شکل گیری عصر گرافین و اثرات این ماده بر تجربیات موبایلی ما

حتما تا به حال نام «گرافین» به گوشتان خورده است. دانشمندان از زمان کشف این ماده تا به امروز مشغول بررسی پتانسل های آن برای تغییر دنیا بوده اند. حقیقت این است که از این ماده می توان در حوزه های گسترده ای بهره گرفت که از هوا و فضا گرفته تا ساخت دستگاه های نانو را در بر می گیرند.

اما گرافین دقیقا چیست؟ خواص این ماده کدامند و جالب ترین موارد مصرفش چه می توانند باشند؟ سوال آخر اینکه گرافین چطور می تواند تکنولوژی های موبایل را متحول نماید؟

گرافین؛ نخستین در نوع خود

گرافین نخستین  ماده دو بعدی شناخته شده در دنیاست. اغلب مواد موجود در طبیعت ساختاری متشکل از چینش سه بعدی اتم ها دارند، در حالی که گرافین از یک لایه اتم های کربن ساخته شده. در واقع می توان اینطور گفت که ماده مورد بحث صفحه ای از کربن است که قطری به اندازه یک اتم دارد.

در سال 2004 میلادی، دو استاد دانشگاه منچستر به نام های آندره گیم و کاستیا نواسلو توانستند گرافین را از گرافیت که شکل دیگری از کربن به شمار می رود مشتق کنند.

آنها به واسطه همین دستاورد توانستند در سال 2010 میلادی جایزه نوبل را دریافت نمایند (در نتیجه نواسلو عنوان یکی از جوان ترین دارندگان جایزه نوبل در رشته فیزیک را دریافت کرد).

همین دستاورد علمی در نهایت به تاسیس موسسه ملی گرافین انگلستان انجامید که هدفش پیشبرد هر چه بیشتر تحقیقات در رابطه با این ماده بود. شاید باورش برایتان دشوار باشد اما این ماده سمی نخستین بار با انجام یک فرایند بسیار ابتدایی از طریق نوارچسب های شیشه ای معمول به دست آمد که در ادامه می توانید شرح تصویری این کشف را مشاهده نمایید.

در جریان این فرایند دانشمندان نوار چسب را به صورت تکراری روی یک رشته زغال (کربن) قرار می دادند که با این کار، در هر مرتبه از صخامت کریستال کربن کاسته و در نهایت گرافین با ضخامت یک اتم به دست آمد.

این لایه از اتم ها ساختاری دو بعدی شبیه به لانه زنبور را تشکیل دادند. جالب است بدانید که چنین شیوه ای در شرایط خانه نیز جواب می دهد و می تواند شما را به جواب برساند؛ اگر دوست دارید این کار را امتحان نمایید به یک عدد نوار چسب شیشه ای، یک میکروسکوپ و مغز مداد نیاز خواهید داشت.

بد نیست بدانید که گرافین کلیه مزایای کربن را حفظ کرده و برای مثال هم سبک است و هم محکم؛ حتما می دانید که فیبرهای کربنی (ترکیب قماش کربنی با رزین اپوکسی تحت فشار جوی) به خاطر بهره مندی از همین خواص توانستند صنایع فضایی و اتومبیل را متحول نمایند.

فیبر کربنی همچنین مدتی است که به صنایع موبایل هم راه یافته و شرکت هایی نظیر دل و لنوو از شاسی های ساخته شده با این ماده در لپ تاپ های تولیدی شان که محکم تر و سبک تر از انواع معمول هستند بهره می گیرند.

آیا گرافین همان ابرقهرمانی است که منتظرش بودیم؟

تحقیقات صورت گرفته روی خواص مختلف و موارد مصرف گرافین نشان می دهند که پتانسیل های این ماده می توانند بدون مرز باشند. در زمینه تکنولوژی موبایل، موارد مصرف این ماده از ساخت نمایشگرهای شفاف و منعطف گرفته تا نسل جدید باتری ها را در بر می گیرد که قادرند بیشتر از زمان مورد انتظار ما دوام بیاورند.

