علوم المواد
المواد ثنائية الأبعاد، مثل الجرافين، تفتح آفاقًا جديدة في علوم المواد
اكتشاف صدفة
معظم الأشياء المادية مصنوعة من مواد ثلاثية الأبعاد. غالبًا ما تتكون المواد الصلبة إما من ذرات منظمة في هياكل ثلاثية الأبعاد محددة مسبقًا تُشكل المعادن والبلورات أو من ذرات غير منظمة تُكوّن أشياء أخرى.
لفترة طويلة، كان يُفترض أن هذه هي الصيغة الوحيدة التي يمكن أن يُنظم فيها المادة لتكوين أجسام صلبة. لكن قبل 20 عامًا (2004)، باحثان في جامعة مانشستر، أندريه جيم والبروفيسور كوستيا نوفوسيلوف، اكتشفا مادة ثنائية الأبعاد، الجرافين. اكتشفا ذلك تقريبًا عن طريق الصدفة عندما أدركا أن شريط لاصق بسيط يُطبق على الجرافيت (المادة التي تُصنع منها أقلام الرصاص) يُنشئ طبقة أحادية الذرة من الكربون.
هذا سيمنحهما لاحقًا جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010.
يتكون الجرافين من ذرات الكربون، ولكن بدلاً من أن تكون في شكل غير منظم (الجرافيت) أو بلورة منظمة (الألماس)، فإن ذرات الكربون في الجرافين مرتبة في طبقة أحادية الذرة، كأنها ورقة ورق رقيقة جدًا. كما اكتشفوا أنه من الممكن أيضًا تكوين مواد ذات بعد واحد أو صفر، مثل الأنابيب النانوية أو النقاط الكمومية.
المصدر: Ossila
ما يجعل المواد ثنائية الأبعاد مميزة هو أن هذا التكوين الفريد يأتي مع خصائص فيزيائية فريدة.
على سبيل المثال، الجرافين موصل للغاية، حيث يمكن للإلكترونات أن تتدفق فيه بسرعة تعادل 1/300 من سرعة الضوء. كما أنه موصل حراري جيد جدًا ويتميز بأعلى قوة شد لأي مادة رغم أنه شفاف بصريًا، حيث يمتص فقط 2٪ من الضوء المرئي الساقط.
المصدر: Visual Capitalist
أكثر بكثير من الجرافين
الخصائص الفريدة للجرافين جعلتها على الفور محور اهتمام آلاف الباحثين المتحمسين لاكتشاف خصائصه الكهربائية والكيميائية والفيزيائية الفريدة.
ومع ذلك، بدأ البعض يتساءل عما إذا كان بإمكان عناصر أخرى غير الكربون إنشاء مواد ثنائية الأبعاد أيضًا. الجواب كان نعم، مع توقعات نظرية تعد بمئات المواد الثنائية الأبعاد المحتملة. من بين أهم المواد الثنائية الأبعاد المدروسة إلى جانب الجرافين، يمكننا ذكر بعضها:
- Borophene, مكوّن من ذرات البورون، اكتُشف فقط في عام 2015.
- Goldene, مكوّن من ذرات الذهب، تم إنتاجه لأول مرة في عام 2024.
- Silicene, مكوّن من ذرات السيليكون.
- Phosphorene, مكوّن من ذرات الفوسفور.
كما يبدو أن المواد الثنائية الأبعاد لا يجب أن تكون مصنوعة من عنصر نقي واحد فقط—على سبيل المثال، طبقات أحادية من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) أو نيتريد السيليكون (Si3N4).
يمكن أيضًا ربط ذرات أخرى بالطبقة الأحادية، مما يخلق سطحًا “خشنًا”، مثل إضافة الهيدروجين إلى ذرات الكربون في الجرافين لتكوين graphane.
من قبل Edgar181 (talk) – عمل خاص، المجال العام, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
بسبب هذا التنوع الهائل للمواد، لا يزال الباحثون في بداية اكتشاف إمكانات المواد الثنائية الأبعاد.
التطبيقات – الجوانب الأساسية
بشكل عام، ما يجعل المواد الثنائية الأبعاد فريدة هو أن هيكلها الذري المنظم يسمح بتكوين فريد للإلكترونات والروابط الضيقة بين الذرات.
