من الجرافين إلى Goldene: مواد طبقة الذرة الواحدة المتقدمة تفتح أبوابًا جديدة لاكتشافات المستقبل

ليس لدينا أي شك في قيمة الذهب في عقولنا. فهو في النهاية أكثر وسائل حفظ القيمة شهرة وطول أمد. ومع ذلك، فإن التقدمات العلمية التي حققها الإنسان قد أوصلتنا الآن إلى عتبة Goldene. ويمكن أن يكون ذلك بمثابة تغيير جذري، على أقل تقدير. فما هو Goldene؟ لماذا المجتمع العلمي متحمس له بهذه الدرجة؟ دعونا نتعمق أكثر.

Goldene: صفائح من الذهب بسمك طبقة ذرة واحدة فقط

لأول مرة، قام باحثون من جامعة لينشوبينغ، السويد، بإنشاء صفائح من الذهب بسمك يساوي طبقة ذرة واحدة. سَمّ الباحثون هذا المشتق بـ Goldene. قد يكون Goldene مفيدًا للعديد من المهام المتقدمة، بما في ذلك تحويل ثاني أكسيد الكربون، وإنتاج الهيدروجين، وإنتاج المواد الكيميائية ذات القيمة المضافة. 

وفقًا لشون كاشيوايا، باحث في قسم تصميم المواد في الجامعة:

“إذا جعلت المادة رقيقة للغاية، يحدث شيء استثنائي – كما هو الحال مع الجرافين. يحدث نفس الشيء مع الذهب. كما تعلم، الذهب عادةً معدن، لكن إذا كان بسماكة طبقة ذرة واحدة، يمكن أن يتحول الذهب إلى شبه موصل بدلًا من ذلك.”

كيف تم إنشاء ‘Goldene’؟

بدأ الاختراع بتطوير مادة أساسية ثلاثية الأبعاد تم إنشاؤها عن طريق إدخال الذهب بين طبقات من التيتانيوم والكربون. عند درجات حرارة عالية، تم استبدال السيليكون الرقيق في كربيد سيليكون التيتانيوم بالذهب، مما أدى إلى اكتشاف كربيد التيتانيوم الذهبي. ومع ذلك، كان ذلك اكتشافًا عشوائيًا. كان الباحثون يهدفون إلى تغليف كربيد سيليكون التيتانيوم الموصل كهربائيًا بالذهب لتسهيل الاتصال.  

لإنجاز عملهم، استفاد الباحثون من طريقة تقليدية موجودة كجزء من فن التشكيل الياباني لأكثر من مئة عام. يُطلق على هذا المكوّن اسم مادة موراكي. استخدمها الباحثون بتركيزات مختلفة ولمدد زمنية متفاوتة للوصول في النهاية إلى المكوّن المطلوب. 

بينما تمكنوا أخيرًا من إنتاج صفائح الذهب بالسمك المطلوب لطبقة ذرة واحدة، كان من الضروري جعلها مستقرة. استخدموا مادة تينسيد، وهي جزيء طويل لفصل الصفائح وتثبيتها، كعامل سطح لضمان عدم تجعد الصفائح. 

أثناء وصف النتيجة النهائية والتحقق العلمي منها، قال شون كاشيوايا، أحد الباحثين، ما يلي:

“صفائح الذهب موجودة في محلول، تشبه إلى حد ما حبوب الذرة في الحليب. باستخدام نوع من “المصفاة”، يمكننا جمع الذهب وفحصه باستخدام المجهر الإلكتروني للتأكد من نجاحنا. وقد نجحنا.”

العديد من التطبيقات المحتملة لـ Goldene

تغطي التطبيقات المحتملة لـ Goldene مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك تحويل ثاني أكسيد الكربون، التحفيز لتوليد الهيدروجين، الإنتاج الانتقائي للمواد الكيميائية ذات القيمة المضافة، إنتاج الهيدروجين، تنقية المياه، الاتصالات، وأكثر من ذلك.

في المتابعة اللاحقة، يخطط الباحثون لاستكشاف إمكانية تقليل كمية الذهب المستخدمة في هذه التطبيقات واستبداله بمعادن نبيلة أخرى. قد تمتلك هذه المركبات الجديدة العديد من التطبيقات الإضافية. 

بينما يَعِد Goldene بفتح العديد من الأبواب الجديدة من حيث تطبيقاته العلمية والتكنولوجية، فإن افتتان المجتمع العلمي بمواد الذرة ذات الطبقة الواحدة ليس جديدًا. 

