29 مارس 2024 (أضواء Nanowerk) الجرافين، وهي طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة ثنائية الأبعاد على شكل قرص العسل، وقد أسرت الباحثين منذ اكتشافها بسبب خصائصها الاستثنائية. ومع ذلك، فإن الطريق نحو تحقيق الإمكانات الكاملة للجرافين قد أعاقته التحديات المرتبطة بإنتاج أفلام جرافين كبيرة وعالية الجودة بطريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير. خلال العقد الماضي، ترسيب الأبخرة الكيميائية (CVD) برزت كطريقة أساسية لزراعة أفلام الجرافين المستمرة عالية الجودة. على الرغم من التطورات الملحوظة، مثل تصنيع أفلام جرافين أحادية البلورة بطول قدم وإنتاج رقائق جرافين أحادية البلورة مقاس 4 بوصات في 10 دقائق فقط، فإن طريقة CVD لا تزال تواجه قيودًا من حيث الكفاءة والتوحيد بسبب التعقيد. شروط التوليف المطلوبة. لا يزال نمو أفلام الجرافين الموحدة على مساحة كبيرة يمثل تحديًا كبيرًا، خاصة عندما يتعلق الأمر بتلبية متطلبات الإنتاج على نطاق صناعي. في إنجاز حديث، قام فريق من الباحثين من مختبر CAS الرئيسي للتأثيرات الطبية الحيوية للمواد النانوية والسلامة النانوية في المركز الوطني لعلوم النانو والتكنولوجيا في بكين، الصين، بتطوير طريقة جديدة لزراعة الجرافين والتي تتغلب على العديد من القيود المرتبطة تقنيات الأمراض القلبية الوعائية التقليدية. تتيح طريقة التبريد بالحث الكهرومغناطيسي المسحي (SEMI) التوليف الفائق السرعة لزجاج الجرافين الكبير الحجم والموحد في الهواء الطلق، دون الحاجة إلى غرفة مفرغة أو محفز. وقد تم نشر البحث في المواد الوظيفية المتقدمة ("نمو عالي الكفاءة لزجاج الجرافين الموحد كبير الحجم في الهواء عن طريق مسح طريقة التبريد بالحث الكهرومغناطيسي").
مقدمة لطريقة SEMI وبالتالي إنتاج زجاج الجرافين الموحد كبير الحجم. أ) الرسم التوضيحي للنظام التجريبي المبني في المنزل؛ ب) رسم تخطيطي لآلية تشكيل الجرافين بطريقة SEMI؛ ج) صورة لزجاج الجرافين مقاس 400 مم × 400 مم؛ د) جمع أطياف رامان التمثيلية في مناطق مختلفة عبر فيلم الجرافين؛ ه) صورة TEM (HR-TEM) عالية الدقة لفيلم الجرافين المنقولة إلى شبكة النحاس؛ و) توزيع قيمة مقاومة السطح على مساحة 60 مم × 50 مم (تم جمعها من 100 نقطة)؛ ز، ح) نتائج متحد البؤر SEM-رامان؛ ز) صورة SEM، والأقحم هو صورة HR-SEM؛ ح) رسم خرائط رامان لكثافة الذروة G؛ ط) صورة لنمط الجرافين؛ ي) صورة لنسيج ألياف الزجاج الجرافين؛ ك) صورة SEM لنسيج ألياف زجاج الجرافين، والصورة الداخلية هي صورة SEM لسطح ألياف واحدة مطلية بأفلام مستمرة. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) تعمل طريقة SEMI باستخدام أداة الحث الكهرومغناطيسي لتسخين لوحة الجرافيت بسرعة، والتي تكون على اتصال وثيق بركيزة زجاجية مطلية بطبقة رقيقة من البولي دوبامين (PDA). عندما يتحرك ملف الحث فوق الركيزة، يتم تسخين الزجاج على الفور، ويتشكل فيلم جرافين مستمر على السطح على طول مسار الملف. يسمح هذا النهج بنمو أغشية الجرافين دون قيود الحجم التي تفرضها الحجرة المفرغة، مما يجعلها أكثر قابلية للتطوير من الأمراض القلبية الوعائية. باستخدام طريقة SEMI، أنتج الباحثون زجاج جرافين 400 مم × 400 مم في دقيقتين فقط، وهو تحسن كبير مقارنة بتقنيات CVD. أظهر زجاج الجرافين الناتج تجانسًا ممتازًا، والتصاق الفيلم، وتغطية كاملة، مع