سبک و قوی؟ متریال جدید 5 درصد به اندازه فولاد متراکم است اما 10 برابر قوی تر است

یک تیم تحقیقاتی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) یکی از قوی ترین مواد سبک وزن را با چاپگر سه بعدی چند ماده ای بررسی کرده است. آنها با فشرده سازی و ذوب ورقه های گرافن، ماده ای به وجود آوردند که 5 درصد به چگالی فولاد و 10 برابر قوی تر است.
تصویر
با فشرده کردن صفحات گرافن با گرما و فشار، محققان به ساختاری قوی و پایدار رسیدند که کمی شبیه مرجان بود. بلافاصله، دانشمندان دریافتند که این شکل غیرمعمول و مرجانی است که گرافن فشرده را بسیار قوی کرده است، نه خواص خود ماده. بنابراین با تکرار این فرم سه بعدی روی مواد ارزان‌تر دیگر مانند پلاستیک، دانشمندان می‌توانند با هزینه کمتر به استحکام گرافن مانند دست یابند.
تصویر
هنگامی که ساختار گرافن را تا حد نهایی فشرده کردند، محققان دریافتند که مواد فوق‌العاده قوی‌ای داشتند که 5 درصد به چگالی فولاد اما 10 برابر قوی‌تر بود. با تجزیه و تحلیل آرایش هندسی صفحات گرافن فشرده، محققان توانستند تا حدی قوی ترین ماده را با چاپگر سه بعدی بازتولید کنند.
تصویر
گرافن خواص بسیار خوبی دارد، آیا جایگزین فولاد خواهد شد؟
گرمای گرافن در حال افزایش است
موضوع گرافن از زمانی که دکتر کنستانتین گرافن را با نوار چسب در سال 2004 از گرافیت جدا کرد، داغ شد.
در سال‌های اخیر، گزارش‌های گسترده رسانه‌های مختلف، سرانجام گرافن را به خط مقدم موضوع سوق داده است - صنایع پزشکی، املاک، خودروسازی، کامپیوتر، بیولوژیکی و سایر صنایع همگی به این موضوع مرتبط هستند. برای مدتی، گرافن تقریباً مترادف با فناوری پیشرفته شده است. به نظر می رسد اگر گرافن در تبلیغات خارجی قرار نگیرد، صنعت با تکنولوژی بالا محسوب نمی شود. چرا گرافن اینقدر محبوب است؟ آیا واقعاً بعد از "زغال سنگ، فولاد و سیلیکون" چهارمین ماده بزرگ برای انسان خواهد شد؟ اجازه دهید واقعیت توسعه یابد تا پاسخ ما را بدهد.
اولین ماده ای که از یک لایه اتم تشکیل شده است
اتم های کربن در یک شبکه شش ضلعی به یکدیگر متصل هستند. گرافیت مورد استفاده در مدادها معادل لایه‌های بی‌شماری گرافن است که روی هم چیده شده‌اند و نانولوله‌های کربنی گرافن هستند که در یک استوانه نورد می‌شوند.
تصویر
به دلیل ماهیت پیوندهای شیمیایی بین اتم‌های کربن، گرافن محکم است: می‌توان آن را تا زوایای بزرگ بدون شکستن خم کرد و در برابر فشارهای بسیار بالا مقاومت کرد. و از آنجایی که تنها یک لایه اتم وجود دارد، حرکت الکترون ها به یک صفحه محدود می شود که خواص الکتریکی کاملاً جدیدی را برای آن به ارمغان می آورد. گرافن در زیر نور مرئی شفاف است، اما در برابر گاز نفوذ ناپذیر نیست. این ویژگی ها آن را به عنوان ماده اولیه برای لایه های محافظ و الکترونیک شفاف مناسب می کند.
