آیا گرافن می‌تواند یک منبع انرژی نامحدود باشد؟

مطالعات بر روی گرافن این احتمال را مطرح می‌کند که گرافن بتواند در آینده به عنوان یک منبع نامحدود انرژی استفاده شود.

بر مبنای کل محاسبات موجود، ساختاری به‌عنوان گرافن نمی‌‌‌‌‌تواند وجود داشته باشد! در واقع گرافن یک صفحه‌ی دوبعدی است اما مانند یک جامد سه‌بعدی عمل می‌‌‌‌‌کند. تحقیقات جدید با بررسی ناهمواری موجود بر سطح گرافن، موفق به کشف یک پدیده‌ی فیزیکی در مقیاس اتمی شده است که می‌‌‌‌‌تواند انرژی تمیز را به‌صورت بی‌نهایت و نامحدود فراهم کند.

البته کاشفان گرافن قصد انجام یک کشف بنیادی برای تامین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی را نداشتند. هدف آن‌ها کار ساده‌تر دیگری بود که به‌صورت ناگهانی گرافن ظاهر شد! همه‌ی ما با گرافیت سیاه رنگ کربنی آشنا هستیم. ماده‌ای که معمولا با مواد سرامیکی ترکیب می‌‌‌‌‌شود تا در ساخت مداد مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع، نوشته‌ی مدادی روی کاغذ همان ورقه‌هایی از اتم‌های منظم کربنی است که به‌صورت الگوی لانه زنبوری کنار هم قرار گرفته‌اند. از آنجا که این ورقه‌ها هیچ پیوندی با هم ندارند به‌راحتی روی هم لغزانده می‌‌‌‌‌شوند.

چندین سال دانشمندان در تکاپو بودند تا بدانند که امکان جدا کردن یک صفحه‌ی دو بعدی گرافیت به‌صورت منفرد را بررسی کنند. در سال ۲۰۰۴، دو فیزیکدان دانشگاه منچستر توانستند به این امر ناممکن دست پیدا کند. به این ترتیب آن‌ها توانستند یک لایه از گرافیت را که ضخامتش به اندازه‌ی یک اتم بود، جدا کنند.

مواد دوبعدی برای این که بتوانند وجود داشته باشند، باید رفتار سه‌بعدی از خود نشان دهند تا سطحی از استحکام برای حفظ ساختارشان فراهم شود. راه گریز گرافن برای حفظ ساختارش حرکت تصادفی اتم‌هایی است که به سمت جلو و عقب حرکت می‌‌‌‌‌کنند و همین مسئله به گرافن کمک می‌‌‌‌‌کند که مانند یک جسم سه بعدی پایدار باقی بماند.

ساختار گرافن

به بیان دیگر، وجود گرافن امکان‌پذیر بود. چرا که سطح آن کاملا مسطح نیست و در مقیاس اتمی ارتعاشاتی بر روی آن وجود دارد که باعث می‌‌‌‌‌شوند پیوندها به صورت خود به خود از هم گسسته نشوند. پاول تیبادو، فیزیکدانی است که اخیرا با تیم همراهش اقدام به اندازه گیری دقیق میزان این ارتعاش کرده است. آن‌ها صفحات گرافن را بر روی سطح مسطح مس قرار دادند و با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)، تغییر موقعیت اتم‌ها را مشاهده کردند. با این که این تیم توانست حرکات سریع اتم‌ها را ثبت کند، اما اعداد به‌دست آمده با هیچ مدلی هم خوانی نداشت. بنابراین آن‌ها نتوانستند اطلاعاتی را که از این آزمایش جمع آوری کرده بودند در آزمایش بعدی استفاده کنند. تیبادو این آزمایش را به شکلی دیگر انجام داد و با تغییر داده‌ها سعی در پیدا کردن یک الگو داشت. او می‌‌‌‌‌گوید:

 ما هر تصویر را به چند زیر تصویر تقسیم کردیم. چرا که نگاه کردن به این تصاویر در مقیاس‌های بزرگ باعث می‌‌‌‌‌شد که بعضی الگوها مخفی بماند. هر بخش از هر تصویر که در طول زمان مشاهده می‌‌‌‌‌شد، الگوی معنادارتری را نشان می‌‌‌‌‌داد.

تیم پژوهشی به‌سرعت به این نتیجه رسید که ورقه‌های گرافن خم شده‌اند و این خم‌شدگی مشابه تا خوردن یک ورقه‌ی نازک فلزی نیست؛ بلکه از هر دو طرف دچار پیچ خوردگی شده‌اند. الگوهای کوچک حاصل از نوسانات تصادفی، تغییرات ناگهانی و شدید ترکیب شده که این شکل از توزیع در ریاضیات به عنوان پرواز لوی (Lévy flight) شناخته شده است. پیش از این توزیع پرواز لوی در سیستم‌های پیچیده‌ی هواشناسی و زیست‌شناسی مشاهده شده بود و این نخستین بار بود که در مقیاس اتمی چنین الگویی به چشم می‌‌‌‌‌خورد. با اندازه‌گیری میزان و مقیاس امواج گرافن، تیبادو تصریح کرد که امکان مهار آن به‌عنوان منبع انرژی در درجه‌ی حرارت محیط وجود دارد.

تا زمانی که درجه حرارت گرافن اجازه ندهد که اتم‌ها به راحتی حرکت کنند، این ماده به خم شدن و موج دار شدنش ادامه می‌‌‌‌‌دهد.

بنا بر محاسبات تیبادو، یک قطعه گرافن با ابعاد ۱۰ در ۱۰ میکرون می‌تواند معادل ۱۰ میکروولت انرژی تولید کند. هر چند این رقم ممکن است چندان جذاب به نظر نرسد؛ اما این نکته را در نظر بگیرید که روی سر یک سنجاق بیش از ۲۰ هزار گرافن جای می‌گیرد. از این رو چنانچه مقدار کمی گرافن در دمای اتاق قرار دهید، می‌‌‌‌‌تواند انرژی یک شی کوچک مانند یک ساعت مچی را به صورت نامحدود تامین کند.

حتی در حالت بهتر، گرافن می‌‌‌‌‌تواند در بیوایمپلنت‌هایی که به باتری‌های سنگین نیاز ندارند، مورد استفاده قرار گیرند.

جنبه‌ها‌ی کاربردی گرافن‌ها هیجان‌انگیز است و هنوز نیاز به بررسی بیشتر آن‌ها وجود دارد. در حال حاضر، تیبادو با دانشمندان آزمایشگاه تحقیقات دریایی ایالات متحده در حال همکاری است تا به این پاسخ برسد که نتایجش تا چه اندازه با واقعیت تطابق دارد.

گرافن که به‌عنوان یک ماده‌ی غیرممکن تصور می‌‌‌‌‌شد، اکنون توانسته است در مرکز توجه علم فیزیک قرار بگیرد.

گرافن در جایگاه یکی از اجزای ساختار رساناهای آینده اعلام آمادگی کرده است و شاید در همان آینده، شاهد حضور آن در دستگاه‌های الکترونیکی به عنوان تامین کننده‌ی انرژی باشیم.