۴۰ تحول گرافن در زندگی ما (بخش اول)

گرافن ماده‌ای قدرتمند و منعطف بوده که حدود ۱۵ سال از شناسایی دقیق آن می‌گذرد. زمان زیادی برای بهبود و توسعه این ماده در آزمایشگاه‌ها صرف شده‌ و مدتی از ورود گرافن به بازار می‌گذرد.

اولین موج محصولات مبتنی بر گرافن در دنیای گوشی‌های هوشمند، پوشیدنی‌ها، باتری‌ها، واقعیت مجازی، تجهیزات ورزشی، ابرخازن‌ها و ابرخوردروها مورد استفاده قرار گرفتند. اما این تازه شروع ماجرای گرافن است.

سال‌ها است که دانشمندان و تولیدکنندگان در تلاش برای استفاده از ظرفیت‌های این ماده خارق‌العاده‌اند و این ماده در شرف متحول ساختن بسیاری از چیزهایی است که ما به‌طور روزمره از آن‌ها بهره می‌بریم.

خنک‌کننده گرافنی در هواوی میت 20 ایکس

جای تعجب است که چرا این غول فناوری روی این ماده مانور تبلیغاتی نداده‌است، اما در هر حال استفاده از گرافن در گوشی میت 20 ایکس کاملا بدیع و نوآورانه است.

البته جزئیات استفاده از گرافن در سیستم خنک‌سازی این گوشی ۷.۲ اینچی مبهم است.

تمام چیزی که می‌دانیم این است که یک فیلم از گرافن (که به‌لطف ساختارش رسانایی گرمایی بسیار خوبی دارد) در اتصال با یک محفظه بخار قرار دارد تا این گوشی هوشمند را خنک نگه‌دارند.

نانو الکترونیک گرافنی

گرافن ۲ بعدی و فوق نازک، جریان الکتریسیته را بهتر از هر ماده دیگری منتقل می‌کند. این موضوع روی کاغذ به معنای سرعت بیشتر و اتلاف انرژی کمتر است. اما چالش بزرگ، مهندسی یک ترانزیستور گرافنی است که به‌طور قابل اطمینانی قطع و وصل شود.

محققان DTU Physics دانمارک یک تکنیک جدید نانولیتوگرافی ابداع کرده‌اند که گرافن را در ابعاد نانو بدون از دست رفتن ویژگی‌های الکتریکی آن می‌برد.

توانایی به کارگیری خصوصیات الکترونیکی گرافن در ابعاد نانو، نوید ظهور قطعات الکترونیک جدید با ابعاد بسیار کوچک در آینده‌ای نزدیک را می‌دهد.

برچسب تناسب اندام گرافنی

انعطاف و  حساسیت بسیار زیاد نسبت به تغییرات گرما و نور، گرافن را به ماده‌ای تأثیرگذار در آینده دستگاه‌های پوشیدنی مبدل می‌سازد. برچسب تناسب اندام پوستی ICFO در بارسلونا قادر به انجام تمامی کارهای یک فیت‌بیت بوده اما تنها به شکل یک برچسب است.

این برچسب ضربان قلب، آب بدن و نرخ تنفسی را با دقت بالاتر و مصرف انرژی کمتری نسبت به دستبندهای سلامتی تحت نظر می‌گیرد.

متاسفانه این برچسب فعلا تنها یک نمونه اولیه است اما ICFO معتقد است که این برچسب به‌راحتی می‌تواند به گوشی هوشمند شما متصل شده و به شما اعلانیه‌های مرتبط با سلامتی نشان دهد.

کارت‌های بدون نیاز به تماس گرافنی

کارت‌های یکبار مصرف پلاستیکی هم‌اکنون بسیار پرکاربردند اما در آینده جایی نخواهند داشت. در حال حاضر کارت‌های هتل و بانک از پلاستیک به همراه آنتن NFC در داخل آن تشکیل شده‌اند. در این آنتن از فلزات کمیاب استفاده می‌شود.

آنتن‌های NFC ساخته‌شده از گرافن قیمت کمتری داشته و توانایی بازیافت نیز خواهند داشت.

علاوه‌بر این از گرافن می‌توان در کلیدهای الکترونیک، بلیط‌های کنسرت، قطار و ... نیز بهره برد.

سیمان گرافنی

به خانه‌ای فکر کنید که بدون سیم‌های گران‌قیمت مسی ساخته شود. یکی از هیجان‌انگیزترین رونمایی‌های قسمت گرافن کنگره جهانی ۲۰۱۹ سیمان رسانای گرافنی بود. سیمان گرافنی می‌تواند تحولی در عمران ایجاد کند.

