لوازم الکترونیکی ذغال محور، رقیبی جدی برای تاج و تخت سیلیکون
اگر سیلیکون را سلطان بی چون و چرای تاج و تخت لوازم الکترونیک امروزی بنامیم، کربن و دگر شکل‌های آن را می‌توان به نوعی دومین مدعی سلطنت در دنیای الکترونیک جدید تصور کرد.
لوازم الکترونیکی ذغال محور، رقیبی جدی برای تاج و تخت سیلیکون
این بار پژوهشگران در MIT عضوی جدید اما با سابقه را از خانواده‌ی کربن معرفی کرده‌اند که گویا تا به حال چندان مورد توجه قرار نگرفته بوده است، ذغال! برای اولین بار در تاریخ، یک ابزار الکترونیکی از لایه‌ای نازک از ذغال ساخته شد، ابزاری که نشان دهنده‌ی آینده‌ی روشن این سیه چرده‌ی با قدمت در ساخت ابزارهای الکترونیکی ارزان همچون باتری‌ها و صفحات خورشیدی حکایت دارد.
ذغال را می‌توان به طور کلی بسته به ترکیبات، سن و درجه‌ی فشردگی آن‌ها به هم، به چهار دسته‌ی متفاوت تقسیم بندی کرد. برای توسعه و به کار بردن ذغال در کاربری‌های مورد نظر، پژوهشگران MIT ترکیب شیمیایی، خواص الکتریکی و نوری لایه‌های نازک هر چهار نوع ذغال را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و در نهایت دریافتند که بهترین نوع قابل استفاده در این کاربرد‌ها از نوع anthracite است که دارای درصد کربن بسیار بالایی بوده و ناخالصی‌های بسیار کمتری در خود دارد.
برای آماده کردن ذغال در انجام این پژوهش، دانشمندان فرایندی ویژه را طراحی کردند که در طی آن ذغال anthracite به شکل پودر در آمده و پس از آن درون محلولی به صورت معلق و سوسپانسیون در می‌آمد. پس از آن، آن‌ها این محلول را به صورت فیلمی نازک بر روی بستری (مشابه فرایند فلیم نازک گرافنی یا سیلیکونی) در می‌آوردند. البته برخلاف سیلیکون که برای استفاده از آن می‌بایست خلوص آن را به بالای ۹۹ درصد رساند، استفاده از ذغال بدون نیاز به هرگونه خالص سازی ویژه‌ای امکان پذیر است.
گذشته از اینکه ذغال یکی از فراوان ترین موادی است که توسط بشر مورد استفاده قرار گرفته است، بیشتر کاربری‌های آن تا به حال به صورت حجمی و برای سوزاندن و دستیابی به انرژی گرماشیمیایی درون آن بوده است، در نتیجه سایر ویژگی‌های این ماده کمتر مورد توجه و مطالعه‌ی بشر قرار گرفته است. این مورد در اینجا به ویژه برای خواص نوری و الکتریکی این ماده بیشتر به چشم می‌آید.
به عنوان اولین اثبات مفهومی از کاربردپذیری ذغال به عنوان ماده‌ای مناسب برای طراحی ابزارهای الکتریکی این گروه از آن برای ساخت یک گرمکن الکتریکی استفاده کردند که می‌توانست برای یخ زدایی از بال‌های هواپیما یا حتی در ابزارهای پزشکی به کار برده شود. در کنار این کاربرد، پژوهشگران دریافتند که بسته به دمایی که برای فرایند کردن ذغال به کار می‌رود می‌توان از آن خواص متفاوتی را از نظر الکتریکی یا نوری انتظار داشت.
با این وجود به اعتقاد آن‌ها این خواص تنها شروعی بر قابلیت‌های فوق العاده‌ی این ماده به حساب می‌آید و این تیم قصد دارد تا در آینده قابلیت‌های بیشتری از این ماده‌ی تاریک را در کاربردهای متنوع به کار ببندد. به گفته‌ی پروفسور گراسمن بزرگ ترین مزیتی که این ماده‌ی جدید دارد قیمت بسیار پایین آن است که در کنار فرایند حلالی بسیار ساده‌ای که برای به کارگیری آن به کار رفته است می‌تواند به شکلی باور نکردنی به کاهش قیمت ساخت ابزارها و گسترش کاربردهای آن به ویژه در صنعت الکترونیک بیانجامد، به خصوص که این ماده برخلاف سیلیکون نیازی به خالص سازی نداشته و می‌توان از ان به شکل وسیعی استفاده کرد. حتی درصورتی که نیاز به خالص سازی این ماده وجود داشته باشد قیمت تمام شده‌ی آن از مشابه سیلیکونی خود بسیار ارزان تر خواهد بود.
به گفته‌ی یکی از استادان دانشگاه تمپل که البته در این پژوهش نقشی نیز نداشت، این یافته موفقیت بسیار مهمی است چرا که توانسته از ذغال بدون هیچ گونه خالص سازی برای تولید نانوماده‌ای با توانایی کنترل خواص الکترونیکی و پایداری بسیار عالی در مقیاسی بزرگ استفاده کند.
