علوم المواد
تنظيف الجرافين: المفتاح للتسويق التجاري
على مر السنين، اكتسب الجرافين العديد من الصفات. بعضهم أطلق عليه ‘المادة العجيبة المذهلة’، بينما وصفه آخرون بـ’المادة الفائقة المثبتة’. استيقظ العالم على عجائب الجرافين قبل أكثر من عقد من الزمن.
في عام 2012، نشرت مجلة Nature مقالًا بعنوان ‘خارطة طريق للجرافين‘، والذي أوضح لماذا كان الجرافين يبرز بسرعة كهدف رئيسي للمجتمع العلمي. أبرز الباحثون خصائص الجرافين كسبب لهذا الاهتمام، قائلين:
“هذه القماشة الكربونية ذات السماكة ذرة واحدة تجمع بشكل فريد بين القوة الميكانيكية الهائلة، والموصلية الإلكترونية والحرارية الاستثنائية، وعدم نفاذية للغازات، بالإضافة إلى العديد من الخصائص الفائقة الأخرى، مما يجعلها جذابة للغاية للعديد من التطبيقات.”
إدراكًا لإمكانات الجرافين، قررت الاتحاد الأوروبي تخصيص مليار يورو أو 1.3 مليار دولار أمريكي له بين عامي 2013 و2023. هدف هذا الاستثمار إلى التأكد من قدرات الجرافين التحويلية، خاصةً عند تطبيقه في الإلكترونيات والطاقة والصحة والبناء، وغيرها. حظيت هذه المبادرات بدعم مسار بحثي طويل، حيث تم كتابة أكثر من 8,000 ورقة حول الجرافين بين عامي 2005 و2013.
منذ ذلك الحين، لم يتلاشى الاهتمام بالجرافين بين المجتمع العلمي. الآن، يبحث الباحثون عن طرق لتسويق الجرافين على نطاق أوسع. في إحدى هذه الدراسات، قامت فريق من المهندسين في جامعة كولومبيا، بالتعاون مع زملائهم في جامعة مونتريال والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، بدراسة إمكانيات تنظيف الجرافين، لجعله جاهزًا للإنتاج التجاري على نطاق واسع.
معالجة التحديات التي تواجه تخليق الجرافين باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)
كان CVD أحد الطريقتين التقليديتين لتخليق الجرافين، إلى جانب طريقة ‘الشريط اللاصق’. تُعرف الطريقة أيضًا باسم نمو CVD، وتحقق أهدافها بتمرير غاز يحتوي على الكربون، مثل الميثان، فوق سطح من النحاس عند درجة حرارة تقارب 1000 درجة مئوية.
تقوم العملية بتفكيك الميثان بحيث يمكن لذرات الكربون إعادة ترتيب نفسها وتشكيل طبقة جرافين واحدة على شكل خلية عسل. ميزة هذه الطريقة مقارنةً بطريقة ‘الشريط اللاصق’ هي أن نمو CVD يمكنه إنتاج عينات جرافين أكبر بكثير، بأحجام تصل إلى السنتيمترات أو حتى الأمتار. بينما ينتج عن طريقة ‘الشريط اللاصق’ جرافينًا صغيرًا جدًا، بحجم بضعة عشرات من الميكرو متر.
مخرجات نمو CVD للجرافين أكثر قابلية للاستخدام مقارنةً بمخرجات طريقة ‘الشريط اللاصق’. ومع ذلك، تعاني العينات المُصنعة بتقنية CVD من مشاكل في التكرار وتفاوت في الجودة.
لمواجهة هذه التحديات، ابتكر الباحثون طريقة الترسيب الكيميائي للبخار الخالية من الأكسجين (OF-CVD) التي يمكنها إنتاج عينات جرافين عالية الجودة على نطاق واسع.
أثناء حديثه عن الابتكار وجودته الريادية، قال جيمس هون، المؤلف الرئيسي للبحث وأستاذ وانغ فونغ-جين للهندسة الميكانيكية في كلية كولومبيا الهندسية::
“نظهر أن القضاء على تقريبًا كل الأكسجين من عملية النمو هو المفتاح لتحقيق تخليق جرافين CVD قابل للتكرار وعالي الجودة. هذا إنجاز مهم نحو الإنتاج الضخم للجرافين.”