گرافن به کار رفته این سیمان را رسانا می‌کند، لذا نیازی به کابل‌های برق نیست. اما این سیمان برتری دیگری هم دارد: خنک‌سازی.

در کشورهای گرم یک دیوار رسانای گرما می‌تواند گرمای داخل خانه را خارج کرده و بدون نیاز به دستگاه‌های گران‌قیمت خانه را خنک‌تر سازد. 

ایرفون‌های نانین MediaDevil Artisanphonics CB-01

ایرفونی از گرافن با قیمت پایین که کیفیت بالاتری نیز دارد! این محصول توسط شرکت ورسارین تولید شده‌است.

غشای دیافراگم هر ایرفون در این محصول از گرافن ساخته شده‌است، این غشا قوام و پایستگی یک غشای معمولی را در ضخامتی بسیار کمتر دارد، اما به‌دلیل انعطاف بیشتر گرافن تربل و بیس بیشتری به همراه دارد. این محصول با iOS و اندروید سازگاری کامل دارد.

بازی‌های رومیزی گرافنی

آیا تا به حال به حضور نور در بازی‌های رومیزی مثل مونوپولی اندیشیده‌اید؟ جوهر الکترولومینسنت به‌لطف گرافن قادر به تولید نور است. نوالیا و دانشگاه کمبریج بازی رومیزی را تولید کرده‌اند که دارای صفحه لمسی روی صفحه بازی، تاس درخشان و کارت‌های چندزبانه است.

این بازی به فروش نخواهد رسید اما این نکته را گوشزد می‌کند که جوهرهای گرافنی می‌توانند روی هر سطحی اعم از مقوا، چوب، شیشه و ... چاپ شده و سطوح هوشمند تولید کنند.

آشکارساز گاز گرافنی

ICN (مؤسسه دانش و فناوری نانوی کاتالان) نشان داد که می‌توان از جوهرهای الکترولومینسنت گرافنی به‌عنوان آشکارساز گاز استفاده کرد.

نمونه اولیه ICN یک نمایشگر الکترولومینسنت بوده که توانایی اندازه گیری هر گازی را دارد، از سطح رطوبت گرفته تا گازهای سمی مانند کربن مونواکسید، کربن دی‌اکسید و نیتریک اکسید.

حسگر گرافنی به تناسب تغییرات هوا رسانا شده و موجب تابش نور می‌شود. هرچه تغییرات بیشتر شدت نور هم بیشتر.

دانشگاه تارتو در استونی نیز دستگاهی مبتنی بر سنسورهای گرافنی طراحی کرده که قادر به تشخیص سطوح بسیار کم آلاینده‌های هواست.

ابرخازن‌های گرافنی

از آنجایی که گرافن الکتریسیته را بسیار خوب هدایت می‌کند، می‌تواند در ساخت باتری‌های فوق سریع با قابلیت کنترل جریان‌هایی بسیار بالاتر از ظرفیت باتری‌های لیتیومی، مورد استفاده قرار گیرد.

ابرخازن‌ها دستگاه‌هایی برای ذخیره‌ الکتریسیته هستند که می‌توانند با سرعتی بسیار بالا شارژ و دشارژ شوند. غول‌های هوافضا مانند Thalse و M-SOLV پنج سال است که روی ساخت ابرخازن‌های گرافنی کار می‌کنند.

یک تکنیک جدید پوشش به محققان اجازه داده تا قدرت ابرخازن‌ها را به پنج برابر افزایش دهند. استفاده از ابرخازن‌های گرافنی در محصولات را احتمالا در انتهای سال ۲۰۱۹ شاهد خواهیم بود.

لباس‌های هوشمند گرافنی

آیا دوره پوشیدنی‌ها دوره‌ی حضور فیت‌بیت‌ها و اپل واچ 4 است؟ سخت در اشتباهید، اگر این دستگاه‌ها نسل اول پوشیدنی‌ها باشند نسل بعدی پوشیدنی‌های گرافنی خواهند بود.

از آن‌جایی که جوهرهای گرافنی قابلیت چاپ روی سطوح منعطف مانند پلاستیک، پارچه و کاغذ را دارند، تولید لباس‌های رسانا و مبتنی بر گرافن ممکن شده‌است. مرکز تحقیقات فنی VTT تیشرتی با رابط لمسی با کمک گرافن تولید کرده‌است.

مدار چاپ شده روی این تیشرت توانایی همگام‌شدن با گوشی ازطریق بلوتوث را دارد، این موضوع به این معنا است که می‌توانید با لمس لباستان به تماس‌هایتان پاسخ دهید.

این فناوری می‌تواند برای سربازان، آتش‌نشانان و ورزش‌کاران نیز مفید واقع شود.

