علماء الفيزياء يسجلون براءة اختراع لإنتاج كميات كبيرة من الجرافين عن طريق تقنية التفجير
«كريس سورنسن» أستاذ بارز في الفيزياء من جامعة ولاية كنساس، وهو يحمل وعاء من الجرافين كُوّن عن طريقة براءة اختراع ظهرت في الآونة الأخيرة، وتحتوي على ثلاثة عناصر: غاز الهيدروكربون والأكسجين وشمعه اشتعال.
دعونا ننسى المواد الكيميائية، والمواد المحفزة وتكلفة الآلات؛ فقد اكتشف فريق الفيزيائيين من جامعة ولاية تكساس طريقة لإنتاج كميات كبيرة من الجرافين من ثلاثة مكونات: غاز الهيدروكربون، والأكسجين، وشمعة اشتعال.
منهجهم بسيط: ملء الغرفة بغاز الأسيتيلين أو الإثيلين والأكسجين، ثم استخدام شمعة اشتعال لخلق تفجير في الغرفة، ثم جمع الجرافين التي تشكل فيما بعد.
كريس سورنسن هو صاحب براءة الاختراع التي صدرت مؤخرًا، وهي: «عملية إنتاج الجرافين عبر تفجير المواد التي تحتوي على الكربون»، وذلك بالتعاون مع باحثين بجامعة ولاية كانساس، هم: نيبال أرجون باحث ما بعد الدكتوراه ومدرس للفيزياء، وجاجندر براساد سينغ؛ عالم المتقاعد.
يقول سورنسن: «لقد اكتشفت عملية قابلة للتطبيق لصنع الجرافين، إنها عملية لديها العديد من الفوائد الاقتصادية، ومن الممكن إنتاجها على نطاق واسع، كما ليس لها مخلفات كيميائية ضارة، مما يجعل هذه الطريقه أفضل للجميع؛ لأن الطاقة اللازمة لإنتاج غرام من الجرافين أقل بكثير من العمليات الأخرى، فكل ما يتطلبه الأمر هو شرارة واحدة».
الجرافين هو صفحه رقيقة من الكربون يعادل سمكها ذرة واحدة من الكربون فقط، ذات شكل بلوري سداسي، مما يجعلها أنحف مادة في العالم منذ تطويرها في عام 2004، وقد وجد العلماء لها خصائص فيزيائية وإلكترونية من الممكن استخدمها مع العديد من التطبيقات، من قبيل: بطاريات قابلة لإعادة الشحن أكثر كفاءة، أو الإلكترونيات. فهي من أجود أشباه الموصلات.
يقول فريق بحث سورنسن، إن طريقة صنع الجرافين بدأت عندما طُوّرت وسُجّلت براءات الاختراع لتحويل سناج وغبار الكربون إلى مواد هلامية (gel). وأنشأوا هذه المواد الهلامية عن طريق ملء غرفة بسبعة عشر لترًا من الألومنيوم مع غاز الأسيتيلين والأكسجين. وباستخدام شمعة الاشتعال (شرارة)؛ أنشأوا تفجيرًا في الغرفة. فتحول السناج من خلال التفجير إلى حبيبات هلامية، وقال سورنسن إن هذه العملية كانت تبدو مثل «كعكة الملاك الأسود».
ولكن بعد مزيد من التحليل، وجد الباحثون أن هذا االهباء الهلامي (الجل)، والذي كان يشبه (كعكة ملاك الظلام) كان: جرافينًا.
وأضاف «لقد صنعنا الجرافين صدفة» وقال سورنسن: «نحن لم نخطط لصنع الجرافين. خططنا لصنع هلام هباء الكربون ولقد حالفنا الحظ».
ولكن خلافا لغيرها من طرق تصنيع الجرافين، فإن طريقة سورنسن فعالة ومنخفضة التكلفة وبسيطة وقابلة للصناعة.
فهناك طرق أخرى لخلق الجرافين تنطوي على «طبخ» الجرافيت المعدني مع المواد الكيميائية مثل حمض الكبريتيك ونترات الصوديوم، برمنجنات البوتاسيوم أو الهيدرازين في درجات حرارة محددة. وبإضافة سائل من الهيدروكربونات لهذا الخليط عند درجة الألف المئوية في وجود عوامل محفزة.
هذه الأساليب تحتاج إلى طاقة كثيفة، بل وخطيرة، ويكون العائد منها منخفضًا، في حين أن سورنسن وفريقه يصنعون كميات كبيرة مع الحد الأدنى من الطاقة بدون استخدام المواد الكيميائية الخطيرة.
يقول نييال: «السحر الحقيقي من تجربتنا هو أننا نتمكن من إنتاج الجرافين بالغرام بدلا من ملليغرام».
الآن فريق البحث بما في ذلك جوستين رايت؛ طالب الدكتوراه في الفيزياء، والباحثة كامب هيل ببنسلفانيا يعملون على تحسين جودة الجرافين ونقل نطاق المختبر إلى المستوى الصناعي. إنها تُرقّي بعض المعدات لجعلها أسهل من أجل الحصول على الجرافين في غضون ثوانٍ بدل دقائق بعد التفجير. وأضاف سورنسن: إن الحصول على الجرافين بسرعة أكبر يمكن أن يحسن من جودته.
ترجمة: أحمد عزب
تدقيق: إسماعيل الحسناوي
