علوم المواد
تأثير الأكورديون للجرافين يعزز مستقبل التكنولوجيا القابلة للارتداء
لم يتم اكتشاف الجرافين إلا قبل حوالي عقدين من الزمن. خلال هذه الفترة القصيرة، أصبح هذا “المادة المعجزة” جزءًا أساسيًا من الإلكترونيات وتكنولوجيا أشباه الموصلات، وتخزين الطاقة، وإدارة الحرارة، وعلوم المواد، وغيرها من الصناعات.
منذ أن عزل الأساتذة كوستيا نوفوسيلوف وأندريه غايم من جامعة مانشستر الجرافين في عام 2004 وخصّصوه، وحصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010، ظل هذا المادة واحدة من أكثر المجالات البحثية إثارة في مجال الإلكترونيات.
الجرافين مادة ثنائية الأبعاد (2D) تتكون من ورقة رقيقة للغاية تتألف من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون. إنها تظهر خصائص ملحوظة، بما في ذلك خفتها، وتوصيلها الكهربائي العالي جدًا، وقوتها الميكانيكية العالية.
الآن، اكتشف الباحثون خاصية جديدة للجرافين باستخدام طريقة فريدة.
تأثير الأكورديون: جعل الجرافين قابلًا للتمدد بشكل كبير
بقيادة ياني كوتاكوسكي، قامت فريق الفيزيائيين في جامعة فيينا بجعل الجرافين، للمرة الأولى، أكثر قابلية للتمدد بشكل ملحوظ عن طريق التعامل معه كالأكورديون. تم الكشف عن هذه الخاصية الجديدة في بيئة قياس نظيفة وخالية من الهواء.
تجعل تموجات الجرافين المادة قابلة للتمدد، مما يمهد الطريق لاستخدامها في الأجهزة القابلة للارتداء، حيث تحتاج المواد إلى الانحناء والتحرك مع الجسم مع الحفاظ على عملها بشكل موثوق.
نُشر في مجلة Physical Review Letters1، أُجري الدراسة بالتعاون مع جامعة فيينا للتكنولوجيا وتم تمويلها من قبل الصندوق العلمي النمساوي (FWF).
أجرى فريق الباحثين تجارب أوضحت أن صلابة الجرافين الشديدة تعود إلى ترتيب الذرات في المادة على شكل خلية نحل؛ وبالتالي، فإن إزالة بعض الذرات مع روابطها يقلل من صلابتها.
أفادت الدراسات العلمية بتناقضات؛ فقد لوحظ كل من انخفاض طفيف وزيادة ملحوظة.
أوضحت الدراسة الأخيرة ذلك بوضوح بفضل استخدام أجهزة متقدمة، التي شاركت نفس البيئة النظيفة والخالية من الهواء. وفقًا لكوتاكوسكي:
“هذا النظام الفريد الذي طورناه في جامعة فيينا يتيح لنا فحص المواد ثنائية الأبعاد دون تدخل.”
تسمح البيئة النظيفة والخالية من الهواء بنقل العينات بين الأجهزة المختلفة دون تعريضها للهواء المحيط.
“لأول مرة تم إجراء هذا النوع من التجربة مع عزل الجرافين تمامًا عن الهواء المحيط والجسيمات الغريبة التي يحتويها. بدون هذا العزل، كانت هذه الجسيمات ستستقر بسرعة على السطح مما يؤثر على إجراءات التجربة والقياسات.”
– المؤلف الأول للدراسة، وائل جودي
أدى التركيز على نظافة سطح المادة إلى اكتشاف تأثير الأكورديون المرتبط بصلابة الجرافين.
إزالة ذرتين متجاورتين يسبب بالفعل انتفاخًا ملحوظًا في المادة المستوية في البداية. مجموعة من هذه الانتفاخات تؤدي إلى تجعد المادة.
“يمكنك تخيل ذلك كالأكورديون. عند سحبها بعيدًا، يصبح المادة المموجة مسطحة الآن، مما يتطلب قوة أقل بكثير من تمديد المادة المستوية وبالتالي تصبح أكثر قابلية للتمدد.”