برچسب گرافنی ردیابی اشعه ماورای بنفش

امروزه لباس‌های محافظ دربرابر اشعه ماورابنفش رایج شده‌اند. این لباس‌ها پوست شما را از آسیب اشعه ماورای بنفش حفظ می‌کنند. اما تصور کنید که این لباس‌ها قادر بودند میزان اشعه تابیده به پوست شما را گزارش کنند. این حسگر بسیار نازک و منعطف دقیقا همین کار را انجام می‌کند.

این حسگر شاخص ماورای بنفش را اندازه‌گیری کرده و به گوشی شما اعلانیه ارسال می‌کند. برای استفاده از این برچسب کافی است آن را مستقیما به پوست یا لباس خود متصل کنید. این برچسب در آینده کوچک‌تر و حتی کاملا شفاف خواهد شد.

کفی هوشمند کفش برای ورزشکاران

گرافن در پوشیدنی‌های پا نیز تحول زیادی ایجاد کرده‌است. جوراب‌ها و کفی‌های هوشمند با قابلیت سنجش فشار، محصولاتی جدید نیستند. اما این محصولات تنها دارای چند حسگر فشار درون خود هستند. این نمونه اولیه بیش از ۱۰۰ حسگر درون خود دارد و قادر به تشخیص دقیق فشار پا است. سنسورهای گرافنی به کار رفته در این محصول، با دقتی میلی‌گرمی به فشار پاسخ می‌دهد.

کفش‌های گرافنی خنک

گرافن هدایت گرمایی بسیار خوبی دارد، پس چرا از آن در یک محیط داغ کفش تولید نکنیم؟ مؤسسه فناوری ایتالیا از گرافن به همراه پلی‌اورتان نمونه اولیه کفش خود را ساخته‌است. این نمونه ۵۰ درصد گرمای بیشتری نسبت به کفش ساخته شده از پلی اورتان دفع می‌کند.

گرافن ارزش بسیار بالایی در فرایند تولید دارد. گرافن در صورت اضافه شدن بهتر از جایگزینی عمل می‌کند. حتی برترین کفش‌های گرافنی نیز تنها از ۱٪ گرافن تشکیل شده‌اند.

بهینه‌ترین سلول خورشیدی دنیا

آیا گرافن می‌تواند در تولید سلول‌های خورشیدی بهینه‌تر به یاری ما بیاید؟ نشانه‌های اولیه مثبت اند. مؤسسه فناوری ایتالیا از گرافن برای تولید سلول‌های خورشیدی بزرگ از پروسکایت (کریستال‌های غیرآلی) بهره برده‌است.

گرافن برای بهبود بهینگی و افزایش ثبات سلول خورشیدی استفاده شده‌است. سلول‌های خورشیدی گرافنی ۴ برابر ارزان‌تر از مدل‌های سیلیکونی اند. با درنظرگرفتن این موارد می‌توان آینده روشنی برای حضور گرافن در سلول‌های خورشیدی متصور بود.

رابط‌های مغزی - رایانه‌ای گرافنی

انعطاف گرافن به معنای امکان استفاده از آن در ایمپلنت‌های مغزی برای ثبت و تحریک سیگنال‌های مغز است. این ایمپلنت‌ها آسیب بافتی کمتری ایجاد کرده و نسبت سیگنال به نویز بسیار بالایی دارند (به معنای کیفیت بالاتر سیگنال الکتریکی). این ایمپلنت‌ها همچنین استفاده از کابل‌ را به حداقل می‌رسانند.

پروفسور خوزه گاریدو، محقق مرکز ICN2، روی مسیرهای ارتباطی بیماران با مشکلات حاد تکلم (مانند سکته‌های مغزی و مشکلات نورون حرکتی) تحقیق می‌کند. پروفسور گاریدو از این ایمپلنت‌ها برای نقشه‌برداری نواحی مرتبط با تکلم بهره می‌برد.

کمپرسورهای برودتی گرافنی برای 5G

آنتن‌ها و گیرنده‌های موبایل با افزایش داده ردوبدل‌شده نیاز به خنک‌سازی بیشتری دارند. با افزایش چشمگیر اطلاعات تبادل شده در ایستگاه‌های 5G، تعبیه سیستم‌های خنک‌‍سازی مناسب و کارا به مسئله‌ای بغرنج برای شرکت‌های مخابراتی مبدل شده‌است. شرکت فناوری‌های APR، کمپرسوری مبتنی بر گرافن تولید کرده که یک دهم نمونه‌های مشابه با مواد دیگر است. این کمپسور بدون وجود قطعات متحرک قادر به تولید فشار کافی برای خنک‌سازی ایستگاه‌ها تا دمای منفی ۱۵۰ درجه سلسیوس است. شرکت‌های نوکیا و اریکسون نیز در توسعه این محصول مشارکت دارند.