باتری های ابرخازنی مبتنی بر گرافین

نسل جدید باتری ها به جای پیل های الکتروشیمیایی (مثلا باتری های لیتیومی-یونی) از ابرخازن ها بهره خواهند گرفت که می توانند انرژی را به جای ایجاد یک واکنش شیمیایی کنترل شده درون یک میدان الکتریکی ذخیره نمایند.

ابرخازن ها قادرند با سرعت بیشتری شارژ شوند (شاید چند ثانیه) و نسبت به باتری ها در طیف وسیع تری از دماها دوام می آورند و پایداری شان بیشتر است. آنها همچنین قیمت بالاتری هم دارند.

در حال حاضر ابرخازن ها از سطح وسیع کربن فعال بهره می گیرند که به ذخیره سازی و تخلیه بار جریان های الکتریکی کمک می کند. عملکرد این خازن ها حتی در کنار گرافین (که آن نیز از کربن ساخته شده) از این هم بهتر خواهد شد چراکه این ماده به خاطر ساختار دو بعدی اش سطح وسیع تری دارد.

تا به امروز قیمت گرافین صنعتی رنج متغیری داشته است اما کمترین قیمت اعلام شده برای آن با کربن فعال برابری می کند و این یعنی ماده یاد شده می تواند صرفه اقتصادی بیشتر ابرخازن ها را بعد از بالا رفتن حجم تولیدشان به دنبال داشته باشد.

ابرخازن های ارزان قیمت عاقبت به ساخت باتری هایی می انجامند که دوامشان به مراتب بالاتر بوده و در یک چشم بر هم زدن شارژ می شوند

این روزها نیاز به تکنولوژی های بهتر در زمینه باتری به شدت احساس می شود. به لطف گرافین اما ابرخازن های ارزان قیمت می توانند به ساخت باتری هایی بیانجامند که برای مدت به مراتب طولانی تری دوام آورده و در یک چشم بر هم زدن هم شارژ می شوند.

این پیشرفت ها علاوه بر اینکه دست آخر به بهبود تجربه کاربری می انجامند می توانند به نفع محیط زیست هم باشند؛ به این ترتیب انرژی های ذخیره شده به شیوه بهتر و با بهره وری بالاتر مورد استفاده قرار می گیرند (و در نهایت به کم شدن هزینه هایمان می انجامند). علاوه بر این، تولید باتری به جای آنکه روی لیتیوم استوار باشد، حول منابعی صورت می گیرد که سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند و به وفور هم در طبیعت یافت می شوند.

نمایشگرهای منعطف/تاشو

نمایشگرهای منعطف و نیمه شفاف پیشتر توسط شرکت هایی نظیر ال جی معرفی شده بودند و آنطور که از روی شایعات می توان حدس زد، سامسونگ نیز در نظر دارد یک تلفن هوشمند منعطف را در آینده معرفی کند. در این نوع نمایشگرها از یک لایه نازک OLED استفاده خواهد شد که درون یک صفحه منعطف از پلاستیک کار گذاشته شده.

از نظر علم مواد هم باید بگوییم، تیمی به رهبری یکی از کاشفان گرافین (کاستیا نواسلو) توانسته اند نوعی نیمه رسانای LED دو بعدی بسازند که از LED و گرافین فلزی در سطح اتمی بهره می گیرد و شکلی بی نهایت نازک دارد.

البته اینکه تکنولوژی های نوین یاد شده در دنیای واقعی چه عملکردی را از خود به نمایش خواهند گذاشت مساله ایست که فعلا برای اظهار عقیده در باره آن زود است.

هرچند این شکل تازه از نمایشگر ظرف 5 سال آینده به مشتریان ارائه خواهد شد با این همه، هنوز مشخص نیست که تقاضا برای نمایشگرهای شفاف و منعطف در بازار مصرفی چقدر خواهد بود.