– جودي
تم تأكيد تكوين الموجات والتمدد اللاحق من خلال المحاكاة التي أجراها فلوريان ليبيش وريكا ساسكيا وينديش، الفيزيائيان النظريان من جامعة فيينا للتكنولوجيا.
أفادت الدراسة بملاحظة انخفاض مقاومة المادة للتشوه المرن من 286 إلى 158 نيوتن/متر. هذا الانخفاض “أكبر بكثير” مما تتوقعه معظم الدراسات، بل وعلى عكس بعض القياسات المقدمة، وذلك بسبب التجعد الناتج عن الإجهاد المحلي عند الفجوات التي تحتوي على ذرتين مفقودتين على الأقل.
أظهرت التجارب التي أجراها الفريق “أن التأثير العكسي يمكن قياسه عندما لا يتم إزالة تلوث السطح قبل هندسة العيوب.”
إذن، الجسيمات الغريبة على سطح المادة في الواقع تقمع هذا التأثير وتخلق نتيجة عكسية. على وجه الخصوص، جعلت تأثير هذه الجسيمات الجرافين يبدو أكثر صلابة، مما يوضح التناقضات التي أبلغت عنها التجارب السابقة. وفقًا لجودي:
“هذا يوضح أهمية بيئة القياس عند التعامل مع المواد ثنائية الأبعاد. تفتح النتائج طريقًا لتنظيم صلابة الجرافين وبالتالي تمهيد الطريق لتطبيقات محتملة.”
دفع حدود الجرافين باكتشافات متقدمة
تقنية الأجهزة القابلة للارتداء هي صناعة مزدهرة، من المتوقع أن تتجاوز قيمتها 150 مليار دولار قبل انتهاء العقد.
المكون الرئيسي للأجهزة القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية، الخواتم، النظارات، أساور المعصم، الوشوم الذكية، المجوهرات، الأقمشة، الضمادات، أقنعة الوجه، ومنظم الجلوكوز في الوقت الحقيقي هو المستشعرات، التي تسهل اكتشاف البيانات الحيوية، وتجمع البيانات، ثم تتكيف مع متطلبات الجسم.
أدى التطور السريع للأجهزة الكهربائية المرنة والقابلة للإحساس إلى ظهور مستشعرات قابلة للارتداء تعتمد على الجرافين، والتي تُعد ذات إمكانات كبيرة لجعل مرافق الرعاية الصحية أكثر وصولًا وتحسين جودة أنشطة الاستشعار.
على عكس أشباه الموصلات التقليدية، التي تكون صلبة وتتمتع بخصائص ضوئية إلكترونية محدودة، والمعادن التي قد تكون مكلفة وسامة وتتعرض لتدهور الأداء عند تعرضها لإجهادات ميكانيكية، تجعل خصائص الجرافين الفطرية منه مناسبًا جدًا لبناء أجهزة قابلة للارتداء منخفضة التكلفة ومتعددة الوظائف.
أظهرت الدراسة الأخيرة قدرة المادة المدهشة في هذه الأجهزة بفضل الزيادة الكبيرة في قابلية تمددها. لكن هذه ليست المرة الأولى؛ على مر السنين، قامت العديد من الدراسات بالتحقيق في دور الجرافين في الأجهزة القابلة للارتداء لأسباب مختلفة وأجرت العديد من الاكتشافات الجديدة حوله.
انقر هنا لتعرف لماذا يفتح تنظيف الجرافين الطريق لتسويقه.
مستشعر إجهاد قابل للارتداء يعتمد على الجرافين
في العام الماضي، قام الباحثون بتطوير2 مستشعر إجهاد قابل للارتداء يستخدم الجرافين يمكنه اكتشاف وإرسال الكلام الصامت.
الطوق “الذكي” الذي بناه الباحثون من جامعة كامبريدج يلتقط الحركات الدقيقة في الحلق، والتي يلتقطها مستشعر الإجهاد كإشارة كهربائية ثم تُغذى إلى نماذج برمجية للمعالجة والتعرف على الكلام. يمكنه حتى التقاط الكلمات التي تُنطق صامتًا وإرسالها.
