אפילו כשהוא פגום – גרפן הוא עדיין החומר החזק ביותר

במחקר חדש, המתפרסם בכתב העת Science, חוקרי הנדסה מאוניברסיטת קולומביה הוכיחו כי החומר גרפן, אפילו כאשר הוא מטולא מאוסף של גבישים קטנים רבים הדבוקים יחדיו, הוא בעל חוזק הקרוב לזה של גרפן טהור.


במחקר חדש, המתפרסם בכתב העת Science, חוקרי הנדסה מאוניברסיטת קולומביה הוכיחו כי החומר גרפן, אפילו כאשר הוא מטולא מאוסף של גבישים קטנים רבים הדבוקים יחדיו, הוא בעל חוזק הקרוב לזה של גרפן טהור. מחקר זה פותר את הסתירה בין הדמיות תיאורטיות, שחזו כי גבולות הגבישים יהיו חזקים, לבין ניסויים קודמים שהראו כי הם הרבה יותר חלשים מהגביש הטהור.

החומר גרפן מורכב משכבה יחידה של אטומי פחמן, המאורגנים בצורה של סריג דמוי חלת דבש. “המאמר המדעי הראשון שלנו, בשנת 2008, בדק את חוזקו של הגרפן כאשר הוא מופיע בצורתו הגבישית הטהורה – החוזק המובנה שבו,” אומר הפרופסור להנדסה מכאנית James Hone. “אולם, גרפן טהור לחלוטין, ללא כל פגמים, נמצא רק במשטחים קטנים בלבד. משטחים רחבים, שבהם נעשה שימוש ביישומים מעשיים, חייבים להכיל גרגירים קטנים רבים המחוברים יחדיו בשפות שלהם, ולא היה ידוע לנו עד כמה חזקות שפות אלו. לפיכך, פרסמנו את המאמר המדעי השני שלנו באשר לחוזק של גרפן במשטח רחב שיוצר באמצעות שיטה של “ריבוץ אדים כימיים” (CVD) ואנו נרגשים לומר כי גרפן מסוג זה עדיין נותר חומר חזק במהותו.”

המחקר מוכיח כי שיטות קימות לעיבוד של גבישי גרפן שהוכנו בשיטת ה-CVD מחלישות את שפות הגבישים וגורמות להיחלשות החומר המקרוסקופי, כפי שאכן נצפה במחקרים קודמים. כלומר – החומר המקורי חזק, אולם נחלש בעקבות השיטות המיושמות. צוות המהנדסים מאוניברסיטת קולומביה פיתח תהליך חדש המונע כל נזק לגרפן במהלך ייצורו. “בדקנו חומרי איכול שונים והצלחנו ליצור דגימות לבדיקה מבלי לפגום בגרפן עצמו,” מציין הכותב הראשי של המאמר Gwan-Hyoung Lee. “הממצאים שלנו במפורש מתקנים את הדעה הרווחת והמוטעית בקרב המדענים העוסקים בתחום כי שפות הגבישים של הגרפן עצמן חלשות. זוהי חדשה מרעישה מכיוון שגרפן מספק שלל הזדמנויות, הן עבור מחקר מדעי בסיסי ועיוני והן עבור יישומים תעשייתיים מעשיים.” בצורתו הגבישית הטהורה גרפן הוא החומר החזק ביותר שנמדד אי-פעם, כפי שדיווחו על כך בשנת 2008 מהנדסי קולומביה – כל כך חזק אומר החוקר הראשי “עד כי רק פיל יוכל לקרוע משטח של גרפן בעובי של עטיפת נייר.”

במחקרם הראשון, צוות המדענים הפיק פתיתים קטנים ובעלי מבנה מושלם של גרפן באמצעות קילוף מכאני של גביש של גרפן. יחד עם זאת, שיטה זו של קילוף דורשת משך זמן רב ולכן אין היא ישימה לשם הפקה מסחרית של גרפן המנוצל ליישומים מעשיים. כיום, מדענים יכולים לייצר משטחים של גרפן בגודל של מסך טלוויזיה באמצעות שיטת ה-CVD, שבה שכבות יחידות של גרפן מיוצרות על גביי מצע של נחושת בכבשן בעל טמפרטורה גבוהה מאוד. אחד מהיישומים הראשונים של גרפן עשוי להיות שכבה מוליכת חשמל בצגים גמישים. “אולם, גרפן המיוצר בשיטת ה-CVD “מודבק” יחדיו מגרגירים גבישיים קטנים רבים – בדומה לשמיכת טלאים – כאשר שפות הגרגירים הללו כוללות פגמים ברמה האטומית”, מסביר החוקר. “שפות גרגירים אלו עלולות להחליש מאוד את החוזק של גרפן בעל משטח גדול מאחר והם שבירים הרבה יותר מאשר גביש מושלם וטהור של גרפן, תוצאה שהניעה את החוקרים לבדוק באמת את מידת החוזק של גרגירים אלו.”

החוקרים מאוניברסיטת קולומביה רצו לגלות מה הופך את הגרפן המתקבל בשיטה זו לכזה חלש. במהלך בחינת שיטות העיבוד של הגרפן הם גילו כי הכימיקל הנפוץ ביותר המשמש להרחקת מצע הנחושת הוא גם החומר שמזיק בשיעור הרב ביותר לגרפן ובכך מחליש את חוזקו. הניסויים הוכיחו כי גרפן CVD בעל גרגירים גדולים הוא חזק באותה מידה כגרפן מקולף, ממצא המחזק את הראיה כי הסריג הגבישי לכשעצמו טהור באותה המידה. ובאופן מפתיע עוד יותר, הניסויים שלהם הוכיחו כי גרפן CVD בעל גרגירים קטנים הוא חזק ברמה של 90% מהגביש המושלם.

“זהו ממצא מרגש באשר לעתידו של החומר גרפן, מאחר והוא מספק ראיות ניסיוניות לכך שהחוזק יוצא מן הכלל של הגרפן ברמה האטומית ניתן לשימור בכל הרמות המקרוסקופיות הגדולות יותר,” מסביר החוקר הראשי. “ערכו של חוזק זה לא יסולא בפז ככל שהמדענים ימשיכו לפתח רכיבי אלקטרוניקה גמישים וחומרים מרוכבים חזקים ביותר חדשים.”

משטחים נרחבים של גרפן יכולים לשמש במגוון רחב של יישומים כדוגמת רכיבי אלקטרוניקה גמישים, בעיקר עבור צגי טלוויזיה הניתנים לקיפול כעין כרזה או עבור חומרים חזקים שיוכלו להחליף את סיבי הפחמן הנפוצים כיום; או אפילו, כפי שחוזים מדעני עתידנות, מעלית חלל שתוכל לחבר לוויינים לכדור הארץ באמצעות כבל ארוך המורכב משכבות גרפן מאחר וחומר זה הוא היחיד הידוע כיום שיוכל להתמודד עם משימה זו.

הידיעה על המחקר