از گرافین تا نوبل فیزیک

در این مدرسه که عنوان آن «پدیده‌های کوانتومی تکوینی در گرافین» اعلام شده بود دانشمندان برجسته این حوزه از جمله پروفسور می‌کیتو کوشینو، استاد دانشگاه توکوهو کشور ژاپن، الکساندر گرونایز از دانشگاه کلن آلمان، پروفسور سید رقیب حسن از انستیتو علوم ریاضی هندوستان و پروفسور کنستانتین نووسلوف از دانشگاه منچستر موضوعاتی را در این حوزه برای شرکت‌کنندگان تدریس کردند. بیش از 170 دانشجوی دکتری فیزیک و بیش از 30 عضو هیأت علمی در این مدرسه شرکت داشتند. در این رویداد علمی سه روزه موضوعات مختلفی از خواص الکترونیکی و اپتیکی مواد دو بعدی تا مقدمه‌ای بر فیزیک گرافین و حالت‌های مرزی آن مورد بحث و بررسی قرار گرفت. با پروفسور کنستانتین نووسلوف، برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 2010 از مهمانان مدرسه بهاری فیزیک گفت‌وگو کرده‌ایم.

گرافین چیست و چه ویژگی‌هایی دارد که شما را به نوبل رسانده است؟

گرافین ماده‌ای است که از کربن خالص تشکیل شده است. ضخامت این ماده به اندازه یک اتم است. گرافین شفاف است. اگرچه ضخامت این ماده بسیار نازک تر از فولاد است اما می‌تواند تا 200برابر محکم‌تر از فولاد باشد. این ماده رسانای بسیار خوبی است و با توجه به این ویژگی‌ها می‌تواند در زمینه‌های مختلف کاربرد داشته باشد. این ماده بسیاری از خصوصیات و ویژگی‌های شاخص و مورد توجه را در خود جا داده است. یکی از ویژگی‌های شاخص گرافین قابلیت ترمیم خودکار آن است. یکی از دیگر ویژگی‌های شاخص گرافین ساختار دو بعدی آن است. نتیجه این ویژگی‌ها ماده‌ای رسانا، انعطاف‌پذیر، قدرتمند و در عین حال بسیار مستحکم است.

گرافین در زندگی روزمره بشر چه کاربردهایی می‌تواند داشته باشد؟

یکی از حوزه‌های مطرح برای کاربرد این ماده مدارهای الکترونیکی است. با توجه به ویژگی‌ها و خواص گرافین می‌توان از آن به عنوان جایگزین مناسبی برای سیلیکون استفاده کرد. البته باید تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود. بی‌شک کاربرد این ماده در ساخت قطعات الکترونیکی و تراشه‌های رایانه‌ای می‌تواند مزیت‌های بسیاری داشته باشد. اما اکنون استفاده از این فناوری در این حوزه مستلزم صرف هزینه بالایی است. البته مزیت‌ها نیز به اندازه‌ای چشمگیر و قابل توجه است که نمی‌توان براحتی از آنها چشم‌پوشی کرد. یکی از دیگر زمینه‌های کاربرد این ماده باتری‌ ابزارهای همراه نظیر گوشی‌های تلفن همراه و تبلت‌هاست. این ماده در مقایسه با گرافیت برای نگهداری و ذخیره انرژی از عملکرد بهتری برخوردار است. سرعت شارژ باتری‌هایی که از جنس گرافین ساخته می‌شوند به مراتب بیشتر است و این باتری‌ها می‌توانند برای مدت زمان طولانی‌تری انرژی را در خود ذخیره کنند. با توجه به آنچه گفته شد می‌توان پیش‌بینی کرد در آینده‌ای نه‌چندان دور گرافین به ماده اصلی برای ساخت گوشی‌های هوشمند آینده تبدیل شود. گوشی‌هایی که نه تنها از استحکام بیشتری برخوردارند، بلکه می‌توانند انعطاف‌پذیر و نشکن باشند. از این ویژگی گرافین می‌توان برای ساخت نمایشگرهای لمسی انعطاف‌پذیر که می‌تواند در ساخت ابزارهای الکترونیکی مختلف کاربرد داشته باشد، استفاده کرد. اگر از گرافین در ترکیب با مواد ارگانیک استفاده شود بی‌شک انقلاب بزرگی را در زمینه الکترونیک شاهد خواهیم بود که به ایجاد شاخه جدیدی به نام الکترونیک ارگانیک منجر می‌شود.

