انستیتوی منچستر روی کاربردهای اقتصادیِ ورقه‌های کربن با ضخامتی در حدودِ ابعادِ اتم، تمرکز می‌کند.

R. JALIL, UNIV. MANCHESTER

روش لایه‌نشانی گرافین با دیگر مواد بلورین در تولید قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورها به کار خواهد آمد.

پس از پیش درآمدی دوستانه، بازدیدکنندگان به اتاقی راهنمایی شدند تا آزمایشی را تکرار کنند که موجب شد Kostya Novoselov سهمی از جایزه‌ی نوبلِ فیزیک در سال 2010 را از‌آنِ خود کند. تکه‌ای کوچک از ماده‌یِ مهمِ گرافین را می‌توان در چند ثانیه تولید کرد: ابتدا باید نواری چسبناک را روی تکه‌ای از گرافیت فشرد و سپس آن‌را به ویفری از جنس سیلیکونِ بسیار خالص چسباند. پس از کندنِ این نوار چسبناک، پوسته‌ای نقره‌ای‌رنگ به‌دست می‌آید که به شکل نقاطی روی سطحِ ویفرِ سیلیکونی را پوشانده است. این پوسته، ورقه‌هایی از جنس کربن با ساختارِ لانه‌زنبوری و ضخامتی در حدودِ ابعادِ اتم است که با نام "گرافین" شناخته می‌شود.

هنگامی‌که Novoselov به همراهِ همکار و شریک‌اش در جایزه‌ی نوبل،  Andre Geimو گروهِ پژوهشی‌شان در دانشگاهِ منچسترِ انگلستان اعلام کردند که با چنین روشِ ساده‌ای می‌توان گرافین تولید کرد، این ماده جهشِ چشم‌گیری را تجربه کرد [‎1]. صدها گروهِ پژوهشی در سرتاسر جهان، ویژگی‌های قابل توجه این ماده را بررسی کرده‌اند. گرافین، رسانندگی بسیار بالایی دارد و رفتارهای کوانتومیِ گوناگونی از خود نشان می‌دهد که تا پیش از آن، تنها در موادی دیده شده بود که ساختارهایی بسیار پیچیده‌تر از گرافین دارند. هم‌چنین گرافین نازک و انعطاف‌پذیر است و ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکیِ آن، در پاسخ به تغییراتِ محیطی تغییر می‌کند. این مشخصات در کنار دیگر ویژگی‌های گرافین سبب می‌شود که کاربردهای الکترونیکیِ گوناگونی برای این ماده پیشنهاد شود، از جمله صفحات لمسی، حس‌گرها و مولدهای فرکانس.

هم‌اکنون دولت انگلستان امیدوار است که Novoselov و Geim بتوانند از گرافین بهره‌برداریِ اقتصادی کنند. انجمنِ پژوهش‌های مهندسی و علومِ فیزیکیِ انگلستان (EPSRC) در ماه فوریه اعلام کرد که مبلغ 50 میلیون پوند (معادل 78 میلیون دلار آمریکا) را به انیستیتوی ملیِ گرافین در دانشگاه منچستر اختصاص می‌دهد. این مرکز که بنابر جدولِ زمان‌بندی در سال 2015 بازگشایی می‌شود، کانونی برای گذارِ پژوهش‌های بنیادین به کاربردهای صنعتی خواهد بود. پژوهش‌گران در منچستر با دانشمندانی در صنایع همکاری خواهند داشت که توسط شرکت‌های فناوریِ بومی یا برون‌مرزی استخدام شده‌اند. تصویرِ پایانی از این پروژه از این قرار است که به واسطه‌ی حضور پارک‌های تحقیقاتی، شرکت‌های بهره‌وری شکوفا خواهند شد و آتشِ انقلابِ فن‌آوری را در شهری شعله‌ور خواهند کرد که زمانی کانونِ انقلابِ صنعتی بوده است.

البته این نوآوری نیز منتقدانِ خود را دارد. برخی از دانش‌گاهیان در بریتانیا بر این باورند که دولت گرایش دارد فضایِ دانشگاهی را به سوی طرح‌ها و پروژه‌های درآمدساز سوق دهد. کم نیستند پژوهش‌گرانی که معتقدند در بیانِ ارزشِ اقتصادیِ گرافین تا حدودی بزرگ‌نمایی و اغراق صورت گرفته است. باوجود وعده‌هایِ داده شده، بسیاری تردید دارند که یک ماده به تنهایی بتواند صنعتِ تحلیل‌رفته‌یِ الکترونیک در بریتانیا را جانی دوباره ببخشد.

 Novoselov  از همه‌ی این تردیدها آگاه بوده اما هم‌چنان بر این باور است که تمامیِ این سرمایه‌گذاری‌ها بازخواهندگشت. وی ادعا می‌کند که: "این میلیون‌ها دلار به زودی بازخواهد گشت". او در حالِ حاضر در اندیشه‌ی گسترشِ طرحِ پژوهشیِ خود بوده و در پیِ آن است که گرافین را با دیگر موادِ دوبعدی ترکیب کند. به‌این‌ترتیب این فرصت برای شرکت‌ها، چه بزرگ و چه کوچک فراهم می‌شود که با دانشگاه و پژوهش‌های درحالِ انجام، در تماس بوده و بلند پروازی‌های خود را در زمینه‌ی صنعت فراتر برند.