أظهر البحث، إلى جانب ما حققه في مجال العلوم والتكنولوجيا، أيضًا كيف يجب أن تعمل التعاونات الأكاديمية. قبل ست سنوات، أظهر ريتشارد مارتيل وبيير ليفيسك، المؤلفان المشاركان للبحث من مونتريال، أن كميات ضئيلة من الأكسجين يمكن أن تبطئ عملية النمو وتؤدي إلى تآكل الجرافين. خلال ذلك الوقت، وبناءً على نتائج مارتيل ولفيسك، صمم كريستوفر دي ماركو، طالب دراسات عليا في GSAS 19، وبنى نظام نمو CVD يمكنه التحكم في كمية الأكسجين أثناء عملية الأتمتة.
الدراسة الحالية هي استمرار لعمل مارتيل ولفيسك ودي ماركو، حيث اكتشف زينغتشو يان وجاكوب أمونتري، طلاب دكتوراه حاليين، أن نمو CVD كان أسرع بكثير عندما تم القضاء على الأكسجين الضئيل. جودة هذه العينات التي نمت بدون أكسجين تكاد تكون مطابقة لجرافين المستخلص، وهو نظيف إلى حد كبير وخالٍ من الشوائب التي قد تعيق خصائص الجرافين المرغوبة.
إلى جانب إنتاج جرافين نظيف ونقي، اكتشف الباحثون أنه من الممكن توقع معدل نمو CVD عبر مجموعة من المعلمات المختلفة، بما في ذلك ضغط الغاز ودرجة الحرارة.
في الأيام القادمة، يخطط الباحثون للمضي قدمًا مع الجرافين من خلال تطوير طريقة لنقل الجرافين عالي الجودة بشكل نظيف من محفز النمو المعدني إلى ركائز وظيفية أخرى، مثل السيليكون. سيوسع ذلك إمكانيات الجرافين بشكل كبير.
‘جرافين نظيف’: المفتاح للتسويق التجاري
اكتسب الجرافين، منذ بداياته، اهتمامًا بفضل خصائصه المتعددة. تتوزع ذرات الكربون فيه بشكل مثالي في تشكيل خلية عسل سداسية، بسمك 0.3 نانومتر فقط، مع مسافة 0.1 نانومتر بين كل ذرة. هذه البساطة الهيكلية والنقاء يمنحان الجرافين عدة خصائص.
على سبيل المثال، هو أقوى بـ200 مرة من الصلب ومع ذلك أخف بـ6 مرات. شفافيته شبه مثالية، حيث يسمح بمرور حوالي 98٪ من الضوء بينما يمتص 2٪ فقط. الجرافين أيضًا غير قابل لاختراق الغازات، ويمكن تعديل خصائصه بإضافة مكونات كيميائية إلى سطحه. صاغت أنيك لوازو من المكتب الوطني للدراسات والبحوث الفضائية (ONERA) شعارًا يقول، “المستقبل يكمن في جرافيت القلم!”
في جوهره، كان الجرافين جاهزًا للتسويق التجاري. كان مستعدًا للقفزة الكبيرة. ومع ذلك، ظل أحد المجالات المتنازع عليها هو تنظيف الجرافين مع الحفاظ على حجمه. تُظهر الأبحاث الحالية كيفية إنشاء جرافين نظيف بأحجام تصل إلى السنتيمترات أو حتى الأمتار وجعله جاهزًا للتسويق التجاري على نطاق كامل.
مع وجود فوائد الجرافين للجميع لاستكشافها واستخدامها، أصبح المجتمع العلمي مهتمًا باستكشاف إمكانيات هياكل عنصرية أحادية الطبقة أخرى. العنصر الذي حاز على التميز هو البورون، حيث تُسمى طبقته الأحادية بـ’البوروفين’.
المقارنة بين الجرافين والبوروفين
الجرافين والبوروفين يتكونان من أوراق مفردة لعناصرهما الخاصة. يتمتعان بقوة هيكلية عالية، ومرونة كبيرة، ولا يتفكّران بسهولة.
هناك بعض الاختلافات أيضًا. على سبيل المثال، يأتي الجرافين بأوراق مسطحة وبنية شبكة سداسية. أما أوراق البوروفين فتتميز بانحناء طفيف وتوجد في ثلاثة أشكال فرعية من الألوتروپات تختلف في ترتيب المثلثات والسداسيات.