مقاومة سطحية أقل من 2 أوم مربع-1، أقل بكثير من الجرافين الناتج بطرق أخرى. بالإضافة إلى ذلك، أظهر زجاج الجرافين ثباتًا حراريًا متميزًا، وحافظ على أداء مستقر عند درجات حرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية، متجاوزًا ثبات المواد الموصلة الشفافة الأخرى مثل أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) وأغشية البلاتين. توفر طريقة SEMI العديد من المزايا الرئيسية مقارنة بأمراض القلب والأوعية الدموية، بما في ذلك القدرة على زراعة الجرافين في درجات حرارة عالية في الهواء الطلق، وهو نهج مسح يضمن تسخين وتبريد موحدين، والتوافق مع المعالجة من لفة إلى لفة للركائز المرنة. من خلال التخلص من الحاجة إلى غرفة مفرغة ومحفز، تقلل طريقة SEMI بشكل كبير من وقت الإنتاج وتكاليفه مع تمكين نمو الجرافين على ركائز من أي حجم تقريبًا. التطبيقات المحتملة لزجاج الجرافين واسعة النطاق، وتغطي صناعات مثل الإلكترونيات وتخزين الطاقة والفضاء والطب. في مجال الإلكترونيات، يمكن لزجاج الجرافين أن يحدث ثورة في إنتاج شاشات اللمس، وشاشات العرض المرنة، والخلايا الشمسية، مما يوفر شفافية فائقة، وموصلية، ومتانة مقارنة بالمواد الحالية. وفي قطاع الطاقة، يمكن لزجاج الجرافين أن يتيح تطوير بطاريات أكثر كفاءة وخفيفة الوزن المكثفات الفائقة. بالنسبة لتطبيقات الطيران والسيارات، يمكن أن يؤدي زجاج الجرافين إلى إنشاء مكونات أقوى وأخف وزنا وأكثر استقرارا من الناحية الحرارية. في الطب، يمكن استخدام زجاج الجرافين لتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية المتقدمة، وأنظمة توصيل الأدوية، وحتى الأعضاء الاصطناعية. مع استمرار البحث في طريقة SEMI، من المتوقع أن يؤدي المزيد من التحسينات وتوسيع نطاق العملية إلى تقدم أكبر في إنتاج أفلام الجرافين. إن العرض الناجح لهذه التقنية على ركائز زجاجية مختلفة، بما في ذلك قوام الكوارتز والسيراميك الزجاجي والألياف الزجاجية، يسلط الضوء على تنوعها وإمكانية تكاملها مع عمليات التصنيع الحالية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في تحقيق إمكانات طريقة SEMI بشكل كامل. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين معلمات العملية، مثل تكوين طبقة المساعد الشخصي الرقمي، ودرجة الحرارة، وسرعة ملف الحث، لتحقيق أفضل جودة وتوحيد ممكن للجرافين. بالإضافة إلى ذلك، في حين أن طريقة SEMI قابلة للتطوير بشكل كبير، لا تزال هناك حاجة إلى العمل لتطوير البنية التحتية وسلاسل التوريد اللازمة للإنتاج على نطاق واسع. على الرغم من هذه التحديات، فإن تطوير طريقة التبريد SEMI يمثل قفزة كبيرة إلى الأمام في إنتاج أفلام الجرافين ذات الجودة العالية ومساحة كبيرة للتطبيقات الصناعية. من خلال تمكين النمو فائق السرعة لزجاج الجرافين الموحد في الهواء الطلق، يتغلب هذا النهج المبتكر على قيود أساليب CVD التقليدية ويمهد الطريق لإنتاج واسع النطاق وفعال من حيث التكلفة للأجهزة القائمة على الجرافين. في السنوات القادمة، بينما يواصل الباحثون تحسين هذه التقنية الرائدة وتحسينها، يمكننا أن نتوقع رؤية حقبة جديدة من التقنيات القائمة على الجرافين والتي تستفيد من الخصائص الاستثنائية لهذه المادة لإنشاء تطبيقات تحويلية عبر مجموعة واسعة من الصناعات. تقربنا طريقة SEMI خطوة واحدة من تحقيق الإمكانات الكاملة للجرافين.