هذا بدوره يفسر التوصيل الكهربائي الاستثنائي (تدفق الإلكترونات)، والموصلية الحرارية (نقل مستويات الطاقة بين الذرات)، والقوة الفيزيائية (الروابط التساهمية بين الذرات نتيجة تبادل الإلكترونات).
الهيكل الثنائي الأبعاد يمنح هذه المواد أعلى مساحات سطحية محددة (السطح حيث يمكن حدوث التفاعلات) بين جميع المواد المعروفة. هذا يجعلها مرشحات ممتازة لأشكال جديدة من الحفازات أو، بشكل عام، للمشاركة في التفاعلات الكيميائية والكهربائية.
الموصلات الفائقة
نظرًا لأن الإلكترونات تتدفق بحرية تقريبًا على سطح المواد الثنائية الأبعاد، فقد تم اعتبارها مرشحات جيدة للموصلية الفائقة.
الموصلية الفائقة هي ما يحدث عندما تكون المادة قادرة على توصيل الكهرباء دون أي مقاومة.
هذا يعني أنه ليس فقط لا يوجد فقدان للطاقة، وهو ما قد يكون مفيدًا جدًا لنقل الطاقة على مسافات طويلة، بل يعني أيضًا أن التيار المار عبر المادة لا يولد أي حرارة. يمكن أن يجعل ذلك المادة مفيدة بشكل لا يصدق لمجموعة متنوعة من التطبيقات، من الحوسبة إلى السيارات الكهربائية وأي تقنية تستخدم الكهرباء تقريبًا.
في النظرية، يمكن أن تسمح الموصلية الفائقة، خاصةً الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة، بالتحكم في الاندماج النووي، دفع السفن بالكهرباء، قطارات ماجليف رخيصة وسريعة جدًا، محركات كتلية للوصول إلى المدار بتكلفة منخفضة جدًا، إلخ. (استكشفنا بمزيد من التفصيل سؤال الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة في مقالتنا المخصصة).
العديد من المواد الثنائية الأبعاد قد تظهر موصلية فائقة في الظروف المناسبة (مثل درجة الحرارة، الضغط، إلخ)، بما في ذلك:
- أفلام رقيقة جدًا من المعادن العنصرية.
- الكوبريتات.
- أكسيدات البيروفسكايت.
- مركبات الفيرميون الثقيلة للمعادن النادرة.
- الجرافين.
- سيلينيد الحديد على أسطح الأكسيد.
- موصلات عضوية على أسطح معدنية.
أشباه الموصلات
أشباه الموصلات هي مواد قادرة على التحول انتقائيًا من حالة موصلة (تنقل الإلكترونات) إلى حالة عازلة (تحجب الإلكترونات). هذا هو المبدأ الأساسي الذي تُبنى حوله الترانزستورات السيليكونية وعناصر الحوسبة الأخرى، حيث يمثل 0 عدم وجود التيار الكهربائي و1 وجود التيار.
كلما كان أسرع تحول أشباه الموصلات بين الحالتين، كلما كان أسرع الحساب المرتبط بها.
الجرافين
في البداية، اعتقد الباحثون الذين يدرسون الجرافين أنه يمكن أن يحل محل السيليكون في أشباه الموصلات. للأسف، يفتقر إلى ميزة إلكترونية أساسية تُسمى “فجوة الطاقة”.
فجوة الطاقة هي ما يحدد ما إذا كانت المادة ستُعتبر معدنًا (توصيل الكهرباء)، عازلًا (حجب الكهرباء)، أو شبه موصل (يمكنه التحول بين كونه موصلًا وعازلًا).
المصدر: Energy Education
المشكلة هي أن الجرافين لا يمتلك فجوة طاقة على الإطلاق، مما يمنعه من الاستخدام كشبه موصل.
كان هذا صحيحًا حتى عام 2024 عندما أعلن الباحثون أنهم نجحوا في إنشاء أول شبه موصل في العالم مصنوع من الجرافين.
“لدينا الآن شبه موصل جرافين قوي للغاية بقدرة تنقل أعلى بعشر مرات من السيليكون، ويتميز بخصائص فريدة غير متوفرة في السيليكون.
“كان علينا أن نتعلم كيفية معالجة المادة، وكيفية تحسينها باستمرار، وأخيرًا كيفية قياس الخصائص. استغرق ذلك وقتًا طويلًا جدًا.”