يتميز الجهاز القابل للارتداء بتركيب فريد، يتضمن شقوقًا مرتبة على الأقمشة المغلفة بالجرافين، مما يعزز الحساسية بشكل كبير. تم تطبيق طبقة الجرافين المهيكلة فوق المستشعر النسيجي المتكامل.
طريقة التصنيع لهذه التقنية بسيطة، قابلة للتوسع، منخفضة التكلفة، ومتوافقة حيويًا. يمكن للجهاز التكيف مع الاستخدام الطويل ويتحمل أكثر من 10,000 دورة تمدد وإفراج مع الحفاظ على وظيفة كهربائية مستقرة وموثوقة.
من خلال الاستجابة الديناميكية لحركات الحلق الدقيقة، يمكنه التقاط إشارات كلام غنية بالمعلومات، التي تُعالج عبر شبكة عصبية، مع دقة قياسية تبلغ 95.25٪ في فك تشفير الكلام.
وفقًا للباحثين، يمتلك الجهاز القدرة على إعادة تعريف مجال واجهة الكلام الصامت (SSI)، التي تتضمن حلولًا متقدمة لتمكين التواصل اللفظي دون النطق.
دمج الجرافين مع الحرير للإلكترونيات المرنة
في دراسة أخرى، طور الباحثون في قسم الطاقة بالمختبر الوطني الشمالي الغربي للمحيط الهادئ (PNNL) طبقة 2D موحدة من “الفايبروينات” أو شظايا بروتين الحرير على الجرافين.
استخدام بروتين الحرير في الإلكترونيات المصممة ليس جديدًا، لكنه محدود بسبب أن ألياف الحرير تشكل تشابكًا فوضويًا من الخيوط. لذا، تم إضافة الجرافين.
يمكن أن يخلق الحرير على الجرافين ترانزستورًا حساسًا وقابلًا للتعديل مطلوبًا بشدة لتطبيقات الصحة وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء. يمكنه أيضًا أن يكون جزءًا أساسيًا في “الميمريستور” التي تُستخدم في الشبكات العصبية وتتيح للكمبيوتر تقليد طريقة عمل الدماغ البشري.
كان الحرير موضوعًا للعديد من الأبحاث كوسيلة لتعديل الإشارات الإلكترونية، لكن تحقيق التحكم ليس سهلًا. لذا، قام فريق PNNL بالتحكم الدقيق في ظروف التفاعل عن طريق إضافة ألياف الحرير الفردية بدقة إلى النظام القائم على الماء الذي أنشأ طبقة 2D منظمة للغاية من البروتينات المعبأة في صفائح بيتا المتوازية.
هذه مجرد الخطوة الأولى في طبقة الحرير المتحكم فيها على المكونات الإلكترونية الوظيفية، مع تركيز البحوث المستقبلية على تحسين استقرار وموصلية الدوائر المتكاملة بالحرير.
زرعة “وشم” جرافين لعلاج اضطرابات نبضات القلب
في الوقت نفسه، طور الباحثون من جامعة تكساس في أوستن (UT) وجامعة نورثويسترن زرعة قلبية أولى باستخدام الجرافين لعلاج اضطراب نظم القلب.
تحدث هذه الاضطرابات عندما ينبض القلب ببطء شديد أو بسرعة مفرطة، وفي كثير من الحالات قد تؤدي إلى سكتة دماغية، فشل القلب، وحتى الموت المفاجئ. لعلاج اضطراب النظم، يستخدم الأطباء عادةً منظمات ضربات القلب القابلة للزرع التي تكتشف نبضات القلب غير المنتظمة وتستخدم التحفيز الكهربائي لتصحيح الإيقاع.
تحتاج هذه الأجهزة إلى مواد صلبة وقاسية لا تتوافق ميكانيكيًا مع الجسم، وبالتالي يصعب تثبيتها على سطح القلب. قد تتسبب في انزعاج مؤقت، وإصابة الأنسجة الرخوة، وتقييد الحركات الطبيعية، وتسبب مضاعفات.
على عكس ذلك، فإن الزرعة الحيوية الجديدة المصنوعة هي “وشم” جرافين، الذي يشبه مظهره الوشم المؤقت. هو أرق من خيط شعر واحد، لكنه يعمل مثل منظم ضربات القلب التقليدي.