آیا می‌توان با توجه به چنین ویژگی از این ماده در حوزه انرژی نیز بهره گرفت؟

بله در حقیقت این ماده امکان به دام انداختن انرژی را فراهم می‌کند. به همین علت گفته می‌شود یکی از مهم‌ترین کاربردهای آنها می‌تواند ساخت باتری‌هایی با ظرفیت بالاتر باشد. اما کاربرد این ماده با هدف به دام انداختن انرژی فقط به این کاربرد محدود نمی‌شود و می‌توان از گرافین در ساخت سلول‌های خورشیدی هم استفاده کرد. اکنون در ساخت سلول‌های خورشیدی از پلاتینیوم استفاده می‌شود که گرافین می‌تواند به عنوان یک رسانای خوب جایگزین آن شود.

چه کاربردهای دیگری برای این ماده شگفت‌انگیز مطرح است؟

یکی از کاربردهای مهم این ماده شگفت‌انگیز استفاده از آن در حوزه پزشکی و زیست‌شناسی است. گرافین می‌تواند با سیستم‌های زیستی و بیولوژیکی در تعامل باشد و در حقیقت می‌تواند نقش رابط بین سلول‌های زنده را داشته باشد. این ماده در ترکیب با لایه‌های چربی مصنوعی که در ساخت اندام‌های مصنوعی از آن استفاده می‌شود، کاربرد دارد. از گرافین می‌توان علاوه بر ساخت اندام‌های مصنوعی در دارورسانی و ساخت حسگرهای زیستی استفاده کرد. در یک کلام می‌توان گفت کاربردهای این ماده غیرقابل پیش‌بینی است. حسگرهای زیستی که در ساخت آنها از گرافین استفاده شده باشد، می‌تواند رابط خوبی برای سلول‌های بدن و بویژه سلول‌های عصبی باشد. حتی در زمینه تحقیقاتی که در حوزه سلول‌های بنیادی و استفاده از آنها در روند درمان انجام می‌شود هم می‌توان از ویژگی‌های این ماده استفاده کرد. به نظر من همه زیست‌شناسی را می‌توان در فیزیک غشایی خلاصه کرد. گرافین ماده‌ای است که می‌تواند در غشای سلولی هم کاربرد داشته باشد. البته هیچ یک از این ایده‌ها تاکنون کاربردی نشده است و باید تحقیقات بیشتری در این حوزه انجام شود.

آیا ممکن است روزی گرافین جایگزین سیلیکون شود؟

به نظر من یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر در سال‌های اخیر شناسایی ویژگی‌ها و کاربردهای مختلف این ماده بوده است. با سرعت گرفتن روند تحقیقات درباره این ماده، مسیر تجاری‌سازی کاربردهای مطرح شده هموار خواهد شد و شاهد انقلاب بزرگی در فناوری‌های آینده خواهیم بود. گرچه گرافین در مقایسه با سیلیکون از مزیت‌های بیشتری برخوردار است، اما به این معنی نیست که در آینده‌ای نزدیک تحولات گسترده‌ای را در حوزه فناوری نظاره‌گر خواهیم بود. گسترش کاربرد گرافین در حوزه‌های مختلف به آمادگی بیشتری نیاز دارد. اگر گرافین بخواهد در مقابل رقیبی مانند سیلیکون حرفی برای گفتن داشته باشد باید هزینه‌ها کاهش پیدا کند و رسیدن به این هدف زمانبر است. ممکن است سال‌ها به طول انجامد تا این ماده بتواند راه خود را به بازار مصرف پیدا کند. بنابراین تنها کاری که می‌توان برای تسهیل این روند انجام داد این است که تحقیقات بیشتری درباره ویژگی‌ها و خواص این ماده و کاربرد آن در زندگی روزمره بشر انجام دهیم.