غولدين
مادة ثنائية الأبعاد أخرى ذات اهتمام هي الغولدين، وهي في الأساس جرافين لكن مع استبدال ذرات الكربون بالذهب.
الذهب يُستخدم بالفعل بشكل شائع في الرقائق ومكونات الحواسيب بفضل خصائصه الاستثنائية، مثل مقاومته للأكسدة وموصليته الكهربائية العالية جدًا.
مع إنتاج أول طبقة أحادية من الغولدين في عام 2024, قد تُضاف خصائص شبه الموصل إلى القائمة.
“إذا جعلت المادة رقيقة جدًا، يحدث شيء استثنائي – كما هو الحال مع الجرافين. يحدث نفس الشيء مع الذهب. كما تعلم، الذهب عادةً معدن، لكن إذا كانت الطبقة بسمك ذرة واحدة، يمكن للذهب أن يصبح شبه موصل بدلاً من ذلك.”
أشباه الموصلات العضوية
الجزيئات العضوية مكوّنة من هيكل عظمي من الكربون، إلى جانب عناصر أخرى، عادةً الأكسجين، النيتروجين، الكبريت، إلخ.
المصدر: POSTECH
ثم استخدموا خطوة تُسمى التدوين من النوع p, تُستخدم عادةً في إنتاج أشباه الموصلات.
هذا يشير إلى إضافة عناصر إلى مادة شبه موصل لجعلها أكثر توصيلًا.
المصدر: Wikipedia by VectorVoyager
وصف الباحثون المادة الناتجة بأنها ذات “موصلية كهربائية ممتازة”.
لذلك حتى إذا كانت مواد مثل الجرافين صعبة الإنتاج على نطاق واسع في تكوين شبه موصل، أو إذا كان الغولدين مكلفًا جدًا، فمن المحتمل أن تكون أشباه الموصلات العضوية موجودة لتسهيل تبني أشباه الموصلات الثنائية الأبعاد في المستقبل القريب.
المواد الفائقة
بينما الخصائص الكهربائية هي جوهر اهتمام العلماء بالمواد الثنائية الأبعاد، فإن خصائصها الفيزيائية لا تقل إثارة.
على سبيل المثال، الجرافين أقوى بـ200 مرة من الصلب لنفس الكتلة. يمكن دمج الجرافين في الخرسانة، كما يُدمج الصلب في الخرسانة المسلحة، مما يخلق خرسانة أقوى بـ2.5 مرة وأقل نفاذية للماء بأربع مرات. بالإضافة إلى ذلك، الجرافين لا يصدأ مثل الصلب، مما يجعل الخرسانة المدعمة بالجرافين غير معرضة لـ”تحلل الخرسانة” الناجم عن أكسدة الحديد، الذي يحد بشدة من عمر هياكل الخرسانة.
المقاومة الشديدة + الوزن الخفيف للجرافين ومواد ثنائية الأبعاد أخرى يمكن أيضًا استخدامها لإنشاء دروع جسمية أفضل.
مجال تطبيق آخر يمكن أن يكون إدارة الحرارة. على سبيل المثال، وجد الباحثون مؤخرًا أنه يمكن تصنيع مادة تكون عازلة ومتماسكة في آن واحد (تركيبة نادرة) عن طريق إنشاء بيروفسكايت هجين عضوي-لاعضوي ثنائي الأبعاد.
المواد الثنائية الأبعاد مثل الجرافين والنيتريد البوريلي الهكساجونال يمكن أيضًا استخدامها لتبديد الحرارة في الأجهزة الإلكترونية والبصرية.
أخيرًا، يمكن استخدام مواد ثنائية الأبعاد فائقة المقاومة لتطوير بنى تحتية مستقبلية، مثل على سبيل المثال المصاعد الفضائية. ومع ذلك، لن تصبح هذه الخطوات واقعية إلا بعد أن نتمكن من إنتاج هذه المواد اقتصاديًا ليس بالجرامات أو الكيلوغرامات، بل بالملايين من الأطنان.
التقنية الحيوية
المستوى السطحي العالي جدًا، والطبقة الرقيقة للغاية، والخصائص الكيميائية الفريدة تجعل المواد الثنائية الأبعاد مرشحات جيدة للعديد من التطبيقات المتخصصة في الصناعات الطبية والتقنية الحيوية.
يشمل ذلك توصيل الأدوية، التصوير، هندسة الأنسجة، المستشعرات الحيوية، ومستشعرات الغاز.
