في الآونة الأخيرة نسبيا في العلوم والتكنولوجيا ظهرتمجال جديد يسمى تكنولوجيا النانو. إن آفاق هذا التخصص ليست واسعة فقط. انهم عظماء. الجسيم المسمى "نانو" هو قيمة تساوي واحد من المليار من القيمة. لا يمكن مقارنة هذه الأحجام إلا بأحجام الذرات والجزيئات. على سبيل المثال ، واحد من المليار من المتر يسمى نانومتر.
الاتجاه الرئيسي لمجال العلم الجديد
تشير تقنية النانو إلى تلك التيمعالجة المادة على مستوى الجزيئات والذرات. في هذا الصدد ، يسمى هذا المجال العلمي أيضًا بالتكنولوجيا الجزيئية. ما هو الدافع وراء تطورها؟ ظهرت تقنية النانو في العالم الحديث بفضل محاضرة لريتشارد فاينمان. في ذلك ، أثبت العالم أنه لا توجد عوائق أمام تكوين الأشياء مباشرة من الذرات.
أداة للتلاعب الفعالأصغر الجسيمات كانت تسمى المجمع. إنها آلة نانوية جزيئية يمكن استخدامها لبناء أي هيكل. على سبيل المثال ، يمكن تسمية المُجمِّع الطبيعي بالريبوسوم الذي يصنع البروتين في الكائنات الحية.
نطاق التطبيق
من المستحيل سرد جميع مجالات النشاط البشري حيث تُستخدم تقنية النانو اليوم بسبب قائمة رائعة للغاية. لذلك ، بمساعدة هذا المجال العلمي ، يتم إنتاج ما يلي:
- الأجهزة المصممة للتسجيل عالي الكثافة لأي معلومات ؛
- معدات فيديو متنوعة ؛
- أجهزة الاستشعار ، والخلايا الشمسية ، وترانزستورات أشباه الموصلات ؛
- المعلومات والحوسبة وتكنولوجيا المعلومات ؛
- الطباعة النانوية والطباعة الحجرية النانوية ؛
- أجهزة تخزين الطاقة وخلايا الوقود ؛
- تطبيقات الدفاع والفضاء والطيران ؛
- الآلات الحيوية.
في مثل هذا المجال العلمي مثل تكنولوجيا النانو ، فيتخصص روسيا والولايات المتحدة واليابان وعدد من الدول الأوروبية المزيد والمزيد من التمويل كل عام. هذا يرجع إلى الآفاق الواسعة لتطوير هذا المجال البحثي.
تتطور تقنية النانو في روسيا وفقًا لـالبرنامج الفيدرالي المستهدف ، والذي لا يوفر تكاليف مالية كبيرة فحسب ، بل يوفر أيضًا قدرًا كبيرًا من أعمال التصميم والبحث. لتحقيق المهام المحددة ، تتضافر جهود مختلف المجمعات العلمية والتكنولوجية على مستوى الشركات الوطنية وعبر الوطنية.
مواد جديدة
سمحت تقنية النانو للعلماء بالتصنيعصفيحة كربونية أصلب من الماس الذي لا يتجاوز سمكه ذرة واحدة. وهي مكونة من الجرافين. هذه هي أنحف مادة وأكثرها متانة في الكون بأسره ، والتي تنقل الكهرباء بشكل أفضل بكثير من سيليكون رقائق الكمبيوتر.
يعتبر اكتشاف الجرافين حقيقةحدثًا ثوريًا سيسمح بتغيير أشياء كثيرة في حياتنا. تتمتع هذه المادة بخصائص فيزيائية فريدة من نوعها لدرجة أنها تغير بشكل جذري فهم الشخص لطبيعة الأشياء والمواد.
تاريخ الاكتشاف
الجرافين هو بلورة ثنائية الأبعاد.هيكلها عبارة عن شبكة سداسية الشكل تتكون من ذرات الكربون. بدأت الدراسات النظرية للجرافين قبل وقت طويل من الحصول على عيناته الفعلية ، لأن هذه المادة هي الأساس لبناء بلورة ثلاثية الأبعاد من الجرافيت.
استخدام مواد جديدة
وفقًا للعلماء ، تعتمد أجهزة الاستشعار علىسيتمكن الجرافين من تحليل قوة وحالة الطائرة ، وكذلك التنبؤ بالزلازل. ولكن فقط عندما تترك مادة لها مثل هذه الخصائص المذهلة جدران المختبرات ، سيتضح في أي اتجاه سيذهب تطوير التطبيق العملي لهذه المادة. حتى الآن ، أصبح الكيميائيون والفيزيائيون ومهندسو الإلكترونيات مهتمين بالفعل بالقدرات الفريدة للجرافين. بعد كل شيء ، يمكن لبضعة جرامات فقط من هذه المادة أن تغطي مساحة مساوية لملعب كرة قدم.
الجرافين وتطبيقاته المحتملةتعتبر في إنتاج الأقمار الصناعية والطائرات خفيفة الوزن. في هذا المجال ، يمكن للمادة الجديدة أن تحل محل ألياف الكربون في المواد المركبة. يمكن استخدام المادة النانوية بدلاً من السيليكون في الترانزستورات ، وسيعطيها دمجها في البلاستيك الموصلية الكهربائية.
يتم أيضًا النظر في الجرافين وتطبيقاته فيقضايا تصنيع أجهزة الاستشعار. ستتمكن هذه الأجهزة ، التي تعتمد على أحدث المواد ، من اكتشاف الجزيئات الأكثر خطورة. لكن استخدام مسحوق المواد النانوية في إنتاج البطاريات الكهربائية سيزيد من كفاءتها بشكل كبير.
تمت مناقشة الجرافين وتطبيقاته فيالإلكترونيات الضوئية. ستصنع المادة الجديدة بلاستيكًا خفيفًا ومتينًا للغاية ، حيث ستحافظ الحاويات منه على الطعام طازجًا لعدة أسابيع.
من المتوقع أيضًا استخدام الجرافينصنع طلاء موصل شفاف ضروري للشاشات والألواح الشمسية وتوربينات الرياح التي تكون أقوى وأكثر مقاومة للإجهاد الميكانيكي.
بناءً على المواد النانوية ، سيتم الحصول على أفضل المعدات الرياضية والغرسات الطبية والمكثفات الفائقة.
الجرافين وتطبيقه مناسبان أيضًا لـ:
- الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة عالية التردد ؛
- أغشية اصطناعية تفصل بين سائلين في خزان ؛
- تحسين خصائص التوصيل للمواد المختلفة ؛
- إنشاء عرض على الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ؛
- تطوير تكنولوجيا جديدة لتسلسل الحمض النووي المعجل ؛
- تحسينات على شاشات الكريستال السائل ؛
- إنشاء الترانزستورات البالستية.
استخدام السيارات
وفقا للباحثين محددةتقترب كثافة طاقة الجرافين من 65 كيلو وات ساعة / كجم. هذا الرقم أعلى بـ 47 مرة من عدد بطاريات الليثيوم أيون الشائعة حاليًا. استخدم العلماء هذه الحقيقة لإنشاء جيل جديد من أجهزة الشحن.
بطارية الجرافين بوليمر - جهاز ، معيتم من خلالها الاحتفاظ بالطاقة الكهربائية بأكبر قدر ممكن من الكفاءة. حاليًا ، يتم تنفيذ العمل عليها من قبل باحثين من العديد من البلدان. حقق العلماء الإسبان تقدمًا كبيرًا في هذا الصدد. تتمتع بطارية الجرافين-بوليمر التي تم إنشاؤها بواسطتهم بسعة طاقة أعلى بمئات المرات من تلك الموجودة في البطاريات الموجودة. يتم استخدامه لتجهيز المركبات الكهربائية. يمكن للسيارة التي تُركب فيها بطارية الجرافين أن تقطع آلاف الكيلومترات دون توقف. لن يستغرق الأمر أكثر من 8 دقائق لإعادة شحن سيارة كهربائية عند نفاد مصدر الطاقة.
شاشات تعمل باللمس
يواصل العلماء استكشاف الجرافين وخلقهبينما أشياء جديدة لا مثيل لها. وهكذا ، وجدت المادة النانوية الكربونية تطبيقها في إنتاج شاشات اللمس ذات القطر الكبير. في المستقبل ، قد يظهر أيضًا جهاز مرن من هذا النوع.
الحصول على الجرافين
منذ عام 2004 ، عندما تم اكتشاف أحدث المواد النانوية ، أتقن العلماء عددًا من الأساليب لإنتاجها. ومع ذلك ، فإن أهمها الطرق:
- تقشير ميكانيكي
- النمو فوق المحور في الفراغ ؛
- التبريد الكيميائي لكل مرحلة (عملية CVD).
أول هذه الطرق الثلاث هو الأكثربسيط. إنتاج الجرافين عن طريق التقشير الميكانيكي هو تطبيق جرافيت خاص على السطح اللاصق لشريط العزل. بعد ذلك ، تبدأ القاعدة ، مثل الورقة ، في الانحناء والفك ، وتفصل المادة المطلوبة. عند استخدام هذه الطريقة ، يكون الجرافين من أعلى مستويات الجودة. ومع ذلك ، فإن مثل هذه الإجراءات ليست مناسبة للإنتاج الضخم لهذه المادة النانوية.
عند استخدام طريقة النمو فوق المحورتستخدم رقائق السيليكون الرقيقة ، الطبقة السطحية منها عبارة عن كربيد السيليكون. علاوة على ذلك ، يتم تسخين هذه المادة عند درجة حرارة عالية جدًا (تصل إلى 1000 كلفن). نتيجة لتفاعل كيميائي ، يتم فصل ذرات السيليكون عن ذرات الكربون ، حيث يتبخر أولها. نتيجة لذلك ، يبقى الجرافين النقي على اللوحة. عيب هذه الطريقة هو الحاجة إلى استخدام درجات حرارة عالية جدًا يمكن أن يحدث عندها احتراق ذرات الكربون.
بأكثر الطرق موثوقية وبساطة ، يتم تطبيقهالإنتاج كميات كبيرة من الجرافين ، هي عملية CVD. إنها طريقة يحدث فيها تفاعل كيميائي بين طلاء محفز معدني وغازات الهيدروكربون.
أين يتم إنتاج الجرافين؟
حتى الآن ، تقع أكبر شركة لتصنيع المواد النانوية الجديدة في الصين. اسم هذا المصنع هو Ningbo Morsh Technology. بدأ إنتاج الجرافين في عام 2012.
المستهلك الرئيسي للمادة النانوية هو Chongqing Morsh Technology. يستخدم الجرافين لإنتاج أغشية شفافة موصلة يتم إدخالها في شاشات اللمس.
الوصول إلى المنزل
هل من الممكن صنع الجرافين في المنزل؟ اتضح نعم! تحتاج فقط إلى استخدام خلاط مطبخ بقوة 400 واط على الأقل ، واتباع المنهجية التي طورها الفيزيائيون الأيرلنديون.
كيف تصنع الجرافين في المنزل؟للقيام بذلك ، اسكب 500 مل من الماء في وعاء الخلاط ، وأضف 10-25 مل من أي منظف و 20-50 جرامًا من الرصاص المسحوق إلى السائل. بعد ذلك ، يجب أن يعمل الجهاز من 10 دقائق إلى نصف ساعة ، حتى يظهر تعليق رقائق الجرافين. سيكون للمادة الناتجة موصلية عالية ، مما سيسمح باستخدامها في أقطاب الخلية الكهروضوئية. يمكن للجرافين المنتج في المنزل أيضًا تحسين خصائص البلاستيك.
أكاسيد المواد النانوية
يبحث العلماء بنشاط في مثل هذا الهيكلالجرافين ، والذي داخل أو على طول حواف شبكة الكربون قد تم إرفاق مجموعات وظيفية و / أو جزيئات تحتوي على الأكسجين. إنه أكسيد أصعب مادة نانوية وهو أول مادة ثنائية الأبعاد تصل إلى مرحلة الإنتاج التجاري. من الجسيمات النانوية والميكروية من هذا الهيكل ، صنع العلماء عينات بحجم السنتيمتر.
وهكذا ، فإن أكسيد الجرافين في تركيبة معحصل العلماء الصينيون مؤخرًا على الكربون المانع للخلع. هذه مادة خفيفة للغاية ، يتم وضع مكعب سنتيمتر منها على بتلات زهرة صغيرة. ولكن في الوقت نفسه ، فإن المادة الجديدة ، التي تحتوي على أكسيد الجرافين ، هي واحدة من أصعب المواد في العالم.
تطبيق الطب الحيوي
أكسيد الجرافين له خاصية فريدةالانتقائية. سيسمح هذا لهذه المادة بالعثور على تطبيقات طبية حيوية. لذلك ، بفضل عمل العلماء ، أصبح من الممكن استخدام أكسيد الجرافين لتشخيص السرطان. تجعل الخصائص البصرية والكهربائية الفريدة للمادة النانوية من الممكن اكتشاف الورم الخبيث في المراحل الأولى من تطوره.
يسمح أكسيد الجرافين أيضًا بالتسليم المستهدف للأدوية ووسائل التشخيص. بناءً على هذه المادة ، يتم إنشاء مستشعرات الامتصاص الحيوية التي تشير إلى جزيئات الحمض النووي.
تطبيق الصناعي
يمكن للمواد الماصة المختلفة القائمة على أكسيد الجرافينأن يتم تطبيقه لتطهير المواد الملوثة من صنع الإنسان والطبيعية. بالإضافة إلى ذلك ، هذه المادة النانوية قادرة على معالجة المياه الجوفية والسطحية ، وكذلك التربة وتنظيفها من النويدات المشعة.
يمكن أن توفر مرشحات أكسيد الجرافينغرفة فائقة النظافة حيث يتم إنتاج مكونات إلكترونية ذات أغراض خاصة. ستسمح لك الخصائص الفريدة لهذه المادة بالتغلغل في التقنيات الدقيقة للكرة الكيميائية. على وجه الخصوص ، يمكن أن يكون استخراج المعادن المشعة والنادرة والنادرة. وبالتالي ، فإن استخدام أكسيد الجرافين سيجعل من الممكن استخراج الذهب من الخامات الفقيرة.