ظهور گرافن چیزی کمتر از یک انقلاب کوچک انرژی نیست
ساختار فیزیکی ویژه گرافن رسانایی الکتریکی و گرمایی عالی را برای آن به ارمغان می آورد، بنابراین ماده ای با کمترین مقاومت مقاومتی در جهان است. بنابراین، چگالی انرژی باتری های ساخته شده از گرافن به 600 وات ساعت بر کیلوگرم می رسد، در حالی که پیشرفته ترین باتری های لیتیوم فعلی تنها 180 وات ساعت بر کیلوگرم هستند. حساب عمومی: شبکه دانش مکانیکی، به اشتراک گذاری دانش و گسترش ارزش.
به عنوان مثال، باتری گرافن را می توان به مدت 5 دقیقه شارژ کرد و 24 ساعت صحبت کرد.
در کنار این واقعیت که باتری‌های گرافن یک هشتم وزن و دو برابر باتری‌های لیتیومی سنتی هستند، گلوگاه‌هایی را در توسعه صنایعی مانند تلفن‌های همراه و وسایل نقلیه الکتریکی امروز تصور کنید.
در مورد پیش‌بینی‌شده‌ترین زمینه در آینده - حوزه مهندسی زیستی، گرافن ممکن است یک ابرستاره انسانی باشد.
دانشگاه ایالتی بویز در ایالات متحده مقاله ای با عنوان "فوم گرافن یک بستر سه بعدی برای رشد میوتوب فراهم می کند" منتشر کرد که کاربرد فوم گرافن را در بافت عضلانی مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان می دهد که فوم گرافن به عنوان یک ماده داربست برای رشد بافت عضلانی عملکردی مناسب است. گرافن خود یک لایه کربن نازک است، بنابراین به عنوان یک ماده مسطح دو بعدی در نظر گرفته می شود، در حالی که فوم گرافن گرافن سه بعدی است که از گرافن ساخته شده است.
در نهایت، محققان از خواص منحصر به فرد گرافن و فوم های گرافن برای بازسازی اندام های انسان استفاده کردند. تحقیقات گذشته نشان داده است که امکان رشد استخوان و غضروف بر روی فوم گرافن وجود دارد، اما این تنها اولین گام در مطالعه سازگاری فوم گرافن با رشد عضلات است.
استرادا، استادیار دانشکده علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی بویز، گفت: "امیدواریم بتوانیم از این نتایج برای بررسی تغییرات شیمیایی اساسی زندگی برای پیشرفت به کاربردهای بالینی استفاده کنیم." در آینده، از طریق ماده جدید فوم گرافن، ممکن است به کلیدی برای کنترل ماهیچه‌ها تبدیل شود، شبیه به اعصابی که ماهیچه‌ها را کنترل می‌کنند و ممکن است سودآوری برای افراد ناتوان رویا نباشد.
تصویر
نور یکی از اسرارآمیزترین چیزهاست و برای یک روش جدید تولید نور، همه تعظیم می کنند.
محققان موسسه فناوری ماساچوست در ایالات متحده فرآیندی شبیه به رونق صوتی تولید شده در زمانی که هواپیما از سرعت صوت فراتر می‌رود، کشف کرده‌اند: باری که از طریق گرافن جریان می‌یابد، تحت شرایط خاصی می‌تواند از سرعت کند شده نور فراتر رفته و یک "بوم" نوری ایجاد کند، یک پرتو نور با تمرکز شدید.
این روش جدید تبدیل انرژی الکتریکی به تشعشع مرئی بسیار قابل کنترل، سریع و کارآمد است. محققان می گویند این رویکرد می تواند به انواع کاربردهای جدید منجر شود.
محققان گفتند: "گرافن نور را از طریق آنچه ما پلاسمون های سطحی می نامیم به دام می اندازد. پلاسمون ها ذرات مجازی هستند که نوسانات الکترون های روی سطح را نشان می دهند. این پلاسمون ها از طریق گرافن سریعتر از سرعت نور در فضای آزاد حرکت می کنند." صدها بار کندتر.» این ویژگی همچنین امکان اثر معکوس گرافن را باز می کند: تشکیل نور به جای به دام انداختن آن.