عامل آخر في بروز المواد الثنائية الأبعاد في التطبيقات البيولوجية هو الاكتشافات الحديثة التي تسمح لها باكتساب خاصية تُسمى “التماثل الجانبي”.
التماثل الجانبي هو مصطلح كيميائي يعني أن للجزيئات تماثل يميني/يساري. التماثل الجانبي هو ميزة مهمة للجزيئات العضوية، على سبيل المثال، الأحماض الأمينية التي تُشكل اللبنات الأساسية للبروتينات.
المصدر: UC Santa Barbara
في الجزيئات، يمكن للتماثل الجانبي أن يجعل الوحدات البيولوجية أو الكيميائية توجد بنسختين لا يمكن مطابقتها تمامًا، كما هو الحال في القفاز الأيمن والأيسر. يمكنهما أن يعكسا بعضهما بدقة، لكن القفاز الأيسر لن يناسب اليد اليمنى كما يناسب اليد اليسرى.
Pr. Dipanjan Pan
مؤخرًا، صنّع الباحثون صفائح بوروفين، مشابهة لكيفية دخول شظايا بوروفين إلى مجرى الدم. اكتشفوا أن الخصائص الجانبية للإصدارات المختلفة من بوروفين تتفاعل بشكل مختلف مع أغشية الخلايا، وتدخل الخلايا بطرق مختلفة.
هذا يفتح الطريق لتصميم هياكل بوروفين مخصصة لتطبيقات مثل “تطوير تصوير طبي عالي الدقة مع تباين يمكنه تتبع تفاعلات الخلايا بدقة أو تحسين توصيل الأدوية بتفاعلات مادة-خلية دقيقة.”.
فهم أفضل لكيفية تفاعل بنية بوروفين مع الخلايا الحية سيساعد أيضًا في توضيح ملف السلامة الخاص به.
بينما لا يزال ملف سلامة بوروفين قيد التقييم، يبدو أن الجرافين يمكن استنشاقه بأمان دون أي خطر حاد على صحة الإنسان. لا تزال هذه النتائج أولية جدًا ولكنها على الأرجح تشير إلى أن الانتشار السريع للمواد الثنائية الأبعاد لا ينبغي أن يؤدي إلى مشاكل صحية عامة.
وكلما كانت أكثر توافقًا حيويًا، زادت احتمالية استخدامها لتطوير مستشعرات بيولوجية أو تشغيل نانو-روبوتات في مجرى دمنا.
القيود
التصنيع على نطاق واسع
حتى أكثر المواد الثنائية الأبعاد استقرارًا واكتشافًا أولًا، الجرافين، لا يزال مجال المختبرات والشركات الناشئة.
ذلك لأن إنتاجه على نطاق واسع لا يزال مهمة صعبة. إنتاج كميات صغيرة سهل نسبيًا، لكن إنتاج كميات هائلة بطريقة شبه آلية ليس كذلك.
كان شريط لاصق بسيط يُطبق على قطعة من الجرافيت كافيًا لاكتشاف الجرافين. لكن طرق أكثر تعقيدًا مثل الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) مطلوبة للإنتاج الضخم.
هذا يتحول ببطء إلى واقع، على سبيل المثال، نشر عملية للـ CVD خالية من الأكسجين تنتج جرافين عالي النقاء.
لصقها
مشكلة أخرى مع المواد الثنائية الأبعاد هي أنه بسبب رقتها الفائقة وتفردها كيميائيًا، قد يكون من الصعب لصقها على مواد أخرى.
غالبًا ما يتطلب ذلك تقنيات متخصصة لجعل طبقة الجرافين تلتصق بشرائح الحواسيب، أو مزود طاقة، أو جهاز طبي.
يمكن أن يكون هذا أكثر استهلاكًا للوقت والموارد مقارنةً بالبدائل الأقل كفاءة ولكن الأسهل في التنفيذ.
التكاليف
نظرًا لأن معظم طرق الإنتاج والتطبيقات على الأجهزة الحالية لا تزال على نطاق صغير أو مخصصة، ظلت المواد الثنائية الأبعاد باهظة الثمن إلى حد ما.
يمكن أن يختلف السعر الفعلي بشكل كبير حسب النقاء، على سبيل المثال يتراوح سعر الجرافين بين 20-2,000 دولار/كغ.