لقد ناقشنا بالفعل الخصائص التي يمتلكها الجرافين. تجعل خصائص البوروفين منه عنصرًا حيويًا في الخلايا الضوئية، والإلكترونيات المرنة، وتكنولوجيا الشاشات، بفضل توصيله الكهربائي العالي وشفافيته البصرية على الاتجاه ‘a’ وجميع أنواع التباين الاتجاهي الجديد.
بشكل عام، سمح تطوير الجرافين والبوروفين بتجربة ابتكارات تكنولوجية مختلفة بخصائص تطبيقية مثيرة.
في مناقشتنا اليوم، التي تركز على الجرافين، سنستعرض الشركات التي كانت مبتكرة في تطبيق الجرافين. ولكن قبل أن نتناول الشركات الفردية وإنجازاتها، يجب أن نستعرض مبادرة الجرافين الرائدة، وهي التحالف الرائد الذي يفتح آفاقًا جديدة لاستكشاف حلول مختلفة باستخدام الجرافين.
مبادرة الجرافين الرائدة
بتمويل من الاتحاد الأوروبي، تجمع مبادرة الجرافين الرائدة 118 شريكًا أكاديميًا وصناعيًا في 12 مشروعًا للبحث والابتكار ومشروعًا واحدًا للتنسيق والدعم ‘لتعزيز الاستقلالية الاستراتيجية لأوروبا في التقنيات التي تعتمد على الجرافين وغيرها من المواد ثنائية الأبعاد’.
على مدار السنوات العشر الماضية، حققت مبادرة الجرافين الرائدة العديد من الإنجازات. أحدث هذه الإنجازات وربما الأكثر أهمية حتى الآن هو نجاح مشروع دمج مواد الجرافين ثنائية الأبعاد الرائد في مجال أشباه الموصلات.
بدأ المشروع في أكتوبر 2020 لإخراج الجرافين والمواد ذات الصلة (GRM) من المختبر إلى الإنتاج التجاري القابل للتوسع والاستخدام. بميزانية قدرها 20 مليون يورو موزعة على أربعة أعوام، ركز مشروع خط التجربة التجريبي ثنائي الأبعاد (2D-EPL) على النمذجة الأولية، وتصنيع الرقائق، وتمكين العمليات.
كانت النتائج واعدة، على أقل تقدير. بفضل إنجازات المشروع، حصل الأكاديميون والباحثون والشركات الخاصة على فرصة فريدة لاختبار ونمذجة أفكار جديدة لأجهزة المواد ثنائية الأبعاد. أدى ذلك إلى تشغيل رقائق متعددة المشاريع (MPW)، مما مكن من تطوير نماذج أولية منخفضة التكلفة وعلى نطاق واسع.
في مجال تمكين العمليات، ساعدت مبادرة الجرافين الرائدة المجتمع العلمي من خلال بناء أداتين مخصصتين جديدتين، بما في ذلك مفاعل الترسيب الكيميائي للبخار العضوي (MOCVD) من شركة Aixtron وأداة نقل طبقة ثنائية الأبعاد الأوتوماتيكية من SUSS MicroTec. جعلت هذه الأدوات من الممكن إجراء اختبارات شاملة وتعديل عمليات نمو المواد ثنائية الأبعاد ونقل الطبقات، وهي أساسية لتحقيق قدرات إنتاج عالية في المستقبل.
أثناء شرح إنجازات مبادرة الجرافين الرائدة ومشروع 2D-EPL، قال باتريك يوهانسون، مدير المبادرة:
“خط التجربة لا يقتصر فقط على البيانات الصلبة والتقدمات العلمية والتكنولوجية التي جمعناها، بل أيضًا — وربما الأهم — التفاعلات الشخصية التي أنشأت بيئة لتبادل الأفكار من أجل مستقبل الابتكار في المواد ثنائية الأبعاد في أوروبا. مع توقع نمو السوق العالمي للجرافين بشكل أسي، من إيرادات سنوية تبلغ 380 مليون دولار أمريكي في عام 2022 إلى 1.5 مليار دولار أمريكي خلال خمس سنوات فقط، فإن مشاريع مثل 2D-EPL ضرورية للحفاظ على أوروبا في طليعة التطوير والابتكار.”