بسیاری از مطالعات علمی خواص شگفت‌انگیز گرافن را به ما نشان داده‌اند، اما یک نکته وجود دارد.
این خواص شگفت انگیز، تقاضاهای بسیار بالایی را برای کیفیت نمونه ایجاد می کند. برای به دست آوردن نمونه های گرافین با بهترین خواص الکتریکی و مکانیکی، به روشی زمان بر، کار فشرده و پرهزینه نیاز است: روش لایه برداری مکانیکی - ابتدا گرافیت را با نوار به گرافیت بچسبانید و سپس با دست گرافن را جدا کنید.
نخندید، نووسلوف و دیگران در سال 2004 گرافن را به این شکل تهیه کردند.
اگرچه محتوای فنی بالا نیست، اما مشکل این است که میزان موفقیت بالا نیست. آیا گرفتن چند نمونه برای تحقیقات، تولید صنعتی اشکالی ندارد؟ حتی اگر در سرتاسر دنیا معادن گرافیت دارید، می توانید روزی چند تکه از آن را جدا کنید...
آیا فقط می توان آن را بارها و بارها با چسب چسباند؟ البته در حال حاضر راه های بسیار دیگری نیز برای افزایش تولید و کاهش هزینه ها داریم.
روش لایه برداری فاز مایع: گرافیت یا مواد مشابه حاوی کربن را در مایعی با کشش سطحی فوق العاده بالا قرار دهید و سپس بمباران اولتراسونیک را برای از بین بردن "دانه های برف" گرافن انجام دهید.
روش رسوب بخار شیمیایی: اجازه دهید گاز حاوی کربن روی سطح مس متراکم شود و سپس لایه نازک گرافن تشکیل شده را جدا کنید.
روش رشد مستقیم: مستقیماً سعی کنید یک لایه گرافن را بین دو لایه سیلیکون رشد دهید.
همچنین یک روش شیمیایی کاهش اکسیداسیون وجود دارد: ورقه های گرافیت با وارد کردن اتم های اکسیژن و غیره جدا می شوند.
مشکل اینجاست که با استفاده از این روش ها نمی توان کیفیت محصول را تضمین کرد. می توان گفت که روش های زیادی وجود دارد و هر کدام دامنه کاربرد خاص خود را دارند، اما تاکنون هیچ فناوری واقعاً مناسب برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ وجود ندارد.
نگرانی "کف کردن" گرافن
در چند سال گذشته، گرافن به سرعت در چین توسعه یافته است و مردم از پیشرفت سریع صنعت گرافن و عملکرد خوب محصول شگفت زده شده اند. اما در پس این «هاله ها» و شگفتی ها، مردم نمی توانند خود را زیر سوال ببرند. صنعت گرافن در حال حاضر یک زمینه پیشرو است و واقعاً صنعت خود را شکل نداده است و هنوز مشکلات و مشکلات خاصی پشت توسعه آن وجود دارد.
پدیده «رونق» فعلی صنعت گرافن نیز هیاهوی بیش از حد سرمایه را آشکار می کند. مفهوم گرافن بیش از حد تبلیغات شده است و برخی اخبار فاقد عینیت هستند، که منجر به سوء تفاهم در درک گرافن توسط ادارات یا شرکت های مربوطه شده است و فضایی را ایجاد می کند که به نظر می رسد بسیار ساده، "کوتاه، مسطح و سریع" برای ثروتمند شدن یک شبه باشد. حتی برخی از مردم هنوز تفاوت بین گرافن و گرافیت را نمی دانند.
شکی نیست که گرافن نقش بزرگی در آینده ایفا خواهد کرد. آینده روشن است، اما راه هنوز باید قدم به قدم طی شود. به خصوص در این دوران پر از موفقیت سریع و سود آنی، حباب ها همه جا هستند.