دانشگاهِ منچستر به‌خودیِ‌خود نقش مهمی در رونق‌گیریِ پژوهش در زمینه‌ی گرافین در سرتاسرِ جهان داشته است (شکل 2 را ببینید). بیش از 20 عضو دانشگاهی از گروه‌های شیمی، زیست‌شناسی، علمِ مواد و مهندسیِ این دانشگاه در نشست‌های هفتگیِ برگزار شده در مورد گرافین، حضور دارند. در این نشست‌ها تنها در مورد صنعتِ الکترونیک گفت‌وگو نمی‌شود؛ برخی دانش‌گاهیان گرافین را برای به‌کارگیری در حس‌گرهای زیستی مورد بررسی قرار می‌دهند و برخی دیگر در اندیشه‌ی درآمیختن گرافین با دیگر موادِ پیش‌رفته هستند.

SOURCE: Q. TANNOCK/CAMBRIDGE IP     

گرایش به گرافین از سویِ دیگر گروه‌های این دانشگاه چنان زیاد بوده‌است که گروه پژوهشی اصلی دیگر نمی‌تواند پابه‌پای آن‌ها پیش برود. به همین دلیل Branson Belle ، یکی از دانشجویانِ پسادکترایِ Novoselov ، در ماه مه شرکتی را مستقر کرده تا پاسخ‌گوی نیازِ بخش‌های دیگر دانشگاه باشد. گروه مرکزی Novoselov و Geim بسیار سریع در حال رشد است و فضای آزمایش‌گاه روزبه‌روز تنگ‌تر می‌شود.

به گفته‌ی Nancy Rothwell رییسِ دانش‌گاهِ منچستر، این دو پژوهش‌گر سالِ گذشته، فضای بیشتری را از دانشگاه درخواست کرده بودند و مدیران در این اندیشه هستند که چگونه این رشدِ سریعِ گرایش به پژوهش در موردِ گرافین را به سرمایه تبدیل کنند. این دو پژوهش‌گر به همراه دانش‌گاه و شورای شهر، طرحی پژوهشی را به EPSRC ارایه کرده‌اند که به موجب آن، دانش‌گاهِ منچستر مبلغ 38 میلیون پوند را برای ساختِ انیستیتوی گرافین و 12 میلیون پوندِ دیگر را برای خریدِ تجهیزات ، دریافت کرده است.

تخصیص این بودجه درحالی‌ست که پژوهش‌گران در انگلستان در وضعیتِ ریاضتِ اقتصادی هستند. به‌همین دلیل مخالفت‌های بسیاری از سوی جامعه‌ی فیزیکِ انگلستان با این تخصیص بودجه صورت گرفته است. Pascal Andre’ متخصصِ نانومواد در دانش‌گاهِ سنت‌اندروزِ انگلستان می‌گوید: "این انیستیتو فوق‌العاده به‌نظر می‌رسد و یقیناً دانشِ منحصر به فردی را در آینده تولید خواهد کرد". با این وجود وی تردید دارد که سرازیر کردن 50 میلیون پوند به یک موضوع و مکانِ پژوهشی، کار عاقلانه‌ای باشد، آن‌هم در زمانی که EPSRC بودجه‌ی خود را در دیگر زمینه‌های پژوهشی به شدت کاهش داده است. او هم‌چنین این پرسش را مطرح می‌کند: "آیا همه‌ی نوآوری‌های ممکن در طول 5 تا 10 سالِ آینده در انگلستان، منحصراً گِرد موضوعِ گرافین خواهد چرخید؟".

Novoselov  در پاسخ می‌گوید که هنگامی با پروژه‌ی ساختِ انیستیتو موافقت کرده که مطمئن شده هزینه‌ی ساختِ این انیستیتو از محلِ بودجه‌های پژوهشی پرداخت نمی‌شود.

