21 مه 2022 -توسط کی لیتهام پاول، دانشگاه کلرادو در بولدر -ساختار کریستالی یک لایه گرافین. اعتبار: ییمینگ هو
بیش از یک دهه است که دانشمندان تلاش کرده اند شکل جدیدی از کربن به نام گرافین را با موفقیت محدودی سنتز کنند. این تلاش اکنون به لطف تحقیقات جدید دانشگاه کلرادو بولدر به پایان رسیده است.گرافین از دیرباز به دلیل شباهت‌هایش با گرافن «مواد شگفت‌انگیز» مورد توجه دانشمندان بوده است – شکل دیگری از کربن که در صنعت بسیار ارزشمند است و تحقیقات آن حتی جایزه نوبل فیزیک را در سال 2010 دریافت کرد. با این حال، علی‌رغم چندین دهه کار و تلاش در نظریه پردازی، تنها چند قطعه تا کنون ایجاد شده است.
این تحقیق که هفته گذشته در Nature Synthesis اعلام شد، یک شکاف طولانی مدت در علم مواد کربن را پر می کند و به طور بالقوه فرصت های جدیدی را برای تحقیقات الکترونیک، اپتیک و مواد نیمه هادی باز می کند.
ییمینگ هو، نویسنده اصلی مقاله و فارغ التحصیل دکترای شیمی در سال 2022، گفت: «کل مخاطبین ، کل رشته ها ، واقعاً از اینکه این مشکل طولانی مدت یا این ماده ، بالاخره در حال تحقق است، هیجان زده هستند.دانشمندان از دیرباز به دلیل سودمندی کربن برای صنعت و همچنین تطبیق پذیری آن، به ساخت آلوتروپ های کربن جدید یا جدید یا اشکال کربن علاقه مند بوده اند.
بسته به نحوه استفاده از کربن هیبرید شده sp2، sp3 و sp یا روش‌های مختلف اتصال اتم‌های کربن به عناصر دیگر و پیوندهای مربوط به آنها، روش‌های متفاوتی برای ساخت آلوتروپ‌های کربن وجود دارد. شناخته شده ترین آلوتروپ های کربن گرافیت (مورد استفاده در ابزارهایی مانند مداد و باتری) و الماس هستند که به ترتیب از کربن sp2 و کربن sp3 ایجاد می شوند.
با استفاده از روش‌های شیمی سنتی، دانشمندان طی سال‌ها با موفقیت آلوتروپ‌های مختلفی از جمله فولرن (که کشف آن برنده جایزه نوبل شیمی در سال 1996 شد) و گرافن ایجاد کردند.
با این حال، این روش‌ها اجازه نمی‌دهند که انواع مختلف کربن با هم در هر نوع ظرفیت بزرگی سنتز شوند، مانند آنچه برای گرافین مورد نیاز است، که باعث شده ماده نظریه‌پردازی شده – که گمان می‌رود دارای خواص رسانایی الکترونی، مکانیکی و نوری منحصربه‌فردی است- باقی بماند.
اما این نیاز به چیزهای غیرسنتی نیز بود که باعث شد افراد حاضر در این زمینه به گروه آزمایشگاهی وی ژانگ برسند.
ژانگ، پروفسور شیمی در CU Boulder، شیمی برگشت‌پذیر را مطالعه می‌کند، شیمی که به پیوندها اجازه می‌دهد تا خود اصلاح شوند و امکان ایجاد ساختارهای مرتب شده جدید، یا شبکه‌هایی مانند پلیمرهای مصنوعی DNA مانند را فراهم می‌آورند.
پس از نزدیک شدن به موضوع، ژانگ و گروه آزمایشگاهی او تصمیم گرفتند آن را امتحان کنند.
استفاده از فرآیندی به نام متاتز آلکین – که یک واکنش ارگانیک است که مستلزم توزیع مجدد، یا برش و اصلاح پیوندهای شیمیایی آلکین (نوعی هیدروکربن با حداقل یک پیوند کووالانسی سه گانه کربن- کربن) است – و همچنین ترمودینامیک و کنترل جنبشی ، این گروه توانست با موفقیت چیزی را ایجاد کند که قبلاً هرگز ساخته نشده بود: ماده ای که می تواند با رسانایی گرافن رقابت کند اما با کنترل.
ژانگ می‌گوید: «تفاوت بسیار زیادی (بین گرافن و گرافین) وجود دارد، اما از نظر خوب. “این می تواند مواد شگفت انگیز نسل بعدی باشد. به همین دلیل است که مردم بسیار هیجان زده هستند.”
در حالی که این ماده با موفقیت ایجاد شده است، تیم همچنان می‌خواهد جزئیات خاص آن را بررسی کند، از جمله نحوه ایجاد مواد در مقیاس بزرگ و نحوه دستکاری آن.ژانگ در مورد مراحل بعدی گفت: «ما واقعاً در تلاش هستیم تا این ماده جدید را از ابعاد مختلف، هم از نظر تجربی و هم از نظر تئوری، از سطح اتمی تا دستگاه‌های واقعی بررسی کنیم.
این تلاش ها، به نوبه خود، باید به کشف چگونگی استفاده از خواص رسانایی الکترون و نوری مواد برای کاربردهای صنعتی مانند باتری های لیتیوم یون کمک کند.
هو گفت: “ما امیدواریم در آینده بتوانیم هزینه ها را کاهش دهیم و روش واکنش را ساده کنیم، و امیدواریم مردم واقعاً از تحقیقات ما بهره مند شوند.”
برای ژانگ، هرگز نمی‌توانست بدون حمایت یک تیم بین‌رشته‌ای این کار را انجام دهد و افزود: “بدون حمایت بخش فیزیک، بدون حمایت همکاران، احتمالاً این کار نمی‌توانست انجام شود.”