مقدمة لطريقة SEMI وبالتالي إنتاج زجاج الجرافين الموحد كبير الحجم. أ) الرسم التوضيحي للنظام التجريبي المبني في المنزل؛ ب) رسم تخطيطي لآلية تشكيل الجرافين بطريقة SEMI؛ ج) صورة لزجاج الجرافين مقاس 400 مم × 400 مم؛ د) جمع أطياف رامان التمثيلية في مناطق مختلفة عبر فيلم الجرافين؛ ه) صورة TEM (HR-TEM) عالية الدقة لفيلم الجرافين المنقولة إلى شبكة النحاس؛ و) توزيع قيمة مقاومة السطح على مساحة 60 مم × 50 مم (تم جمعها من 100 نقطة)؛ ز، ح) نتائج متحد البؤر SEM-رامان؛ ز) صورة SEM، والأقحم هو صورة HR-SEM؛ ح) رسم خرائط رامان لكثافة الذروة G؛ ط) صورة لنمط الجرافين؛ ي) صورة لنسيج ألياف الزجاج الجرافين؛ ك) صورة SEM لنسيج ألياف زجاج الجرافين، والصورة الداخلية هي صورة SEM لسطح ألياف واحدة مطلية بأفلام مستمرة. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) تعمل طريقة SEMI باستخدام أداة الحث الكهرومغناطيسي لتسخين لوحة الجرافيت بسرعة، والتي تكون على اتصال وثيق بركيزة زجاجية مطلية بطبقة رقيقة من البولي دوبامين (PDA). عندما يتحرك ملف الحث فوق الركيزة، يتم تسخين الزجاج على الفور، ويتشكل فيلم جرافين مستمر على السطح على طول مسار الملف. يسمح هذا النهج بنمو أغشية الجرافين دون قيود الحجم التي تفرضها الحجرة المفرغة، مما يجعلها أكثر قابلية للتطوير من الأمراض القلبية الوعائية. باستخدام طريقة SEMI، أنتج الباحثون زجاج جرافين 400 مم × 400 مم في دقيقتين فقط، وهو تحسن كبير مقارنة بتقنيات CVD. أظهر زجاج الجرافين الناتج تجانسًا ممتازًا، والتصاق الفيلم، وتغطية كاملة، مع مقاومة سطحية أقل من 2 أوم مربع-1، أقل بكثير من الجرافين الناتج بطرق أخرى. بالإضافة إلى ذلك، أظهر زجاج الجرافين ثباتًا حراريًا متميزًا، وحافظ على أداء مستقر عند درجات حرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية، متجاوزًا ثبات المواد الموصلة الشفافة الأخرى مثل أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) وأغشية البلاتين. توفر طريقة SEMI العديد من المزايا الرئيسية مقارنة بأمراض القلب والأوعية الدموية، بما في ذلك القدرة على زراعة الجرافين في درجات حرارة عالية في الهواء الطلق، وهو نهج مسح يضمن تسخين وتبريد موحدين، والتوافق مع المعالجة من لفة إلى لفة للركائز المرنة. من خلال التخلص من الحاجة إلى غرفة مفرغة ومحفز، تقلل طريقة SEMI بشكل كبير من وقت الإنتاج وتكاليفه مع تمكين نمو الجرافين على ركائز من أي حجم تقريبًا. التطبيقات المحتملة لزجاج الجرافين واسعة النطاق، وتغطي صناعات مثل الإلكترونيات وتخزين الطاقة والفضاء والطب. في مجال الإلكترونيات، يمكن لزجاج الجرافين أن يحدث ثورة في إنتاج شاشات اللمس، وشاشات العرض المرنة، والخلايا الشمسية، مما يوفر شفافية فائقة، وموصلية، ومتانة مقارنة بالمواد الحالية. وفي قطاع الطاقة، يمكن لزجاج الجرافين أن يتيح تطوير بطاريات أكثر كفاءة وخفيفة الوزن المكثفات الفائقة. بالنسبة لتطبيقات الطيران والسيارات، يمكن أن يؤدي زجاج الجرافين إلى إنشاء مكونات أقوى وأخف وزنا وأكثر استقرارا من الناحية الحرارية. في الطب، يمكن استخدام زجاج الجرافين لتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية المتقدمة، وأنظمة توصيل الأدوية، وحتى الأعضاء الاصطناعية. مع استمرار البحث في طريقة SEMI، من المتوقع أن يؤدي المزيد من التحسينات وتوسيع نطاق العملية إلى تقدم أكبر في إنتاج أفلام الجرافين. إن العرض الناجح لهذه التقنية على ركائز زجاجية مختلفة، بما في ذلك قوام الكوارتز والسيراميك الزجاجي والألياف الزجاجية، يسلط الضوء على تنوعها وإمكانية تكاملها مع عمليات التصنيع الحالية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في تحقيق إمكانات طريقة SEMI بشكل كامل. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين معلمات العملية، مثل تكوين طبقة المساعد الشخصي الرقمي، ودرجة الحرارة، وسرعة ملف الحث، لتحقيق أفضل جودة وتوحيد ممكن للجرافين. بالإضافة إلى ذلك، في حين أن طريقة SEMI قابلة للتطوير بشكل كبير، لا تزال هناك حاجة إلى العمل لتطوير البنية التحتية وسلاسل التوريد اللازمة للإنتاج على نطاق واسع. على الرغم من هذه التحديات، فإن تطوير طريقة التبريد SEMI يمثل قفزة كبيرة إلى الأمام في إنتاج أفلام الجرافين ذات الجودة العالية ومساحة كبيرة للتطبيقات الصناعية. من خلال تمكين النمو فائق السرعة لزجاج الجرافين الموحد في الهواء الطلق، يتغلب هذا النهج المبتكر على قيود أساليب CVD التقليدية ويمهد الطريق لإنتاج واسع النطاق وفعال من حيث التكلفة للأجهزة القائمة على الجرافين. في السنوات القادمة، بينما يواصل الباحثون تحسين هذه التقنية الرائدة وتحسينها، يمكننا أن نتوقع رؤية حقبة جديدة من التقنيات القائمة على الجرافين والتي تستفيد من الخصائص الاستثنائية لهذه المادة لإنشاء تطبيقات تحويلية عبر مجموعة واسعة من الصناعات. تقربنا طريقة SEMI خطوة واحدة من تحقيق الإمكانات الكاملة للجرافين.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64947.php