القضية المثيرة للفضول حول مواد الذرة ذات الطبقة الواحدة: الجرافين وأكثر

كلما تحدثنا عن مواد الذرة ذات الطبقة الواحدة، لا بد من مناقشة الجرافين. وهو شائع بسبب إمكاناته. يُستخرج من الجرافيت، الشكل البلوري للكربون، ويتميز الجرافين بخفة وزنه، مرونته، ومتانته. بالإضافة إلى رقته، يتمتع بمقاومة عالية، تصل إلى 200 مرة أكثر من الصلب. ومع ذلك، هو أخف بخمسة أضعاف من الألمنيوم. كما يمتلك قدرة على امتصاص الضوء وتوصيل كهربائي وحراري عالي.  

يُناقش الجرافين أكثر في هذه الأيام بسبب اختراق تم تحقيقه مؤخرًا حيث تمكن الباحثون من إظهار أول شبه موصل جرافين وظيفي بنجاح. قد يؤدي هذا الاكتشاف إلى تغييرات دراماتيكية في عالم الحوسبة والإلكترونيات. 

بينما قد يكون الجرافين هو المادة الأكثر شهرة وتطبيقًا على نطاق واسع في فئة مواد الذرة ذات الطبقة الواحدة، هناك عدة أمثلة أخرى في هذه الفئة. 

تُعرف مواد الذرة ذات الطبقة الواحدة أيضًا باسم المواد غير الطبقية ثنائية الأبعاد. سُميت بذلك لأن تكوينها يحدث عبر الروابط الكيميائية في ثلاثة أبعاد (3D)، مما ينتج عنه روابط معلقة غير مشبعة على السطح ويُسبب سطحًا عالي النشاط والطاقة. 

بالإضافة إلى الجرافين، يُعد الفوسفور الأسود، المعروف باسم الفوسفورين، مثالًا على مادة ذات طبقة واحدة. ومن بين المواد غير الطبقية الأخرى، لدينا أمثلة على السليكون والجيرمانين. 

نظرًا لخصائصها المعتمدة على الطبقة، وتأثيرات حافة الطبقة، وهياكل النطاق المتغيرة، غالبًا ما تُظهر هذه المواد مجموعة فريدة من الخصائص على حوافها. يمكن تعديلها عبر الإجهاد أو المجالات الكهربائية المطبقة، مما يمنحها خصائص ضبط. 

تشمل بعض أكثر المواد شيوعًا من مواد الذرة ذات الطبقة الواحدة أو المواد غير الطبقية ثنائية الأبعاد كالسولفيدات المعدنية، أكاسيد المعادن، أشباه الموصلات من الفئة III-V، والبروتقسات العضوية-غير عضوية. 

دعونا نلقي نظرة سريعة على بعض الأمثلة الواقعية لمثل هذه المواد. تشمل أمثلة السولفيدات المعدنية موصل الموليبدينوم ثنائي الكبريت (MoS2)، ثنائي الكبريت التنجستيني (WS2)، وثنائي السيلينيوم التنجستيني (WSe2)، بينما تُعد أكسيد الإنديوم (In2O3)، أكسيد القصدير (SnO2)، وأكسيد الزنك (ZnO) أمثلة رئيسية على أكسيدات المعادن. 

تُستمد تسمية أشباه الموصلات من الفئة III-V من كونها تتكون من عنصر من المجموعة الثالثة، مثل الألمنيوم أو الغاليوم أو الإنديوم، مرتبطًا بعنصر من المجموعة الخامسة، مثل الفوسفور أو الزرنيخ أو الأنتيمون. يُعد كلوريد الغاليوم (Gallium Arsenide) وفوسفات الإنديوم أمثلة على أشباه الموصلات من الفئة III-V. 

تشمل أمثلة البروتقسات العضوية-غير عضوية ميثيل أمونيوم يوديد الرصاص (MAPbI3) وفورماميدينيوم يوديد الرصاص (FAPbI3).

يمكن لهذه المواد أن تجد عدة تطبيقات. وهناك شركات تبني حلولًا تعتمد عليها. في الجزء القادم، سنستعرضها. 

#1. Haydale Graphene Industries

الطبيعة الخاملة للجرافين جعلتها صعبة الاعتماد. Haydale Graphene Industries، لمعالجة المشكلة، طورت عملية “مسحوق داخل، مسحوق خارج” يمكنها التغلب بسلاسة على مشكلة التفعيل بالبلازما. 

أُطلق على هذه العملية التي يمكنها إطلاق إمكانات الجرافين اسم Haydale HDPlas، وهي طريقة جافة، نظيفة، وصديقة للبيئة يمكنها تحسين الجرافين وغيرها من المواد النانوية من خلال منحها القوة الميكانيكية المطلوبة وتعزيز التوصيل الكهربائي والحراري.

قامت Haydale بتطوير العديد من الحلول القائمة على الجرافين، بما في ذلك مجموعة من الأحبار القابلة للتخصيص للجرافين للأجهزة الطبية الحيوية، والإلكترونيات المرنة، وعناصر التسخين، والتقنية القابلة للارتداء. كما أنها مزود لبورون نيتريد مُفعَّل، المعروف باسم الجرافين الأبيض. هذه المادة السيراميكية الاصطناعية غير سامة ويمكن العثور عليها في شكل صلب أو مسحوق. تشمل بعض خصائصها العزل، والقوة، والوزن، والتوصيل الكهربائي.

تثبت مجموعة Haydale من الجرافين المُفعَّل وإضافات المواد النانوية فعاليتها أيضًا في تصنيع منتجات الإيلاستومر. يمكن استخدامها في إطارات الدراجات الهوائية والطرق المصنوعة من المطاط، ونُعالِم أحذية المطاط، والحوامل، والحشوات. تُستخدم منتجات الجرافين من كربيد السيليكون التي تقدمها Haydale في معالجة أسطح السيراميك-البوليمر لحماية منتجات الخرسانة.

باستخدام الجرافين، طورت Haydale أيضًا مركبات مفيدة، والبلاستيك الحراري، وأدوات القطع الشمسية.

مؤخرًا أعلنت Haydale (AIM: HAYD) عن نتائجها المرحلية للسنة المنتهية في 31 ديسمبر 2023 (“FY23”). وفقًا للتقرير، ارتفعت إيرادات المجموعة بنسبة 38٪ لتصل إلى 2.47 مليون جنيه إسترليني (الربع الأول FY23 1.78 مليون جنيه إسترليني).

#2. Siemens

يمكن رؤية حالة استخدام متقدمة أخرى لأوراق الجرافين في بناء سيمنز للسايكلوترونات. استخدم مجموعة من الباحثين أوراق الجرافين كورقة مستخرج (مقشر) في سايكلوترون سيمنز إكليبس بقدرة 11 MeV. 

أظهرت هذه الأوراق توصيلًا حراريًا عاليًا بشكل استثنائي مقارنةً بالكربون وقوة ميكانيكية ملحوظة. كان عمرها أكثر من 16,000 PA*H. كما أدى استخدام أوراق الجرافين إلى زيادة كبيرة في عامل النقل — نسبة التيار الشعاعي على ورقة المقشر إلى التيار على الهدف — والتي تجاوزت 90٪. 

أظهر التجربة كيف يمكن لأوراق الجرافين ذات طبقة الذرة الواحدة أن تنافس بفعالية أوراق الكربون الأخرى، التي تُستخدم عادةً كأوراق مقشرة.

تُعرف سيمنز عالميًا بتصنيع منتجات عالية المستوى، متطورة، وتكنولوجية كثيفة. إن شركة تستخدم مواد الذرة ذات الطبقة الواحدة على شكل أوراق تُظهر إمكانات الفئة.

في السنة المالية 2023، حققت سيمنز إيرادات قدرها 19.66 مليار يورو، بزيادة ملحوظة عن 17.39 مليار يورو المسجلة في 2022.

مزيد من الاستكشافات حول مواد طبقة الذرة الواحدة

أظهرت الأبحاث الحديثة أن، بالإضافة إلى مواد مثل Goldene أو الجرافين، يقدم الفوسفور الأسود أحادي الطبقة، المعروف أيضًا باسم الفوسفورين، مزايا مميزة في تطبيقات الاستشعار. يعزو العلماء والباحثون هذه الفوائد الفريدة إلى بنية الفوسفورين المتعرجة، التي تمنح المادة نسبة سطح إلى حجم أكبر من الجرافين ومواد ثنائي كبريتيد المعادن الانتقالية (TMDCs). الفوسفورين متعدد الاستخدامات ويمكن استخدامه في سيناريوهات استشعار مختلفة، بما في ذلك استشعار الغازات، استشعار الرطوبة، الكشف الضوئي، الاستشعار الحيوي، واستشعار الأيونات.