هذا يعني أنه حتى بأرخص سعر، لا يزال الجرافين أغلى بـ20 مرة من الصلب. بالإضافة إلى ذلك، لتحقيق أداء مقبول في استبدال الصلب المذكور، ربما يتطلب الأمر نقاءً أعلى من أدنى مستوى ممكن.
شركات المواد الثنائية الأبعاد
مجال المواد الثنائية الأبعاد يتطور بسرعة كبيرة، مع اكتشاف خيارات جديدة مثل الغولدين بانتظام، ورؤى جديدة حول كيفية تحسين المواد “القديمة” مثل تحويل الجرافين إلى شبه موصل.
من المحتمل أن تصبح هذه المنتجات قطاعًا اقتصاديًا رئيسيًا فقط عندما تُنتج على نطاق واسع باستخدام طرق صناعية.
حتى الآن، أكثر طريقة متقدمة وموثقة هي الـ CVD، مما يمنح المتخصصين في CVD ميزة كبيرة لالتقاط جزء كبير من قيمة تصنيع المواد الثنائية الأبعاد.
1. Veeco
(VECO )
كانت Veeco موردًا رئيسيًا للمعدات لصناعة تصنيع أشباه الموصلات منذ تأسيسها في عام 1945. تُستخدم أجهزتها في إنتاج شرائح EUV المتقدمة، هوائيات 5G، الأقراص الصلبة، LIDAR، LEDs، الإلكترونيات القوية للسيارات الكهربائية، وغيرها.
المصدر: Veeco
التركيز التكنولوجي الرئيسي للشركة هو نفس عملية الـ CVD المستخدمة في إنتاج البوروفين، أو بدقة أكثر، MOCVD (الترسيب الكيميائي للغازات العضوية المعدنية).
المصدر: Veeco
كقائد في هذا القطاع المتخصص من صناعة أشباه الموصلات، قد تكون Veeco مرشحًا جيدًا للمراهنة على صعود المزيد من تطبيقات الـ CVD.
قد ينبع هذا النمو من الاستخدام المتزايد للجرافين، التنغستن، والبوروفين، مع تحسننا المستمر في التلاعب بالمادة على المستوى الذري.
من المرجح أيضًا أن تستفيد من الاتجاهات الضخمة للرقمنة، الذكاء الاصطناعي، والكهربائية، سواء استخدمت المواد الثنائية الأبعاد على نطاق واسع قريبًا أم لا.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG هي شركة منتجة للجرافين ركّزت عروض منتجاتها على منتجات مثبتة بالفعل تعتمد على الجرافين مثل طلاءات الحرارة ومزلقات.
هذا يجعل GMG خيارًا جيدًا للمستثمرين الباحثين عن تعرض مباشر لسوق الجرافين وشركة نشطة بالفعل في الإنتاج الضخم للجرافين وتحسين طريقة الإنتاج الحالية.
المصدر: GMG
بعض التطبيقات الإضافية قد تكون إنشاء أشباه موصلات جرافين (انظر “أشباه موصلات الجرافين – هل هي أخيرًا هنا؟”)، أو حتى موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة. يمكن أيضًا أن يُستخدم طلاء الجرافين في البطاريات وتقنيات أوعية الضغط الهيدروجيني.
المصدر: GMG
تنتج GMG جرافينها من الميثان + الهيدروجين، وهو ما يختلف عن معظم منافسيها الذين ينتجونها من رواسب الجرافيت الطبيعية. هذا يسمح بنقاء أعلى، قابلية توسع أكبر، وإنتاج منخفض التكلفة.
أطلقت الشركة أول منشأة إنتاج لها في أستراليا عام 2023، بقدرة تصل إلى مليون لتر من إنتاج طلاء مبادل حراري سنويًا.
الخطوة التالية للشركة ستكون تقنيتها للبطاريات القائمة على أيون ألومنيوم الجرافيني، بكثافة 290 واط/ساعة·كغ، وشحن أسرع بـ60 مرة من بطاريات الليثيوم أيون، وعمر بطارية أعلى بـ3 مرات، وملف خطر حريق أفضل.
المصدر: GMG
قد يكون دخولها إلى سوق البطاريات رهانًا كبيرًا لـ GMG، لكنه يمنحها أيضًا منظورًا فريدًا حول السوق المستقبلية التي قد تفتح للجرافين، بما في ذلك في السيارات الكهربائية وتطبيقات الطاقة الأخرى.