آیا چیپ های سیلیکونی به پایان خود نزدیک شده اند؟

تحقیقات روی خاصیت رسانایی گرافین نشان می دهد که می توان با دستکاری این ماده در دمای اتاق آن را به به یک ابر رسانا بدل کرد (برای نمونه با افزودن ناخالصی های کنترل شده به ساختار لانه زنبوری این ماده).

این یافته ها نشان میدهند که مصرف گرافین در تکنولوژی های کامپیوتری مختلف افزایش یافته و برای بهبود سرعت و بهره وری آنها احتمالا به این ماده رجوع خواهد شد (به خصوص برای کاهش دما). خبر خوب دیگر اینکه تحقیقات در این زمینه نیز روز به روز بیشتر می شود و نتایج به دست آمده از این تحقیقات حکایت از آن دارند که استفاده از لایه های گرافین به میزان زیادی عملکرد حرارتی میکرو پردازنده ها را بهبود می بخشد.

در بررسی های انجام شده، دانشمندان موفق گردیدند دمای عملیاتی این تراشه ها را بیش از 13 درجه سانتی گراد پایین بیاورند و با هر ده درجه کاهش دما، میزان بهره وری انرژی آنها نیز دو برابر می شد. این یعنی گرافین و دیگر مواد دو بعدی کشف شده عاقبت می توانند چیپ های سیلیکونی را متحول نمایند.

ممکن است برخی از شما بگویید که «پیشتر هم شایعاتی در مورد گرم شدن بیش از اندازه نسل نخست چیپست اسنپدراگون 810 که بعد ها در نسل دوم مرتفع گردید، به گوشتان خورده است. نتیجه مهم این تحقیقات چیست و چرا باید از شنیدن آن هیجان زده شد؟»

پتانسیل های گرافین فراتر از هر پیشرفت قابل توجهی دیگری است که در تلفن های هوشمند (از نسلی به نسل بعدی) شاهدش هستیم. گرافین این پتانسیل را دارد که چشم انداز اَبَرمحاسبات را در رشته هایی نظیر پیش بینی آب و هوای جهانی، علوم فضایی، تحلیل داده های عظیم و تحقیقات در زمینه هوش مصنوعی متحول نماید. همه اینها رشته هایی هستند که در آنها داشتن توان پردازشی بیشتر و بهره وری بالاتر بسیار مورد نیاز است.

با توجه به شکل گیری مبحث اینترنت اشیاء در دهه اخیر، به نظر می آید که تقویت توانمندی های در زمینه پردازش اطلاعات و بالا بردن سرعت ارتباط اینترنتی می تواند نقش بسزایی را در زندگی روزمره ما ایفا نماید.

خاصیت ابر رسانایی گرافین یکی از خصوصیات کلیدی این ماده است که به بالا بردن سرعت پردازش اطلاعات منجر خواهد شد.

تلفن های هوشمند نیز ظاهرا شکل امروزی خود را حفظ خواهند کرد و به نظر نمی آید که تغییر محسوسی در سرعت عملیاتی روزانه این دستگاه ها حاصل شود، علت هم این است که پردازنده های کنونی به اندازه کافی سریع هستند و نیاز به ارائه انواع سریع تر آنها فعلا احساس نمی شود.

با این همه، پیش بینی می شود که با ورود کاربردهای گرافین به بازار، شاهد ارائه دستگاه های مختلفی همچون گوگل گلس به سبکی یک پر یا اسمارت واچی با قطر بسیار کم باشیم که در کنار تلفن های هوشمند مورد استفاده قرار خواهند گرفت و البته همه دستگاه ها هم به شکلی کارامد و موثر با هم تعامل خواهند داشت.

صرفا کافیست که بهبودهای ایجاد شده در قابلیت تشخیص کلاک کورتانا، سیری و گوگل ناو را ظرف دو سال اخیر در نظر بگیرید و آن را در صد ضرب نمایید.

این سه دستگاه در کنار پیشرفت هایی که در پردازش ابری و سرعت اتصال اینترنتی شاهد خواهیم بود قادر خواهند بود که دستیارهای موبایلی مختلفی را میزبانی کنند که هوش مصنوعی هر کدام به صورت اختصاصی برایش بهینه سازی شده است و انسان نیز می تواند به شکل طبیعی با آنها تعامل داشته باشد.