الجهاز الرقيق الجديد يلتصق برفق بالقلب ليتعرف على نبضات القلب غير المنتظمة ويعالجها. إنه مرن بما يكفي للتكيف مع ملامح القلب الدقيقة وقوي بما يكفي لتحمل الحركات الديناميكية للقلب النابض.
“لأسباب التوافق الحيوي، يعتبر الجرافين جذابًا بشكل خاص. الكربون هو أساس الحياة، لذا فهو مادة آمنة تُستخدم بالفعل في تطبيقات سريرية مختلفة. كما أنه مرن وناعم، مما يجعله مناسبًا كواجهة بين الإلكترونيات وعضو ناعم ونشط ميكانيكيًا.”
– المؤلف الأول إيغور إيفيموف
لتغليف وشم الجرافين وجعله يلتصق بسطح القلب النابض، تم تغليف الجرافين داخل غشاء سيليكون مرن يحتوي على فتحة للوصول إلى قطب الجرافين. ثم وُضع شريط ذهبي بسمك 10 ميكرون على الطبقة المغلفة كاتصال بين الجرافين والإلكترونيات الخارجية المستخدمة لقياس وتحفيز القلب.
بلغ السمك الكلي للجهاز حوالي 100 ميكرومتر، وحافظ على استقراره لمدة 60 يومًا، وهو ما يُقارن بمدة عمل منظمات الضربة المؤقتة.
لاختبار الجهاز، زرعه الباحثون في فأر ووجدوا أنه يستطيع اكتشاف إيقاعات القلب غير المنتظمة بنجاح ثم توفير التحفيز الكهربائي عبر سلسلة من النبضات دون التأثير على حركات القلب الطبيعية.
ومن الجدير بالذكر أن التقنية شفافة بصريًا، مما يعني أن الباحثين يمكنهم استخدام مصدر ضوء بصري خارجي لتسجيل وتحفيز القلب عبر الجهاز. يوفر هذا نهجًا جديدًا لتحديد وعلاج الأمراض المتعلقة بالقلب ويخلق فرصًا جديدة في علم الجينات الضوئية.
حتى الجرافين غير المثالي له فوائد كبيرة
منذ أقل من عامين، طور الباحثون من جامعة فيينا للتكنولوجيا نموذجًا حاسوبيًا لهياكل جرافين واقعية، أظهر أن الخصائص الإلكترونية الممتازة للجرافين مستقرة جدًا. وهذا يعني أن قطع الجرافين غير المثالية يمكن استخدامها في التطبيقات التقنية.
لذلك، يتم حساب انتشار التيار الكهربائي في الجرافين على مستوى الذرة في قطعة صغيرة جدًا منه. شرح الأستاذ فلوريان ليبيش من معهد الفيزياء النظرية بجامعة TU Wien في ذلك الوقت أن الإلكترونات لديها عدة طرق مختلفة للتحرك عبر المادة، وليس ذلك فحسب، بل يمكنها اتخاذ عدة مسارات في الوقت نفسه، والتي قد تتداخل بطرق مختلفة.
تلغي المسارات بعضها البعض عند قيم طاقة محددة جدًا، حيث يكون احتمال مرور الإلكترونات عبر قطعة الجرافين منخفضًا للغاية ويكون التيار الكهربائي ضئيلًا، وهو ما يُسمى “تداخل هدام”.
يُعد الانخفاض الكبير في تدفق التيار عند قيم طاقة محددة جدًا “تأثيرًا مرغوبًا للغاية من الناحية التقنية”، ويمكن استخدامه لمعالجة المعلومات على نطاق صغير، كما تفعل المكونات الإلكترونية في شرائح الحواسيب، ولتطوير حساسات كمية جديدة.
لكن الأمر ليس بسيطًا، إذ إن حجم وشكل قطعة الجرافين لا يكون دائمًا ثابتًا. يجب أخذ عوامل أخرى مثل الذرات غير المرغوب فيها، واهتزاز الذرات، وتعدد التفاعلات بين عدة إلكترونات، والتي يصعب حسابها، في الاعتبار لت “وصف مادة الجرافين بطريقة واقعية حقًا”.
