ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

گرافن؛ از تبلیغات و هیجانات تا واقعیت‌های تجاری

گرافن به طور تجاری، در مقادیر زیاد و بر مبنای واقعیت بازار مورد استفاده قرار می‌گیرد و نه برای «کاربردهای جادویی » ‌ای که اغلب بیشتر جنبه تبلیغاتی و هیجانی دارد.

 

 ترنس بارکان[2]​
اگرچه کار بر روی مواد دو بعدی (2D) و گرافن سابقه‌ای طولانی دارد که به سال 1974 و مقاله فیلیپ والاس[3]  درمورد باند ممنوعه[4] گرافن و کارهای بلکلی [5]در دهه 1960 و 1970 باز می‌گردد، وقایع 2004 و پس از آن جایزه نوبل فیزیک در سال 2010، انتظارات غیرقابل تحققی از گرافن به عنوان یک ماده ایجاد کرد.

​توصیف‌های اولیه عالی از ویژگی‌های گرافن (نازک‌ترین، سبک‌ترین، قوی‌ترین، بیش‌ترین رسانایی الکتریکی و حرارتی و غیره)‏ منجر به ایجاد وضعیتی شده است که از آن با عنوان «چرخه هایپ[6]» کلاسیک گاتنر یاد می‌شود. این  انتظارات زمانی اوج گرفت که حرف از ساخت یک آسانسور فضایی با گرافن شد یا وقتی که سر ریچارد برانسون[7]، مدیر عامل شرکت هواپیمایی ویرجین در مارس ۲۰۱۷ به روزنامه تلگراف[8] گفت: « هواپیماهای گرافنی، هواپیماهای آینده هستند، آینده‌ای که به نزدیکی 10 سال دیگر است. آن‌ها خیلی سبک‌تر از هواپیماهای فعلی خواهند بود، که این موضوع به نوبه خود باعث کاهش مصرف سوخت خواهد شد."

​در حالی که توصیف برترین معمولاً برای گرافن در سطح اتمی درست است (‏تک صفحه خالص و عاری از نقص که در آن هر اتم کربن (با هیبرید SP2 ) با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است و شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم(لانه زنبوری) را در حالت ایده آل ایجاد می‏ کنند)‏، در جهان ماکرو _جهانی که گرافن دارد در آن استفاده می‌شود_ رفتار متفاوتی می‌بینیم.

 

نقشه‌‌ راه و بیراهه‌ها
در ۱۵ سال گذشته، اکثر تحقیقات و کار بر روی گرافن، در آزمایشگاه‌های دانشگاهی و در قالب برنامه‌های سرمایه‌گذاری دولتی با هدف غایی توسعه کاربردهای تجاری انجام شده‌است. حتی «نقشه‌های راه» ریز به ریز و دقیقی هم وجود داشته‌است که تلاش کرده‌اند همزمان مسیر تجاری‌سازی این مواد جدید و مهم را «پیش‌بینی کنند» و روی آن «اثر بگذارند". بسیاری از این تلاش‌ها را می‌توان «فشار تکنولوژی[9]» توصیف کرد تا «کشش بازار[10]".

 موانع کاربرد تجاری گرافن‌ بسیار زیاد هستند، مثلاً وجود نقص‌های ذاتی‌ای نظیر نبود نوار ممنوعه[11]، که  منجر به کاهش مطلوبیت آن برای کاربردهای الکترونیکی می‌شود. همچنین دیسپرس کردن (پراکنده کردن در محلول) گرافن سخت است[12] و در این زمینه کاملاً بدنام است. مانع دیگر در این زمینه نبود «گرید استاندارد» از این ماده است. مشتری بالقوه برای اینکه بفهمد ماده‌ای که خریده آیا واقعاً گرافن دارد یا خیر باید تست‌های گران و سختی نظیر طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس، طیف سنجی رامان، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، آنالیز مساحت سطح ویژه([13]BET) و روش‌هایی از این دست را استفاده کند.

علیرغم وجود این موانع، تجاری‌سازی گرافن و فناوری‌های وابسته به آن به شدت توسعه و تکامل یافته‌اند. اکنون گرافن از تولید آزمایشی، در مقیاس آزمایشگاهی و در دانشگاه گذر کرده و به طور عمده در شرکت‌های متعددی در آمریکای شمالی، اروپا و اقیانوسیه با ظرفیت‌های بالای تولید (تن در سال)، ساخته و روانه بازار می‌شوند. (‏شکل ۱). جو اِلدریج[14]، متخصص گرافن و فن‌آوری نانو، در مورد پیشرفت اخیر چنین گفته است: «ما شاهد ظهور محصولاتی با کاربردهای مهم صنعتی هستیم که گوشه بازار[15] یا محصولاتی با منافع محدود را هدف نگرفته‌اند بلکه بازارهای بزرگ را نشانه رفته­اند.» کاملا مشهود است که بازار گرافن در حال بلوغ و کاربرد این ماده توسط شرکت‌های بزرگ در حال افزایش است. برای مثال، شرکت گارمور[16] در فلوریدا اخیراً دو حسابرسی تولیدی را با موفقیت از سر گذراند و توافقنامه‌هایی چند ساله در زمینه عرضه و تولید با چندین شریک استراتژیک امضا کرد. (Q3 ۲۰۱۹). این پذیرندگان اولیه (‏مشتریان)‏ رهبران بازار در زمینه خوردگی و پوشش‌های مقاوم به سایش هستند. بدیهی است که این توافقنامه‌ها هر کدام برای چندین تُن گرافن بوده و مشروط به کشش تقاضای مشتری نهایی[17] در آینده نیستند. چرا که عملکرد محصول به اندازه‌ای خوب هست که بعد از بررسی‌های دقیق، ارزش و شایستگی محوری خودش مبنای معامله قرار گیرد.»

جیمز بِیکِر[18]، مدیر عامل شرکت گرافنِ منچستر[19]، مسئول تجاری‌سازی دانشگاه منچستر است و مرکز تازه افتتاح شده مهندسی و نوآوری گرافن[20] نیز زیر نظر اوست. او دیدگاه منحصر به فردی دارد که از یک طرف به خاطر ارتباط نزدیکش با دانشگاهیان در دانشگاه منچستر و از طرف دیگر حاصل تعاملاتش با شرکت‌های بزرگ تجاری است که به دنبال استفاده از گرافن در محصولاتشان هستند. وی اخیراً در اظهاراتش گفته است: «ما می‌دانیم که گرافن می‌تواند خواص سایر مواد و محصولات به ویژه خواص کامپوزیت‌ها، پلاستیک‌ها، ذخیره‌سازهای انرژی، حسگرها و پوشش‌ها را به طور چشمگیری ارتقاء دهد. ما فکر می‌کنیم که تجاری سازی گرافن در طول ۱۲ الی 18 ماه آینده به نقطه اوج خود خواهد رسید". . اظهاراتی مانند این، متداول شده و گواهی بر رشد سریع بازار تجاری گرافن در مقیاس صنعتی است.

 

گرافن؛ یک «خانواده» از مواد
در فضای تجاری، هنگامی که از گرافن صحبت می‌کنیم، عملاً در مورد خانواده‌ای از مواد صحبت می‌کنیم که گستره آن از کربن تک لایه و یا خالص تا نانوصفحات گرافن چندلایه[21] (GNPها) را شامل می‌شود. همچنین این خانواده شامل اکسیدهای گرافن[22] (GO) و اکسید گرافن کاهش یافته[23]  (RGO) است و نیز شامل گرافنی است که به شکل تک لایه روی یک زیرلایه قرار گرفته یا حتی  می تواند شکل‌های پودری، خمیری یا محلول از GNP’s/GO را دربر بگیرد. تمام این فرم‌ها با عنوان «گرافن» در بازار تجاری امروزی در سطح جهانی عرضه می‌شوند. بنابراین با طیفی گسترده و تقریباً بی‌نهایت از خصوصیات و رفتار ماده مواجهیم که توسط خواص فیزیکی و شیمیایی از جمله تعداد لایه‌های کربن (‏از ۱ تا ۱۰ یا بیشتر)‏، اندازه کریستال و ضخامت ورقه‌ها[24] ( از کمتر از میکرون تا ده‌ها میکرون) و مقدار و نوع ناخالصی‌ها (‏فلزات کمیاب، خاکستر، گوگرد، اکسیژن و غیره) مشخص می­شوند. هر یک از این فاکتورها بر چگونگی رفتار مواد گرافینی در یک کاربرد خاص تاثیر دارد و بنابراین،  هر گرافنی برای همه کاربردها بهترین گزینه نیست.

وقتی در مورد کاربرد تجاری و روش‌های تولید صحبت می‌شود، شما می‌توانید بازار را به دو بخش بسیار متمایز تقسیم کنید: روش تولید «پایین به بالا» (در این روش معمولاً تولید گرافن از گاز کربن با استفاده از روش رسوب‌دهی بخار شیمیایی (یا  (CVDو رشد همبافته[25] صورت می‌پذیرد) و روش‌های «بالا به پایین» (که معمولاً از گرافیت به عنوان ماده اولیه استفاده شده و سپس با به‌کارگیری روش‌های مختلفی نظیر لایه برداری مکانیکی، سنتز شیمیایی، بازکردن نانولوله‌های کربنی و .. گرافن تولید می‌شود).

این رویکردها نه تنها در نوع خود بسیار متفاوت هستند، بلکه گرافن تولید شده از هر کدام از این روش‌ها، برای بازارهای بسیار متفاوتی مناسب است. برای مثال، وقتی از روشCVD برای تولید استفاده شده باشد (و گرافن تک لایه داشته باشیم)‏ این گرافن برای کاربردهای الکترونیکی و حسگرها مناسب است، و زمانی که گرافن حجیم و یا چند لایه تولید شده است، این محصول برای کاربرد در پلاستیک‌ها، کامپوزیت‌ها، لاستیک، سیمان، پوشش‌ها و دیگر کاربردهایی که به حجم بیشتری از مواد نیاز دارند، مناسب است.​

همچنین تفاوت زیادی در قیمت این دو کلاس گرافن وجود دارد، گرافن‌های تک لایه تولید شده با CVD چندین برابر گرافن‌های حجیم، قیمت‌گذاری می‌شوند و مبنای دادوستد گرافن‌های تک لایه، سانتی‌متر مربع بوده در حالی که گرافن‌های چند لایه بر حسب گرم، کیلوگرم یا پوند در بازار معامله می‌شوند.

 

یک ماده همه کاره

ضروری است که به گرافن نه به عنوان یک ماده مستقل با خواص فوق­العاده، بلکه به عنوان یک نانو ماده افزودنی منحصر به فرد که توانایی بهبود قابل توجه رفتار مواد را دارد، نگاه کنیم. بین طیف کامل مواد گرافنی تجاری موجود (شکل 2)، تا به امروز بیش از 40 زمینه کاربرد اصلی شناسایی شده است، که در آن­ها گرافن می­تواند تاثیر قابل توجهی داشته باشد. یکی از زمینه­های کاربردی با بیشترین پیشرفت، اضافه کردن گرافن به پلاستیک­ها و کامپوزیت­ها جهت افزایش استحکام، ایجاد رسانایی الکتریکی و یا بهبود انتقال حرارت است. با اضافه کردن مقدار بسیار کمی مواد گرافنی (کمتر از 1 درصد وزنی) استحکام برخی پلاستیک­ها و کامپوزیت­ها در اندازه­گیری با استفاده از مدول یانگ می­تواند تا 40 درصد و حتی بسیار بیشتر بهبود یابد.

در مارس 2019 شرکت خودروسازی فورد اعلام کرد که پس از سه سال تحقیق و آزمایش، قطعات ساخته شده از پلی­اورتان ارتقاء یافته با گرافن را در دو خودرو پرفروش خود (وانت F150 و خودروی موستانگ) استفاده می­کند. هدف اصلی این کار بهبود مدیریت حرارتی در محفظه موتور بود. با اضافه کردن مقدار بسیار کمی گرافن که توسط شرکت آمریکایی XG Sciences تامین شده بود، عملکرد انتقال حرارت قطعات پلی­اورتان ارتقاء یافته، تا 30 درصد بهبود یافت. مسئله غیر منتظره، بهبود 20 درصدی استحکام و کاهش 17 درصدی لرزش و صدا بود که شرکت فورد را به در نظر گرفتن دیگر موارد استفاده از مواد ارتقاء یافته با گرافن به منظور بهبود عملکرد و راحتی خودروها ترغیب کرد.

در کاربردی کاملاً متفاوت، شرکت نکست‌جن[27] (شرکت استرالیایی تأمین‌کننده تجهیزات معدنی) از پلی­اورتان ارتقاء یافته با گرافن (تأمین شده توسط شرکت فِرست گرافن[28])، در لایه فدا شونده داخلی بیل­های مکانیکی معدنی خود استفاده کردند که افزایش استحکام مواد ارتقاء یافته منجر به بهبود زمان چرخه تعویض و کاهش مواد مصرفی تا یک سوم شد.

تنوع در زمینه رویکردهای تولید نیز وجود دارد. شرکت تامین‌کننده آمریکایی اِنترما[29]، ابتدا نانولوله­های کربنی تولید می­کند و سپس با باز کردن[30] آن­ها نانوروبان­های گرافنی با طول مشخص تولید می­کند. سپس آن­ها می‌توانند این نانوروبان­ها را طی فرآیندی به نانو ذرات گرافن با تعداد لایه کم تبدیل کنند. به عنوان یک مثال کاربردی و ساده، ماده آن­ها در یک بازار کاملاً متمایز برای گرافن، برای بهبود روان­کاری روغن موتورهای استاندارد استفاده می­شود.

به عنوان نقطه عطفی دیگر، شرکت خودروسازی بریتانیایی بریگز[31]، اخیراً ابرخودروی تک صندلی خود به نام «مونو آر[32]» را به عنوان اولین خودرو در جهان که در تمام پنل­های بدنه آن از فیبر کربن ارتقاء یافته با گرافن استفاده شده است، معرفی کرد. این رویکرد خواص ساختاری فیبرها را بهبود می­بخشد و منجر به قوی­تر شدن و سبک­تر شدن پنل­ها همراه با ارتقای خواص مکانیکی و عملکرد حرارتی آن­ها می­شود.

این دستاورد حاصل همکاری بین شرکت Haydale Composite Solution (تأمین‌کننده مواد ارتقاء یافته با گرافن) و شرکتPentaxia Composite است. در ضمن برای اولین بار، شرکت خودروسازی بریگز با شرکت دانش‌بنیان بین‌المللی DSM (واقع در شهر هیرلِن کشور هلند) در پروژه ساخت خودروی مونوآر با کمک فناوری چاپ سه بعدی، همکاری کرد.

 

چاپ سه بعدی و گرافن
کاربردپذیری گرافن در زمینه‌های مختلفی به اثبات رسیده است که یکی از این زمینه‌ها روش تولید افزایشی[33] یا همان چاپ سه بعدی[34] است. موادی که به صورت چاپ سه بعدی تولید شده­اند به دلیل کم بودن استحکامشان در مقایسه با قطعات ماشین­کاری شده یا قطعات ریخته­گری شده، در بعضی موارد دچار مشکل هستند. با اضافه کردن گرافن، استحکام بسیاری از موادی که با فرایند چاپ سه بعدی تولید شده‌اند، افزایش می­یابد. به عنوان مثال، اخیراً شرکت خدمات زیرساخت جهانی Aecom در حال توسعه یکی از اولین محصولات تجاری چاپ سه بعدی بریتانیا با استفاده از پلیمر تقویت شده با گرافن است. محصول CNCTArch این شرکت به منظور کاهش هزینه­های نصب سیستم­های علایم دیجیتال در شبکه­های حمل و نقل طراحی شده است. شرکت Aecom با شرکت اِسکالد[35] (شرکت فنی مهندسی واقع در انگلستان) به منظور طراحی و چاپ سه بعدی CNCTArch با استفاده از پلیمر جدیدی که با گرافن تقویت و در شرکت وِرسارین[36]  (یک شرکت تولید مواد پیشرفته مهندسی مستقر در انگلستان) تولید شده است، همکاری کرده است.

 

آزمایش و تایید گرافن
در شمال آمریکا، اروپا و استرالیا تقریباً 300 شرکت به عنوان تولیدکننده گرافن توسط شورای گرافن[37] شناسایی شده‌اند. به علاوه فقط در چین بیش از 6000 شرکت مرتبط با گرافن به ثبت رسیده است. با وجود این که تعداد زیادی از این شرکت­ها به صورت تجاری فعالیت ندارند و بسیاری از آن‌ها محصولات مصرفی ارتقاء یافته با گرافن (طبق ادعاهایشان) تولید می‌کنند، اما همچنان صدها شرکت باقی می­مانند که اشکال مختلف خود گرافن را در چین تولید کرده و به فروش می­رسانند.

در چنین شرایطی، هیچ گرید استاندارد و یا ماده مرجعی برای گرافن وجود ندارد. همچنین کمبود شدید شفافیت بازار در خصوص استاندارد مواد و قیمت‌گذاری وجود دارد (برگه مشخصات مواد ارایه شده توسط تامین‌کننده­ها، در صورت وجود، نامناسب هستند و مقایسه آن­ها مشکل است). این مسئله، شناسایی تامین‌کننده­های تجاری مناسب گرافن را برای استفاده‌کنندگان بالقوه بسیار دشوار می­کند.

به همین دلیل اخیراً طرح «تولیدکننده تایید شده گرافن[38]»، شروع به کار کرده است که شامل بازرسی حضوری از امکانات یک تولید کننده گرافن و ارزیابی فرآیندهای ایمنی، سلامتی و کنترل کیفی می­شود. به علاوه یک نمونه تصادفی از خط تولید گرفته می­شود و سپس این نمونه توسط آزمایشگاه­های مواد با کلاس جهانی مثل National Physical Laboratory در انگلستان مشخصه‌یابی می­شود. هدف از این طرح، ارزیابی ضروری و مستقل تولیدکننده­های گرافن است. این شفافیت در بازار تجاری که پیش از این در دسترس نبود، برای مصرف کننده­ها، خریداران و سرمایه­گذاران ارزش بالایی دارد.

همچنان که گرافن به یک ماده صنعتی حقیقی تبدیل می­شود، بازارهای مهمی از ذخیره­سازی انرژی گرفته تا درمان، و همچنین استحکام بخشی زیرساختارها و از بین بردن موانع سنسورها و ... را بر هم زده و بهبود می­دهد. با توجه به بیش از 40 زمینه کاربردی اصلی شناسایی شده، زمینه­های کمی هستند که گرافن در آن­ها پتانسیل بهبود عملکرد (استحکام و چقرمگی، سبک وزنی، افزایش چگالی انرژی و ...) نشان نداده است.

گرافن فرصتی را فرآهم می­آورد که نه تنها بتوان از کربن به صورت پایدار استفاده کرد، بلکه بتوان از آن برای پایدار کردن صنایع دیگر از طریق کاهش نیاز به انرژی، افزایش ماندگاری مواد، بهبود بازیافت پذیری، حذف مواد سمی از محیط و ... کمک گرفت.

به باور ما، مرحله بعدی استفاده از گرافن به عنوان ماده صنعتی، از همکاری بخش تجاری و تولیدکنندگان گرافن با یکدیگر در پروژه‌های مشترک برای حل مسائل واقعی جهان حاصل می­شود؛ در عین حال که جامعه محققان و دانشگاهیان به جابجایی مرزهای دانش ما از این ماده شگفت انگیز تنها پس از 15 سال از اولین تولید آن، می­پردازند. یافتن ماده دیگری که چنین پتانسیلی برای استفاده مفید به طرق مختلف و در دامنه وسیعی از کاربردها را داشته باشد مشکل است.

 

منبع:

Barkan, Terrance. "Graphene: the hype versus commercial reality." Nature nanotechnology 14, no. 10 (2019): 904-906.