آشکارسازهای گرافنی عفونت

اپیدمی ابولا در غرب آفریقا طبق اولین گزارش در مارس ۲۰۱۴، جان بیش از یازده هزار نفر را در لیبی، گینه، سیرالئون، نیجریه، مالی و ایالات متحده گرفت. اما چگونه می‌توانیم از موج بعدی جلوگیری کنیم؟ آشکارسازهای نوری گرافنی گزینه مناسبی هستند.

تست‌های خونی، استاندارد فعلی رایج برای تشخیص عفونت اند اما این تست‌ها مشکلاتی نظیر زمان‌بر بودن، نیاز به نیروی انسانی و اماکن خاص دارند. مؤسسه فناوری KTH سوئد، پلتفرمی تشخیصی مبتنی بر فوتونیک سیلیکونی و آشکارسازهای گرافنی توسعه داده که با استفاده از نور مادون سرخ، الگوهای مولکولی خاص را تشخیص می‌دهد. این پلتفرم در یک قطره خون به‌دنبال اثرات مولکولی خاص یک بیماری می‌گردد.

این امری است که هم‌اکنون در آزمایشگاه‌ها نیز قابل انجام است اما گرافن این فناوری را قابل حمل و بسیار ارزان‌قیمت کرده‌است. این شناساگر به یک گوشی هوشمند متصل شده و تنها از روی یک قطره خون طی ده دقیقه تشخیص می‌دهد که فردی مبتلا به بیماری است یا خیر.

ایرفون‌های گرافنی

با اینکه گرافن در دانشگاه منچستر کشف شد، تحقیقات آن در تمام دنیا گسترش یافته و چین در میان تمامی کشورها بیشترین پتنت‌های مرتبط با گرافن را به ثبت می‌رساند. با در نظرگیری این موضوع چندان عجیب نیست که یکی از برندهای بزرگ چین در صنایع الکترونیک در میان اولین استفاده‌کنندگان گرافن در محصولاتش باشد. ایرفون‌های شیائومی Mi Pro HD از گرافن بهره می‌برند اما نقش گرافن در این محصول دقیقا مشخص نیست.

تنها چیزی که شیائومی در این‌باره اعلام کرده استفاده از دیافراگم‌های گرافنی برای دستیابی به جزئیات غنی و دلپذیر ساختن نوت‌های پایین است.

دیافراگم گرافنی در فرکانس‌های بالا هادی‌‌تر بوده و صداهایی غنی و کاملا شفاف تولید می‌کند. همچنین این دیافراگم تمامی سیگنال‌های الکتریکی را به صدا تبدیل می‌کند. شیائومی علاوه‌بر این محصول کمربند طبی هوشمند گرافنی A10 را نیز تولید کرده‌است.

هواپیماهای گرافنی

در صنایع هوایی، وزن مهم‌ترین چیز است و وزن کمتر به معنای مصرف سوخت کمتر است. بیشتر خطوط هوایی مسافری سوخت کافی برای وزن مسافران، هواپیما و وزن خود سوخت حمل می‌کنند. با وجود این مسئله چندان جای تعجب نیست که ریچارد برنسون معتقد است که تا یک دهه آتی تمامی هواپیماها از گرافن بسیار سبک تولید خواهند شد.

گرافن بسیار سبک‌تر و مقاوم‌تر از کمپوزیت فیبر کربن است که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد. گرافن توجه غول‌هایی مانند ایرباس را به خود معطوف کرده و این شرکت را به یکی از پیش‌گامان در زمینه تحقیقات گرافن مبدل ساخته‌است.

قاب گوشی‌های گرافنی

شرکت نانوکیس (NanoCase) قابی تولید کرده‌است که علاوه‌بر دارا بودن باتری خارجی، با بهره‌گیری از گرافن دمای گوشی را به سرعت تعدیل می‌کند و این موضوع طبق ادعای این شرکت عمر باتری را تا ۲۰٪ افزایش می‌دهد. این قاب برای کاربران با استفاده سنگین و زیاد به‌خصوص گیمرها می‌تواند گزینه بسیار مناسبی باشد.

تا بدین جا با ۲۰ کاربرد گرافن آشنا شدیم و قسمت اول مقاله در اینجا به پایان می‌رسد. نظر شما درباره گرافن و آینده آن چیست؟ کدام یک از موارد بالا را جذاب‌تر و کاربردی‌تر می‌دانید؟ چه کاربردهای دیگری را برای این ماده متصورید؟ نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید.