک لایه و دو لایه شفافیت بسیار بالا برای امواج نور در محدوده ی ماوراء بنفش تا مادون قرمز از خود نشان می دهند، و می توانند در ساخت الکترود های شفاف در سلول های خورشیدی کاربرد داشته باشند .[18] تجزیه و تحلیل ساختار باند - گاف انرژی - گرافن کم لایه، گافی را نشان نمی دهد. این ساختار به طور فزاینده ای با افزایش تعداد لایه ها فلزی می شود. چند لایه گرافن، مساحت سطح بسیار بالا، تقریبا قابل مقایسه با تک لایه گرافن را نشان می دهد .[19] چند لایه گرافن همچنین قابلیت خوبی برای عامل دار شدن با مواد مختلف به صورت کووالانسی و غیر کووالانسی از خود نشان می دهد که منجر به حل شدن آن در حلال های مختلف می شود .[20]
- 4 روش های ساخت انواع مختلف گرافن
در سال های اخیر تحقیقات زیادی برای توسعه رو شهای مختلف تولید گرافن صورت پذیرفته است. روش های مختلفی برای تولید گرافن و مشتقات شیمیایی آن از گرافیت و مشتقاتش وجود دارد که هر یک مزایا و معایبی دارند. به طور کلی انتظار می رود که گرافن تنها از یک لایه تشکیل شده باشد، اما تحقیق در مورد گرافن دو لایه و کم لایه نیز وجود دارد.
روش های سنتز گرافن کلا به چهار روش کلی تقسیم شده است که عبارت اند از : رسوبدهی شیمیایی بخار - CVD - و رشد های همبافته، لایه برداری میکرومکانیکی از گرافیت، رشد همبافته در سطوح الکتریکی عایق مانند SiC و ایجاد تعلیق کلوئیدی از گرافن ساخته شده از گرافیت، مشتقات گرافیت - مانند اکسید گرافیت - و ترکیبات بین لایه ای گرافیت. لایه لایه کردن الکترو مکانیکی منجر به تولید مقادیر اندکی گرافن می شود که می توانند در مطالعات بنیادی مورد استفاده قرار بگیرند. .[21]
تجزیه حرارتی ویفر SiC تحت خلاء بالا روش دیگری برای تهیه گرافن می باشد. این روش نیاز به درجه حرارت بالا بیش از 1100 درجه سانتیگراد برای تصعید سیلیکون دارد و کربن های باقی مانده به شکل گرافن مرتب می شوند. نقطه ضعف این روش بسیاری نقص ساختاری در لایه ها می باشد. علاوه بر آن انتقال به بستر های دیگر دشوار است. همچنین، نیاز به شرایط خلاء بالا دارد و در نتیجه گران است .[22] ایجاد تعلیق کلوئیدی از گرافیت و مشتقات گرافیت - مانند اکسید های گرافیت، ترکیبات بین لایه ای گرافیت و گرافیت بسط پذیر روش دیگری برای سنتز گرافن می باشد.
اگر ماده شروع کننده گرافیت باشد، تعلیق کلوئیدی از گرافن می تواند در حلال های مختلف به دست آید اما گرافن به دست آمده با غلظت کم در اندازه ی کوچک می باشد. همچنین باقی مانده ی حلال ها ممکن است بر روی سطح گرافن باقی بماند و کاربردهای آن را محدود کند. از جمله ویژگی های این روش می توان به مقیاس پذیری، انطباق پذیری و سازگاری آن با روشهای عامل دار کردن شیمیایی اشاره کرد، همچنین استفاده از آن، امکان تولید در مقیا سهای بالا را نیز فراهم می آورد .همه ی این ویژگی ها بدین معناست که می توان از روش در محدود هی وسیعی از کاربردها بهره بردHaggenmueller.[23] و همکاران در مقاله ای در سال 2009 به بررسی اثر پلی متیل متاکریلات با نانوگرافت / اکسید روی / نانو نقره بر روی سطح پرداختند.
وی با افزودن 8 درصد وزنی نانوذرات به پلیمر، % 54 افزایش استحکام کششی و % 94 افزایش مدول را گزارش کرد .پژوهشهای بسیاری هم درباره تقویت الیاف پلی پروپیلن با این نانوذرات انجام شده است. Kearn و همکاران در مقاله ای در سال 2005 به تقویت الیاف پلی پروپیلن را با نانو گرافن و اکسید روی همراه با دیسپرس کننده CTAB به روش اختلاط در حلال مطالعه کرده و % 40 افزایش استحکام کششی و % 55 افزایش مدول را گزارش کرده اند.
Moore و همکاران در مقاله ای به بررسی اثر تقویت منندگی الیاف نایلون با نانوگرافن را مطالعه کرده اند . اگرچه پژوهشهای زیادی درباره تقویت خواص مکانیکی الیاف انجام شده است، ولی به دست آوردن خواص مکانیکی مطلوب تر و پراکنش بیشتر نانولوله های کربنی در درون زمینه پلیمری و همچنین بررسی اثر شرایط مختلف اختلاط و تولید الیاف بر خواص مکانیکی الیاف هنوز هم مورد توجه پژوهشگران مختلف است.
