نانو مواد دو بعدی: گرافن، مشتقات، سنتز و کاربرد ها

نانو مواد دو بعدی چگونه موادی هستند؟

پیش از هر چیز باید بدانید که ما در طبیعت، عملا هیچ ماده دو بعدی نداریم و همه مواد سه بعدی هستند. یعنی علاوه بر داشتن طول و عرض، حتما ارتفاع هم دارند اما گاهی نسبت این ابعاد چنان بزرگ است که عملا بعد سوم (ارتفاع) قابل صرف نظر کردن است.

به عنوان مثال، یک کارتن مقوایی را در نظر بگیرید که یک متر طول، یک متر عرض و یک متر ارتفاع دارد. هیچ عقل سالمی قبول نمی کند که این کارتن سه بعدی نباشد. حالا یک صفحه کاغذ به طول یک متر و عرض یک متر در نظر بگیرید. در اینجا، ارتفاع کاغذ چیزی کمتر از 1 میلی متر است.

در این مورد، نسبت طول به ارتفاع چیزی در حد 1,000,000 برابر است. پس با یک تقریب ساده می توان از ارتفاع کاغذ (ضخامت آن) نسبت به طول و عرض اش صرف نظر کرد و آن را مثل یک جسم دو بعدی در نظر گرفت. این صرفا یک تقریب ساده بوده و عملا واقعیت ندارد اما کار را راحت تر می کند.

در مورد نانو مواد دو بعدی نیز همین قضیه صادق است. این مواد به صورت صفحاتی هستند که می توان از ضخامت شان در مقابل طول و عرضی که دارند صرف نظر کرد و آن ها را موادی دو بعدی در نظر گرفت. با این پیش زمینه به سراغ معرفی چند نانو ماده دو بعدی می رویم.

گرافن، صفحه کربنی شگفت انگیز

گرافن در حقیقت یک صفحه از جنس کربن است که در آن، اتم های کربن به صورت ساختار های شش ضلعی منظم به هم متصل شده و یک صفحه را ایجاد کرده اند. معمولا در مقالات علمی، گرافن را به صورت Gr نمایش می دهند. البته باید بدانید که وجود یک صفحه تک لایه کربنی از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است و این صفحات معمولا به صورت چند لایه ای وجود دارد.

نمایی از صفحه گرافن

در این ساختار، هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر و یک اتم هیدروژن پیوند دارد. این نانو ساختار را می توان از لایه لایه کردن گرافیت (ساختار با تعداد زیاد لایه های کربنی، مثل مغز مداد) تهیه کرد. البته روش های شیمیایی زیادی نیز برای تهیه این ساختار ایجاد و امتحان شده است.

یکی از ویژگی های بسیار جالب در مورد گرافن، داشتن نسبت سطح به حجم بسیار بالای آن است به طوری که در 1 گرم از این ماده سطحی به اندازه 2630 متر مربع، در دسترس می باشد. این سطح برای جذب عوامل مختلف مناسب بوده و یک مزیت بزرگ به حساب می آید.

مزیت دیگر این نانو ذره، قدرت بسیار بالای پیوند های آن و در نتیجه آن، سختی بسیار بالا می باشد. به طوری که یک لایه گرافنی به لحاظ مقاومتی با یک صفحه به همان اندازه از جنس فولاد رقابت می کند. از طرف دیگر، این صفحات بسیار انعطاف پذیر می باشند و قابلیت تا زدن و لوله شدن را دارند.

ویژگی دیگر این نانو ذرات، رسانایی الکتریکی و گرمایی آن هاست. گرافن می تواند جریان برق را به راحتی منتقل کند و می تواند در ساخت کیت های الکتریکی انعطاف پذیر استفاده شود.

گرافن اکسید چیست؟

گرافن اکسید در واقع صفحه ای از گرافن است که توسط اکسیژن به صورت گروه های عاملی کربونیل و کربوکسیلیک اسیدی، هیدروکسیلی و یا اپوکسیدی عامل دار شده باشد. به تصویر زیر توجه کنید:

نمای گرافن اکسید

گرافن اکسید که آن را با GO نیز نشان می دهند یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین موادی است که هم می توان آن را از گرافن تهیه کرد و همچنین خودش می تواند ماده اولیه ساخت گرافن باشد (واقعا جالبه). در این نوع ساختار، فاصله بین صفحات بیشتر از گرافن بوده و خود این قضیه باعث به وجود آمدن ویژگی های منحصر به فردی در آن می شود.

البته وجود گروه های عاملی اکسیژن دار نیز، موجب می شود تا توانایی این ماده برای جذب عوامل قطبی افزایش پیدا کند. این پدیده بر حل شوندگی آن نیز تاثیر گذار بوده و حلالیت آن در مواد قطبی را نیز افزایش می دهد.

نقاط کوانتومی گرافن (کوانتوم دات های گرافنی)

کوانتوم دات های گرافنی در واقع قطعه های بسیار کوچک گرافن هستند که ساخت آن ها بسیار سخت بوده و ویژگی های منحصر به فردی نیز دارند. در مقالات علمی، موانتوم دات های گرافنی را با GQD نمایش می دهند. کوانتوم دات های گرافن خواص مشابه با گرافن نشان می دهند و ماده اولیه مناسبی برای کاربرد های الکتریکی و اپتیکی به حساب می آیند.

نمایی از ساخت کوانتوم دات گرافن اکسید

این نانو ذرات را می توان به روش بالا به پایین یا پایین به بالا سنتز کرد. در یکی از روش های می توان از شکستن مداوم گرافن اکسید استفاده کرد. این روش برای تهیه ذرات هم اندازه مناسب نیست و معمولا توزیع پهنی از ابعاد ذرات را ایجاد می کند.

البته روش های دیگری مثل، اولترا سونیک، میکروویو، روش حرارتی و… نیز وجود دارد که نتایج بهینه تری ایجاد می کنند. از این ماده در برخی فرآیند های دارورسانی، ساخت لوازم الکتریکی، ساخت قطعات اپتیکی و … استفاده می شود.

نانو ربان های گرافنی

نانو ربان گرافنی در حقیقت یک برش طویل از گرافن است. فرض کنید یک صفجه کاغذ آ4 دارید. اگر یک برش باریک به پهنای نیم سانتی متر از آن را بردارید در واقع یک روبان از جنس کاغذ ساخته اید. حالا همین اتفاق را در مورد یک صفحه گرافنی نیز تصور کنید.

نمایی از نانو ربان گرافنی

در مقالات علمی، نانو ربان های گرافنی را به صورت GNR نمایش می دهند. این مواد برای ساخت قطعات ذخیره کننده الکتریسیته بسیار مناسب هستند چرا که در هر گرم از آن ها به طور تقریبی 1130 میلی آمپر قابل ذخیره سازی می باشد.

روش های مختلفی برای سنتز این نانو ذرات وجود دارد؛ یکی از این روش ها، استفاده از ترسیب بخارات شیمیایی (CVD) می باشد؛ اما روش های دیگری مثل آن زیپ کردن ساختار های لوله ای و… نیز وجود دارد.