إلى جانب التحالف، قامت بعض الشركات والأعمال الفردية بعمل متميز في هذا المجال. في الفقرات أدناه، نناقش بإيجاز بعض هذه الشركات.
#1. NanoXplore
تأسست في عام 2011 ومقرها في مونتريال، كيبك، تمتلك NanoXplore منشأة لإنتاج مسحوق الجرافين بقدرة 4,000 طن متري سنويًا مصممة بهيكل معياري. تتخصص الشركة في تطوير وصياغة حلول قائمة على الجرافين كإضافة لتحسين أداء المواد الصناعية داخل اللدائن الحرارية والمواد الصلبة.
تتمتع منشأة NanoXplore بقدرات بثق من الدرجة الأولى لإنشاء خلطات رئيسية معززة بالجرافين في البولي أوليفينات والبوليمرات الهندسية. من خلال تقنيتها النظيفة المملوكة ببراءة اختراع، تمكّن NanoXplore عملائها من مجموعة من الحلول القائمة على الجرافين، بما في ذلك مسحوق GrapheneBlackTM وخرطوشات الخلطات الرئيسية المعززة بالجرافين. تقدم وحدة أعمال المركبات في NanoXplore منتجات بلاستيكية ومركبة قياسية ومخصصة لعملاء مختلفين في قطاعات النقل، والتعبئة، والإلكترونيات، وغيرها من القطاعات الصناعية.
يُعد Graphene Black من NanoXplore مسحوق جرافين متعدد الاستخدامات يتمتع بأفضل توازن بين القابلية للخلط والقابلية للتصنيع. يتيح ذلك للجرافين زيادة قابليته التجارية وتحسين خصائص البلاستيك والبوليمرات بشكل كبير.
تحاول NanoXplore أيضًا إضافة GrapheneBlack إلى تركيبات بطاريات الليثيوم أيون الحالية في الأنودات المدعومة بالسيليكون لتحسين سعة الطاقة وسرعات الشحن في بطارياتها المعززة بالجرافين، التي تُفيد المركبات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة، والشاحنات والحافلات الكهربائية.
وفقًا لأحدث تقاريرها المالية، حققت NanoXplore إيرادات قدرها 33.87 مليون وما يقرب من 92 مليون دولار كندي للفترتين الثلاثة أشهر وتسعة أشهر المنتهية في 31 مارس 2024، على التوالي.
شركة أخرى نجحت في تصنيع مسحوق الجرافين النظيف هي GMG أو مجموعة تصنيع الجرافين المحدودة.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
هي شركة تكنولوجيا نظيفة تمتلك عملية إنتاج مملوكة تصنع مسحوق الجرافين من مواد أولية منخفضة التكلفة ومتوفرة بسهولة. تنتج العملية جرافينًا ‘عالي الجودة، منخفض التكلفة، قابل للتوسع، قابل للتعديل، وخالٍ من الملوثات’ يساعد في تطوير حلول في مجالات توفير الطاقة وتخزين الطاقة.
على وجه التحديد، تشمل مجموعة منتجات GMG طلاءات مُعززة بالجرافين للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد (HVAC-R)، بالإضافة إلى الزيوت والسوائل. تعمل الشركة أيضًا على تسويق بطاريات ألومنيوم-أيون من جرافين GMG التي لديها إمكانية تحقيق كثافة طاقة أعلى من بطاريات الليثيوم-أيون.
للفترتين الثلاثة أشهر وتسعة أشهر المنتهيتين في 31 مارس 2024، حققت GMG إيرادات قدرها 53,000 و212,000 دولار أسترالي، على التوالي.
المادة العجيبة للمستقبل؟
ستتيح خصائص الجرافين المبتكرة وميزاته تحقيق المزيد في المستقبل. سيُستخدم في الإلكترونيات، الفوتونيات، الطاقة، الطب الحيوي، المركبات، وتصميم مواد ثنائية الأبعاد للمستقبل.
توفر هذه المواد ثنائية الأبعاد خصائص فيزيائية وكيميائية استثنائية، مما يمكّن تطبيقات رائدة في الأوبتوالكترونيات، الطاقة، الاستشعار، المركبات، وغيرها. سيكون المفتاح للنمو السريع هو تطوير طرق تعمل مع الجرافين بأكثر الطرق استدامة ومنخفضة التكلفة الممكنة.