لذلك، جمع الباحثون سنوات خبرتهم في وصف التأثيرات المختلفة في المواد في نماذج حاسوبية لتطوير نموذج شامل يضم جميع مصادر الأخطاء وتأثيرات الاضطراب الموجودة في الجرافين. مكنهم ذلك من إظهار أن التأثيرات المطلوبة مرئية حتى في وجود مصادر الأخطاء.
كانت الدراسة مهمة في إظهار إمكانات استخدام التأثيرات الكمية في الجرافين بطريقة مُتحكم فيها.
تحويل الجرافين إلى مغناطيسات دقيقة
وسط كل ذلك، أضاف خبراء ألمان جانبًا آخر إلى خصائص الجرافين المتنوعة التي أظهرت إمكانات المادة في مفاتيح ومخازن مغناطيسية.
قام الباحثون من جامعة دويسبورغ-إيسن (UDE) بإجراء تجارب في مركز هيلمهولتز-دريسدن-روسندورف (HZDR)، حيث أصابوا أقراصًا صغيرة من المادة بنبضات تيراهرتز (THz) قصيرة، مما حولها لفترة وجيزة إلى مغناطيسات قوية جدًا. قد يكون هذا الاكتشاف مفيدًا لتطوير مفاتيح ومخازن مغناطيسية مستقبلية.
ما فعله العلماء هنا هو أنهم استخدموا طرق أشباه الموصلات القائمة لوضع آلاف أقراص الجرافين بحجم ميكرومتر (μm) على رقاقة صغيرة، ثم خضعوا لهذه الرقاقة لنبضات تيراهرتز قصيرة، وهو نوع من الإشعاع يقع بين الموجات الدقيقة والنطاق تحت الأحمر.
كمصدر للضوء، استخدموا ليزر FELBE للإلكترونات الحرة في HZDR القادر على إنتاج نبضات تيراهرتز شديدة الكثافة.
إلى جانب تحول أقراص الجرافين بحجم الميكرو متر إلى مغناطيسات كهربائية، أنتج الفريق حقولًا مغناطيسية في نطاق 0.5 تسلا، أي حوالي 10,000 مرة المجال المغناطيسي للأرض، والتي استمرت فقط عشرة بيكوثانية أو جزء من مئة مليار من الثانية.
لتحقيق هذا النجاح، اضطر الباحثون إلى استقطاب نبضات التيراهرتز بطريقة معينة. هنا، غيرت البصريات المتخصصة اتجاه تذبذب الإشعاع بحيث يتحرك حلزونيًا عبر الفضاء.
عندما تضرب النبضات المستقطبة دوائرًا الأقراص الصغيرة، تبدأ الإلكترونات الحرة فيها بالدوران، مما يحول الأقراص إلى مغناطيسات كهربائية دقيقة.
وفقًا للباحثين، يمكن استخدام العملية البسيطة والفعالة للغاية في التجارب العلمية للحصول على فهم أكثر تفصيلاً لخصائص المواد. ومن الجدير بالذكر أن المجال المغناطيسي ظل أحادي القطبية، مما يجعله مفيدًا لبعض التجارب.
في المستقبل، قد تجد هذه المغناطيسات الدقيقة تطبيقًا في تكنولوجيا التخزين المغناطيسي والسبينترونكس.
الاستثمار في الجرافين
إحدى الشركات التي تبرز في قطاع الجرافين هي CVD Equipment Corporation (CVV ). تصمم الشركة وتصنع أنظمة تُستخدم في الترسيب الكيميائي للبخار، وهي تقنية رئيسية لإنتاج جرافين عالي الجودة. ومع استمرار الصناعات في استكشاف تطبيقات الجرافين في العالم الحقيقي، خاصة في الإلكترونيات وعلوم المواد، قد يمنح تركيز CVD المتخصص لها ميزة استراتيجية مع تزايد الطلب.
CVD Equipment Corporation (CVV )
تطور شركة CVD Equipment الأمريكية أنظمة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، التي تُستخدم لإنشاء مواد متقدمة مثل الجرافين، بالإضافة إلى الطلاءات المستخدمة في الطاقة والفضاء وغيرها من الصناعات.