آینده گرافین را چگونه می‌بینید؟

در سال‌های اخیر یعنی در ده سال گذشته بسیاری از محققان در تلاش بوده‌اند بر اساس ویژگی‌های این ماده کاربرد آن را در زمینه‌های مختلف بررسی کنند. اما به نظر می‌رسد گرافین برای رسیدن به تولید و ورود به محصولاتی که در بازارهای تجاری عرضه می‌شود راهی طولانی پیش رو داشته باشد. به هر حال باید پذیرفت گرافین ماده‌ای است که بسیاری از محدودیت‌ها و درهای بسته را باز می‌کند و کاربرد آن در حوزه‌های مختلف می‌تواند به افزایش سرعت توسعه و پیشرفت فناوری در حوزه‌های مختلف منجر شود. بی شک این ماده می‌تواند در زندگی بشر امروز نقش بسیار مهمی داشته باشد. کاربردهای گرافین به حوزه خاصی محدود نمی‌شود. خواص و ویژگی‌های این ماده به منزله ایجاد فرصت‌های جدید است که می‌تواند به افزایش قابلیت‌ها و بهبود فناوری‌های موجود در بازار و همچنین عرضه فناوری‌های جدید منجر شود.

به افراد علاقه مند به فیزیک چه توصیه‌ای می‌کنید؟

من همیشه سعی می‌کنم به هیچ فردی توصیه نکنم! چون توصیه‌های من برای خودم کاربردی خواهد بود. بی‌شک من همیشه بر اساس توانمندی‌ها و خصوصیات خودم مسیری را ترسیم می‌کنم که ممکن است این مسیر برای افرادی که چنین خصوصیتی ندارند، مناسب نباشد. بنابراین همیشه سعی می‌کنم تا حد امکان هیچ فردی را نصیحت نکنم. سوالاتی که در جلسه سخنرانی عمومی با موضوع مواد در سرزمین مسطح از سوی دانشجویان شرکت‌کننده مطرح شد، نشان‌دهنده این است که دانشجویان از سطح علمی مطلوبی برخوردارند و امیدوارم دانشگاه‌ها بتوانند با برگزاری برنامه‌های علمی مشابه به پیشرفت و بهبود وضع علمی دانشجویان ایرانی که تا این اندازه به دانش علاقه‌مند هستند، کمک کنند.

رنگ باختن نظریه‌ها در مقابل گرافین

پروفسور کنستانتین نووسلوف، برنده جایزه نوبل فیزیک است. این محقق روسی اکنون ریاست انستیتو گرافین در دانشگاه منچستر را بر عهده دارد و سال 2010 در 36 سالگی موفق شد جایزه نوبل فیزیک را از آن خود سازد. این جایزه به پاس تحقیقات مبتکرانه و ارزشمند این محقق و استادش آندره گایم به آنها تعلق گرفت و به این ترتیب نام این محقق به عنوان جوان‌ترین برنده جایزه نوبل که تابعیت کشور روسیه را دارد به ثبت رسید. گرافین یک ساختار دو بعدی از یک لایه از شبکه لانه زنبوری از جنس کربن است که از مهم‌ترین خواص آن می‌توان به رسانایی، چگالی بالا، خواص مکانیکی و بسیاری از دیگر ویژگی‌های منحصر به‌فرد این ماده اشاره کرد.

این ماده دو بعدی شفاف بوده و تجمع مجموعه‌ای از ویژگی‌های شاخص در این ماده، گرافین را به ماده‌ای منحصر به فرد تبدیل کرده است. تا پیش از این که نووسلوف و استادش پروفسور گایم موفق به ساخت گرافین شوند بر اساس نظریه‌ها و قضیه‌های فیزیکی، ساخت ماده دو بعدی و غیرپایدار غیرممکن بود، اما موفقیت این دو دانشمند نادرستی این نظریه‌ها را تائید کرد.

فرانک فراهانی‌جم / گروه دانش