صرفا کافیست که بهبودهای ایجاد شده در قابلیت تشخیص کلام کورتانا، سیری و گوگل ناو را ظرف دو سال اخیر در نظر بگیرید و آن را در صد ضرب نمایید.

اما شاید بهتر باشد نگاهمان را از تلفن های هوشمند فراتر ببریم. چندی است که خبرهایی از توسعه نوعی آرایه چند الکترودی مبتنی بر گرافین (MEA) شنیده می شود که می توان در جراحی های کاشتنی از آنها بهره گرفت.

اینها بخش هایی کلیدی از چیزی هستند که تحت عنوان اینترفیس مغز-ماشین (BMI) در علوم عصب شناسی از آنها یاد می گردد. هدف این تکنولوژی در واقع این است که با ارسال محرک های الکتریکی به بخش های مشخصی از مغز، فقدان اطلاعات در نتیجه بیماری های عصبی را جبران نموده و به بیمارانی کمک کند که به تشنج یا بیماری های مختلف کنترل حرکتی مبتلا هستند.

این آرایه ها (MEA) در اصل از خاصیت ابر رسانایی گرافین بهره می گیرند و علاوه بر انتقال سریع اطلاعات، سازگاری بیولوژیکی خوبی هم با بدن دارند.

اما این جهت گیری تازه در نوع خود بسیار جالب توجه است. Hiroshi Lockheimer مدیر فعلی واحد اندروید در گوگل چندی پیش توئیتی را در مورد ساخت یک دستگاه فراصوتی ساخته شده برای کل بدن ارسال کرد که با گلکسی اس 6 اج کار می کند.

او مدعی شد که اهالی گوگل در سال 2008 و زمانی که نخستین تلفن هوشمند اندرویدی را ساختند تصور چنین دستگاهی را در سر نداشتند. همچنین به لطف گرافین و دیگر پیشرفت های صورت گرفته، انتظار می رود که روزی دستگاه های اندرویدی همراه با دستیارهای کاملا شخصی شده ارائه گردند.

چالش ها کدامند؟

آینده ای که در این مطلب پیش روی شما قرار دادیم و نحوه اثرگذاری تکنولوژی های موبایل بر زندگی مان رمانی با عنوان Brave New World به قلم Huxley را در ذهن تداعی می کند که البته بحث در رابطه با آن در این مجال نمی گنجد. سوال اینجاست که چالش های صنعتی برای استفاده گسترده از گرافین کدامند؟

البته نیازی به کنار زدن همه چالش های پیش رو نیست. در واقع هزینه های تولید، حجم تولید و مقاومتی که از سوی تکنولوژی های کنونی مشاهده می شود از جمله چالش های کلیدی هستند که باید برای تولید دستگاه های مبتنی بر گرافین و رواج آنها کنار زده شوند.

آیا گرافین همان ابر ماده ایست که انتظارش را می کشیدیم؟ پاسخ کوتاه به این سوال بله است اما برای آنکه گرافین صنعت پخته و جا افتاده سیلیکون را کنار بزند به زمان زیادی نیاز است.

درست همانطور که OLED تکنولوژی غالب در زمینه صفحه نمایش نیست (حتی با وجود برتری اش)، لازم است که تکنولوژی های مبتنی بر گرافین بر مقاومت صنعت سیلیکون غلبه نمایند.

در حال حاضر شبکه بزرگی از شرکت ها در سرتاسر دنیا وجود دارند که مدارهای مجتمع سیلیکونی با قیمت پایین و کیفیت بالا می سازند. در واقع نوعی نبرد اقتصادی میان شرکت های تثبیت شده و شرکت های نوپای فعال در عرصه گرافین در حال شکل گیری است.

تا به امروز اصلی ترین مزیت سیلیکون نسبت به گرافین سابقه تحقیقات 70 ساله ایست که پشت آن قرا دارد و استفاده های مختلف صنعتی از این ماده را به میزان قابل توجهی بهبود داده است.