كما تقدم أبحاث وتطوير الجرافين ومعدات إنتاج متخصصة لإنتاج جرافين عالي الجودة على نطاق واسع.
تعمل الشركة عبر قسمين. الأول هو CVD Equipment، الذي يصمم ويصنع معدات النقل الفيزيائي للبخار، والترسيب الكيميائي للبخار، ومعدات العمليات الحرارية. الثاني هو Stainless Design Concepts (SDC)، الذي يركز على أنظمة التحكم في توصيل الغازات والمواد الكيميائية ذات النقاء الفائق.
(CVV )
فيما يتعلق بأداء سهم CVD في السوق، حتى وقت كتابة هذا المقال، يتم تداوله بسعر 2.84 دولار، بانخفاض 34٪ منذ بداية العام. وبذلك، حققت رأس مال سوقي قدره 20 مليون دولار مع ربحية السهم (TTM) بقيمة -0.28 ومعدل السعر إلى الأرباح (TTM) بقيمة -10.43.
فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، أبلغت CVD عن إيرادات قدرها 26.9 مليون دولار للعام الكامل 2024، بزيادة قدرها 11.5٪ مقارنة بالعام السابق. وكان ذلك مدفوعًا أساسًا بزيادة الإيرادات من عقود الفضاء الجارية، وقسم SDC، ومبيعات نهائية بقيمة 0.8 مليون دولار من قسم MesoScribe، الذي أغلق عملياته العام الماضي.
قفزت نسبة هامش الربح الإجمالي لشركة CVD Equipment بنسبة 2.6٪ لتصل إلى 23.6٪ في عام 2024. كان الخسارة التشغيلية للفترة 2.4 مليون دولار، والخسارة الصافية 1.9 مليون دولار، أو 0.28 دولار للسهم الأساسي والمخفف.
في العام الماضي، شهدت الشركة أيضًا زيادة بنسبة 8.9٪ في حجوزات الطلبات الجديدة، التي وصلت إلى 28.1 مليون دولار، بينما كان المتبقي في نهاية العام 19.4 مليون دولار.
قال الرئيس التنفيذي ماني لاكيوس: “خلال عام 2024 نستمر في رؤية تعافي مستمر لسوق الفضاء والدفاع لدينا”، مشيرًا إلى أن سوق كربيد السيليكون لا يزال “تحديًا بسبب فائض السعة والانخفاض العالمي في أسعار الرقائق”.
آخر المستجدات حول شركة CVD Equipment
الخلاصة
معروف بخفته ومرونته ومتانته وارتفاع توصيله الكهربائي، تم بحث الجرافين واستخدامه على نطاق واسع في تطبيقات الطاقة والإلكترونيات والقطاع الصحي.
كما أشرنا أعلاه، فإن عدة تطورات مثيرة، مثل أطواق الكلام الصامت والوشوم المراقبة للقلب، توسع باستمرار عالم الجرافين. الآن، يضيف الاكتشاف الأخير لتأثير الأكورديون في الجرافين خاصية أخرى: قابلية تمدد محسنة، مما يظهر توافق المادة السحرية مع الأجهزة القابلة للارتداء.
بالإضافة إلى خصائصه الكهربائية والميكانيكية والبيولوجية المتفوقة، يُعد الجرافين مادة واعدة للغاية لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء الذكية من الجيل القادم!
انقر هنا لتعرف كيف سيلعب الجرافين دورًا حاسمًا في إنترنت الجيل السادس (6G).
الدراسات المشار إليها:
1. جودي، و., وينديش، ر. س., ترينتينو، أ., بروبست، د., مادسن، ج., سوسي، ت., مانغلر، س., موستونن، ك., ليبيش، ف., & كوتاكوسكي، ي. (2025). تليين ميكانيكي مهيمن على التجعد في الجرافين المُهندَس بالعيوب. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102
2. تانغ، س., شو، م., يي، و., تشانغ، ي., وانغ، ج., لي، ه., & تشاو، ي. (2024). مستشعرات إجهاد نسيجية فائقة الحساسية تعيد تعريف واجهات الكلام الصامت القابلة للارتداء بكفاءة عالية في التعلم الآلي. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1