جزییات این پژوهش را می‌توانید در نشریه‌ی Nano Letters بخوانید. همانطور که می‌بینید گاهی از اوقات ساده فکر کردن و استفاده از مواد ساده‌ای همچون ذغال می‌تواند به یافته‌های بسیار ارزشمندی در کاربردهای بسیار پیشرفته بیانجامد.
ذغال را می‌توان به طور کلی بسته به ترکیبات، سن و درجه‌ی فشردگی آن‌ها به هم، به چهار دسته‌ی متفاوت تقسیم بندی کرد. برای توسعه و به کار بردن ذغال در کاربری‌های مورد نظر، پژوهشگران MIT ترکیب شیمیایی، خواص الکتریکی و نوری لایه‌های نازک هر چهار نوع ذغال را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و در نهایت دریافتند که بهترین نوع قابل استفاده در این کاربرد‌ها از نوع anthracite است که دارای درصد کربن بسیار بالایی بوده و ناخالصی‌های بسیار کمتری در خود دارد.
برای آماده کردن ذغال در انجام این پژوهش، دانشمندان فرایندی ویژه را طراحی کردند که در طی آن ذغال anthracite به شکل پودر در آمده و پس از آن درون محلولی به صورت معلق و سوسپانسیون در می‌آمد. پس از آن، آن‌ها این محلول را به صورت فیلمی نازک بر روی بستری (مشابه فرایند فلیم نازک گرافنی یا سیلیکونی) در می‌آوردند. البته برخلاف سیلیکون که برای استفاده از آن می‌بایست خلوص آن را به بالای ۹۹ درصد رساند، استفاده از ذغال بدون نیاز به هرگونه خالص سازی ویژه‌ای امکان پذیر است.
گذشته از اینکه ذغال یکی از فراوان ترین موادی است که توسط بشر مورد استفاده قرار گرفته است، بیشتر کاربری‌های آن تا به حال به صورت حجمی و برای سوزاندن و دستیابی به انرژی گرماشیمیایی درون آن بوده است، در نتیجه سایر ویژگی‌های این ماده کمتر مورد توجه و مطالعه‌ی بشر قرار گرفته است. این مورد در اینجا به ویژه برای خواص نوری و الکتریکی این ماده بیشتر به چشم می‌آید.
به عنوان اولین اثبات مفهومی از کاربردپذیری ذغال به عنوان ماده‌ای مناسب برای طراحی ابزارهای الکتریکی این گروه از آن برای ساخت یک گرمکن الکتریکی استفاده کردند که می‌توانست برای یخ زدایی از بال‌های هواپیما یا حتی در ابزارهای پزشکی به کار برده شود. در کنار این کاربرد، پژوهشگران دریافتند که بسته به دمایی که برای فرایند کردن ذغال به کار می‌رود می‌توان از آن خواص متفاوتی را از نظر الکتریکی یا نوری انتظار داشت.
با این وجود به اعتقاد آن‌ها این خواص تنها شروعی بر قابلیت‌های فوق العاده‌ی این ماده به حساب می‌آید و این تیم قصد دارد تا در آینده قابلیت‌های بیشتری از این ماده‌ی تاریک را در کاربردهای متنوع به کار ببندد. به گفته‌ی پروفسور گراسمن بزرگ ترین مزیتی که این ماده‌ی جدید دارد قیمت بسیار پایین آن است که در کنار فرایند حلالی بسیار ساده‌ای که برای به کارگیری آن به کار رفته است می‌تواند به شکلی باور نکردنی به کاهش قیمت ساخت ابزارها و گسترش کاربردهای آن به ویژه در صنعت الکترونیک بیانجامد، به خصوص که این ماده برخلاف سیلیکون نیازی به خالص سازی نداشته و می‌توان از ان به شکل وسیعی استفاده کرد. حتی درصورتی که نیاز به خالص سازی این ماده وجود داشته باشد قیمت تمام شده‌ی آن از مشابه سیلیکونی خود بسیار ارزان تر خواهد بود.
به گفته‌ی یکی از استادان دانشگاه تمپل که البته در این پژوهش نقشی نیز نداشت، این یافته موفقیت بسیار مهمی است چرا که توانسته از ذغال بدون هیچ گونه خالص سازی برای تولید نانوماده‌ای با توانایی کنترل خواص الکترونیکی و پایداری بسیار عالی در مقیاسی بزرگ استفاده کند.
جزییات این پژوهش را می‌توانید در نشریه‌ی Nano Letters بخوانید. همانطور که می‌بینید گاهی از اوقات ساده فکر کردن و استفاده از مواد ساده‌ای همچون ذغال می‌تواند به یافته‌های بسیار ارزشمندی در کاربردهای بسیار پیشرفته بیانجامد.
کد مطلب: 423372
