الجرافين: أقوى 200 مرة من الفولاذ ، وأخف 1000 مرة من الورق

بسمك ذرة واحدة فقط ، تقوم ورقة من الجرافين بفحص جميع صناديق مادة فائقة الجودة:

 

الجرافين أقوى 200 مرة من الفولاذ بالوزن.

إنه أخف 1000 مرة من الورق.

إنها شفافة بنسبة 98 بالمائة.

إنها توصل الكهرباء بشكل أفضل من أي مادة أخرى معروفة في درجة حرارة الغرفة.

يمكنه تحويل الضوء عند أي طول موجي إلى تيار.

وأخيرًا وليس آخرًا ، يتكون الجرافين من الكربون ، وهو رابع أكثر العناصر وفرة في الكون ، لذلك من غير المحتمل أن ينفد

يحصل الجرافين على قوته الخارقة من هيكله. إذا كان بإمكانك التكبير بشكل قريب بما فيه الكفاية ، فسترى أن ورقة الجرافين تبدو وكأنها قرص عسل ذري. يتم ترتيب ذرات الكربون الفردية في نمط سداسي يشبه سلك الدجاج. كل ذرة كربون في ورقة من الجرافين مرتبطة تساهميًا بثلاثة عناصر كربون أخرى ، مما يمنح المادة قوتها المذهلة.

 

لماذا يقوم الجرافين بتوصيل الكهرباء بشكل جيد؟ مرة أخرى ، بسبب الطريقة التي ترتبط بها ذرات الكربون. تحتوي كل ذرة كربون على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي ، لكن ثلاثة فقط من هذه الإلكترونات مشتركة مع ثلاث ذرات كربون مجاورة لها. يُطلق على الإلكترون المتبقي اسم إلكترون pi وهو حر في التحرك في فضاء ثلاثي الأبعاد ، مما يسمح له بنقل الشحنات الكهربائية عبر ورقة الجرافين دون أي مقاومة تقريبًا. في الواقع ، يعد الجرافين أسرع موصل للكهرباء في درجة حرارة الغرفة لأي مادة معروفة.

لا تزال الموصلية الفائقة على بعد عقود ، لكن المنتجات الثورية القائمة على الجرافين ستطرح في السوق في وقت أقرب بكثير ، كما تقول أندريا فيراري ، أستاذة تكنولوجيا النانو ومديرة مركز كامبريدج للجرافين.

 

يقول فيراري: "بحلول عام 2024 ، ستكون هناك مجموعة متنوعة من منتجات الجرافين في السوق ، بما في ذلك البطاريات والضوئيات وكاميرات الرؤية الليلية والمزيد."

 

ينتظر المستهلكون بفارغ الصبر البطاريات التي تعتمد على الجرافين منذ سنوات. بطاريات الليثيوم أيون الموجودة في جميع أجهزتنا بطيئة نسبيًا في الشحن ، وتفقد عصيرها بسرعة وتحترق بعد عدد محدد من الدورات. ذلك لأن العملية الكهروكيميائية التي تشغل بطاريات الليثيوم أيون تولد الكثير من الحرارة.

 

ولكن نظرًا لأن الجرافين هو أكثر الموصلات الكهربائية كفاءة في العالم ، فإنه ينتج حرارة أقل بكثير عند شحن أو تفريغ الكهرباء. تعد البطاريات التي تعتمد على الجرافين بسرعات شحن أسرع بخمس مرات من بطاريات الليثيوم أيون ، وعمر بطارية أطول بثلاث مرات ، وخمس مرات عدد الدورات قبل الحاجة إلى استبدالها.

 

تعمل شركات الإلكترونيات مثل Samsung و Huwei بنشاط على تطوير بطاريات تعتمد على الجرافين للهواتف الذكية وغيرها من الأدوات ، ولكن أقرب تلك البطاريات ستطرح في السوق عام 2021. أما بالنسبة لبطاريات الجرافين في السيارات الكهربائية - والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من نصف قطر قيادتها - فلا يزال هذا قليلًا. سنوات. تم بناء صناعة كاملة على تقنية الليثيوم أيون ولن تتغير بين عشية وضحاها.

 

يقول جيسوس دي لا فوينتي ، الرئيس التنفيذي لشركة Graphanea ، وهي شركة تصنع وتبيع الجرافين النقي والرقائق القائمة على الجرافين للباحثين الأكاديميين وأقسام البحث والتطوير: "صناعة البطاريات متحفظة للغاية". "قد يغير تكوين البطاريات عدة مرات كل خمس إلى عشر سنوات ، مما يجعل من الصعب للغاية إدخال منتجات جديدة في هذه الصناعة."

 

هناك عدد قليل من البطاريات القائمة على الجرافين في السوق ، بما في ذلك بعض أجهزة الشحن السلكية واللاسلكية من شركة تسمى Real Graphene ، ولكن هذه ليست سوى قمة جبل الجليد ، كما يقول فيراري ، وهو أيضًا مسؤول العلوم والتكنولوجيا في شركة الجرافين الرائدة. ، وهو تعاون بقيمة مليار يورو من قبل الاتحاد الأوروبي لتسريع تطوير تقنية الجرافين. يقوم شركاء الأبحاث مع Flagship بالفعل بتصنيع بطاريات الجرافين التي تتفوق على أفضل الخلايا عالية الطاقة اليوم بنسبة 20 بالمائة من السعة و 15 بالمائة من الطاقة. قامت فرق أخرى ببناء خلايا شمسية تعتمد على الجرافين ، وهي أكثر كفاءة بنسبة 20 في المائة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.