سیلیکون یک ماده نیمه رساناست که به وفور هم در طبیعت یافت می شود (و تولیدش هم بسیار ارزان است) و به واسطه خواصش به راحتی می توان حرکت الکترون های آن در مدار را دستکاری کرد و آن را به گزینه ای ایده آل برای طراحی چیپ های الکترونیکی در شرایط دمایی متفاوت بدل کرد.

تا به امروز اصلی ترین مزیت سیلیکون نسبت به گرافین سابقه تحقیقات 70 ساله ایست که پشت آن قرا دارد و استفاده های مختلف صنعتی از این ماده را به میزان قابل توجهی بهبود داده است.

برای کشف پتانسیل های واقعی گرافین لازم است که تحقیقات بیشتری در محیط آزمایشگاهی صورت بگیرد تا از این ماده در تکنولوژی های گوناگون موبایلی استفاده شود. از سال 2010 میلادی، تعداد پتنت های ثبت شده در رابطه با کاربرد گرافین به میزان قابل توجهی زیاد شده است، با این همه، این میزان کمتر از یک ششم تمامی کاربردها و مصارف مربوط به سیلیکون است که نشان می دهد چرا مهاجرت به این ماده به زمان نیاز دارد.

از سوی دیگر، با در نظر داشتن اینکه گرافین از کربن تشکیل شده، به مراتب نسبت به سیلیکون در طبیعت وفور بیشتری دارد و این یعنی بعد از ایجاد تکنولوژی های مناسب برای تولید انبوه این ماده، هزینه ساخت چیپ های الکترونیکی نیز پایین می آید.

الهام از گذشتگان

بسیاری ممکن است اینطور بگویند که «خب ما یک ماده معجزه آسا داریم که می توانیم از آن در باتری ها، نمایشگرهای منعطف و میکرو پردازنده ها بهره بگیریم و زندگی خود را دگرگون نماییم. و اینکه طبق همین مقاله، گرافین ماده ای دو بعدی و تک لایه است که می توان با قرار دادن آن میان لایه های دیگر یا روی آنها، مواد دیگری را از آن ساخت. اما اگر بخواهیم لایه به لایه از این ماده را روی هم قرار دهید دیگر نمی توان نام گرافین تک لایه و دو بعدی را روی آن گذاشت. سوال اینجاست که چطور می توان از یک لایه دو بعدی، اشیاء سه بعدی ساخت؟

در اینجا بهتر است به پژوهشی اشاره نماییم که بر مبنای تفکری خارج از چهارچوب صورت گرفت. به دنبال مشاهدات آزمایشگاهی دال بر شباهت میان نمایشگرهای گرافینی با کاغذ، فیزیکدانان دانشگاه کورنل تصمیم گرفتند با الهام از یک هنر برش کاغذ ژاپنی به نام کریگامی این مشکل را رفع نمایند.

این پژوهشگران در تحقیق خود که نتایجش اخیرا در نشریه نیچر منتشر شد، از این تکنیک برای ساخت سازه های سه بعدی از لایه های دو بعدی گرافین با بهره گیری از استحکام ساختاری آن کمک گرفتند (که گفته می شود 300 مرتبه از فولاد بیشتر است).

با ترکیب این ساختارهای هرمی و مقاومت های پیشرفته از راس تا قاعده هرم می توان درگاه هایی را طراحی کرد که اطلاعات را با سرعت بسیار بالا در داخل میکروچیپ ها انتقال می دهند.

نتیجه گیری

داستان گرافین با نوار چسب های قدیمی شروع شد و به تحقیقات پیشرفته ای ختم شد که امروز در این زمینه انجام می گیرند و قرار است که به لطف یک هنر قدیمی یعنی کریگامی از این نیز پای را فراتر بگذارد.

پیش بنی می شود که در 5 سال آینده شاهد پایان عصر سیلیکون و آغاز دوران ابر نیمه رساناها باشیم چراکه با پیشرفت تحقیقات، مواد بیشتری با خواص نزدیک به گرافین کشف می شوند.