يظهر الفوسفورين أيضًا وعدًا كبيرًا في مجال الإلكترونيات والضوئيات. كشفت المنشورات العلمية أن خصائصه الإلكترونية، النقلية، الضوئية، الحرارية، والميكانيكية المتباينة بطبيعتها تختلف بشكل ملحوظ عن تلك الخاصة بالجرافين ومواد ثنائي كبريتيد المعادن الانتقالية. سهولة تصنيعه وخصائصه الجديدة دفعت إلى تصميم وإظهار أجهزة نانوية جديدة.

أشارت دراسة أخرى إلى فوائد دمج الجرافين والفوسفورين. للتعمق في كيفية استفادة هذا الجمع، ننظر إلى المقارنات بين بطاريات الصوديوم أيون كبديل لبطاريات الليثيوم أيون. بينما تُظهر بطاريات الصوديوم أيون أداءً مماثلًا لنظيراتها من بطاريات الليثيوم أيون، فإن التحدي يكمن في تطوير مواد أنود أكثر قابلية للتطبيق. وهنا يأتي دور مزيج الجرافين-الفوسفورين.

في تجربة علمية، أظهر الباحثون إمكاناته. يمكن لمادة هجينة مكوّنة من عدة طبقات من الفوسفورين محصورة بين طبقات الجرافين أن تُظهر سعة محددة تبلغ 2,440 ملي أمبير‑ساعة غ⁻¹ (محسوبة باستخدام كتلة الفوسفور فقط) عند كثافة تيار 0.05 أمبير غ⁻¹ واحتفاظ بسعة بنسبة 83٪ بعد 100 دورة أثناء التشغيل بين 0 و1.5 فولت.

استخدم الباحثون تقنيات المجهر الإلكتروني الناقل في الوضعية (in situ) وتقنيات حيود الأشعة السينية خارج الوضعية (ex-situ) لتفسير السعة الكبيرة للأنود الذي طوروه. تم تطويره عبر آلية مزدوجة لتداخل أيونات الصوديوم على طول المحور x لطبقات الفوسفورين، تلتها تكوين سبيكة Na3P.

مادة أخرى ذات طبقة ذرة واحدة نجحت في جذب خيال المجتمع العلمي هي الجيرمانين. يتركز الاهتمام بالجيرمانين أساسًا على خصائصه البصرية. أظهرت الحسابات ذات الصلة أن ورقة الجيرمانين تمتص الضوء بشكل كبير في الطيف الشمسي وتظهر تباينًا بصريًا.

يتميز الجيرمانين بأنه شبه موصل لا يمتلك فجوة طاقة (صفر) وتشتت نطاق خطي حول نقطة K. بينما يحدث فتح الفجوة في وجود جهد تحيزي، فإنها تزداد خطيًا مع زيادة قوة الجهد التحفيزي.

لذلك، ليس فقط Goldene بل مجموعة من مواد طبقة الذرة الواحدة، بما في ذلك الجرافين، الفوسفورين، الجيرمانين، وأكثر، على وشك فتح آفاق علمية جديدة لاكتشافات المستقبل.

يجب أن نحافظ على تركيزنا الثابت على خصائص هذه المواد. فقط عندها سنتمكن من اكتشاف المزيد من التطبيقات. يجب أن نتذكر أن النشاط السطحي العالي للمواد غير الطبقية ثنائية الأبعاد يجعلها محفزات مفيدة لتفاعلات حاسمة، مثل أكسدة ثاني أكسيد الكربون واختزال الماء.

أثبتت هذه المواد قيمتها في تخزين الطاقة وتحويلها من خلال المساعدة في تصميم خلايا الوقود والخلايا الشمسية. في مجال الضوئيات، تؤدي خصائصها إلى إنتاج صمامات ضوئية (LED) عالية الجودة، والليزر، وأجهزة الاستشعار. كما تساعد خصائص العزل الطوبولوجي في صنع عوازل توصل الكهرباء على سطحها ولكن تعزل في الكتلة.

في المجمل، تُعد مواد طبقة الذرة الواحدة المتقدمة بوابات إلى مجموعة متعددة من الفرص. في المستقبل، سنشهد اعتمادًا واسعًا لها بالتأكيد!

انقر للحصول على قائمة بخمس شركات رائدة في تطوير تكنولوجيا النانو.