با این وجود این موضوع هنوز جای تردید دارد که آیا این ترفندِ دولت، انگلستان را در رقابت‌های موجود در بازارِ جهانیِ الکترونیک یاری خواهد داد یا خیر. بنابر نظرQuentin Tannock رییسِ مؤسسه‌ی Cambridge IP (مؤسسه‌ای مستقل در زمینه‌ی مشاوره‌ی ثبتِ اختراع که در شهر Cambridge انگلستان واقع است)، انگلستان در موردِ ثبتِ اختراع در زمینه‌ی گرافین، از دیگر کشورهای دنیا جامانده است. به گفته‌ی Byung Hee Hong (پژوهش‌گر در زمینه‌ی گرافین در دانش‌گاهِ ملیِ سئول) انگلستان در زمینه‌ی گرافین، با کشورهایی مانند کره‌ی جنوبی رقابت می‌کند که یکی از تولیدکنندگانِ عمده‌ی محصولاتِ الکترونیکی است و از مدتی پیش، برنامه‌ای 5 ساله با بودجه‌ی 20 میلیون دلاری را در پیش گرفته تا به کمک گرافین، صفحاتِ نمایشی و دیگر ابزارها را تولید کند. گروهِ پژوهشی Hong روش‌های ساختِ ورقه‌های گرافین را در مقیاس صنعتی تکمیل کرده‌اند. وی دراین‌باره می‌گوید: "در حال حاضر من با 7 شرکت در این زمینه هم‌کاری می‌کنم". با این وجود او اضافه می‌کند که گرایشِ شدیدِ اقتصادی به موضوعِ گرافین در سئول، ممکن است برای مرکزِ تازه‌تأسیس در منچستر مثمر ثمر باشد چون بنابه گفته‌ی او "شرکت‌های کره‌ای تنها در کره مشغول به کار نیستند".

همان‌گونه که Phaedon Avouris (دانشمند علمِ مواد در مرکزِ پژوهشیِ T.J.Watson از شرکتِ IBM واقع در       Yorktown Heights شهر نیویورک) هشدار می‌دهد، حتی اگر شرکت‌ها در مورد گرافین بسیار کنجکاو باشند، این ماده هنوز در مسیرِ تجاری‌شدن به سختی پیش می‌رود. وی هم‌چنین گفت: "مدت‌هاست این داستان بر سرِ زبان‌هاست که گرافین جای‌گزین سیلیکون خواهد شد". درحالی‌که گرافین نیم‌رسانا نیست و بنابراین میان ترازهای انرژی این ماده، گافِ لازم وجود نداردکه بتوان به عنوانِ ترانزیستور از آن بهره گرفت (ترانزیستور جزء اصلی هر وسیله‌ی الکترونیکی است). او معتقد است که جای‌گاهِ گرافین را می‌توان در بخش ابزارِ الکترونیکی که با فرکانسِ بالا کار می‌کنند، یافت. اما هم‌چنان این پرسش باقی‌ست که آیا گرافین زمانی به این جای‌گاه خواهد رسید یا خیر.

Novoselov  نیز بر این گفته‌ها واقف است اما اضافه می‌کند که تا به امروز، کاربردهای پیشنهادشده برای گرافین در زمینه‌های مختلف به قدری بوده است که وی را وادار می‌کند به دنبالِ دیگر کاربردهای آن نیز باشد. او می‌گوید: "تنها چیزی که از آن اطمینان دارم آن است که اگر برروی کاربردهای گرافین کار نکنیم، آن‌ها هرگز محقق نمی‌شوند".

او خود را کاملاً غرقِ پروژه‌ی ساختِ انیستیتوی گرافین کرده و به طور هفتگی با معمارانِ داخلی و دیگر هم‌کارانِ صنعتی، نشست برگزار می‌کند. Geim  نیز که از مصاحبه‌کردن خودداری کرده، سخت درگیرِ این پروژه است. بااین‌حال گروهِ پژوهشیِ آن‌ها هنوز در لبه‌ی مرزهای پژوهش در مورد گرافین است. این گروه علاوه بر گرافینِ لایه‌نشانی شده، ویژگی‌های دیگر بلورهای دوبعدی مانند نیترید بورون، دی‌سولفید مولیبدنیوم و دی‌سیلینید نیوبیوم را نیز بررسی می‌کنند. درست مانند گرافین، سامانه‌های لایه‌نشانی شده‌ی دیگر نیز رفتارهای کوانتومیِ شگفت‌انگیزی از خود نشان می‌دهند و کاربردهای فراوانی دارند. به عنوان نمونه، این گروه در ماه فوریه، ساختِ ترانزیستوری را گزارش کرد که با فشردنِ لایه‌ای از نیترید بورون میانِ دو ورقه‌ی گرافین، ساخته شده بود. هنگامِ برقراریِ ولتاژ در دو سرِ این ترانزیستور، الکترون‌ها از سدِ (پتانسیلِ) نیترید بورون تونل‌زنی کرده و از یک ورقه‌ی گرافین به ورقه‌ی دیگر می‌روند [‎2].

Novoselov می‌گوید: "ما رویِ دانشِ سودمندی کار کرده‌ایم و همین روند را برای سال‌هایی که پیشِ روست دنبال می‌کنیم". او بی‌درنگ اضافه کرد که همین حالا زمانِ آن است که این دانش را از نظرِ اقتصادی سودآور کنیم: "حق با دولتِ ماست: اگر امکانِ بهره‌برداریِ اقتصادی از گرافین وجود دارد باید از این فرصت به بهترین شکل بهره گرفت".

منبع

Britain’s big bet on graphene , Nature 488, 140–141 (09 August 2012)

doi:10.1038/488140a    Link

مرجع‌ها

1.    Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666–669 (2004).

              Show context  

2.    Britnell, L. et al. Science 335, 947–950 (2012).

              Show context