پس از چندین سال توسعه، صنعت گرافن کشور من اساساً یک ساختار صنعتی با استان جیانگ سو به عنوان منطقه تجمع و وجود تکه تکه در بسیاری از نقاط دیگر تشکیل داده است. طبق آمار، ذخایر سنگ گرافیت کشور من 75 درصد از کل ذخایر جهان و تولید آن 72 درصد از کل تولید جهان را تشکیل می دهد. این یکی از معدود مواد معدنی در کشور من با مزیت های رقابتی بین المللی است. کشور من به نتایج تحقیقاتی خاصی در زمینه های تهیه گرافن، صفحه نمایش لمسی تلفن همراه، باتری های لیتیوم یونی و مواد کامپوزیتی دست یافته است و در برخی زمینه ها در سطح پیشرفته بین المللی قرار دارد.
در حال حاضر، سطح توسعه برخی از شرکت های پیشرو گرافن در کشور من در میان برترین ها در جهان قرار دارد. مدت‌هاست که گرافن معروف به «طلای سیاه» عمدتاً در دسته‌های کوچک در واحدهای گرمی در آزمایشگاه‌ها تولید می‌شود و قیمت هر گرم آن تا 5000 یوان می‌رسد. در سال 2013، Changzhou Sixth Element Materials Technology Co., Ltd. اولین خط تولید گرافن پودر گرافن در مقیاس بزرگ را در مقیاس بزرگ و با ظرفیت تولید سالانه 100 تن توسعه داد که منجر به کاهش قیمت گرافن به 13 یوان در هر گرم شد. کاربرد صنعتی در مقیاس بزرگ گرافن امکان پذیر می شود.
در حالی که نقاط روشن توسعه صنعتی به طور مکرر در حال ظهور هستند، برخی از موفقیت‌های سریع و فواید آنی قابل توجه هستند. در حال حاضر، بین المللی توسعه صنعت مواد جدید را تشویق می کند و گرافن به پشتوانه قوی آن تبدیل شده است. همراه با ارزش تجاری عظیم آن، اشتیاق بالای سرمایه گذاری دولت و شرکت ها منجر به سرازیر شدن حجم زیادی از سرمایه به حوزه گرافن شده است. مقیاس صنعت به سرعت در حال گسترش است و تمایل "حباب" شروع به ظاهر شدن می کند. علاوه بر جیانگ سو، چونگ کینگ، نینگبو، چینگدائو، دیانگ، هبی، پکن و جاهای دیگر نیز در حال استقرار صنعت گرافن هستند. چونگ کینگ گرافن را به عنوان یکی از ده صنعت نوظهور استراتژیک برتر فهرست کرد و نینگبو «برنامه توسعه میان مدت و بلندمدت صنعت و نوآوری فناوری گرافن شهر نینگبو (2014-2023)» را منتشر کرد که هدف آن تبدیل صنعت گرافن به یک صنعت 100 میلیارد دلاری ظرف 10 سال است. مزایا و صنایع مشخصه با مقیاس ارزش خروجی سطح بالا؟ به گزارش «روزنامه اطلاعات اقتصادی»، از نظر کاهش ظرفیت، علاوه بر صنعت زغال سنگ و فولاد، سایر صنایع با ظرفیت تولید عقب مانده نیز وارد فهرست کاهش ظرفیت خواهند شد که از جمله آنها می توان به صنایع عقب مانده مانند خودروسازی، انرژی های نو و گرافن اشاره کرد. ظرفیت تولید ممکن است ذکر شود.
برخی از کارشناسان بر این باورند که شوق فعلی گرافن دقیقاً مشابه انگیزه‌های سرمایه‌گذاری کشتی‌سازی و فتوولتائیک سال است که بازتاب گمانه‌زنی‌های ریشه‌دار شرکت‌ها و دولت‌ها است. یکی از مسئولین یک شرکت گرافن حتی به صراحت گفت که این البته کوری کارآفرینان است، اما این بیشتر از انگیزه تولید ناخالص داخلی دولت محلی است و خطر "حباب" پشت آن را نمی توان دست کم گرفت.