חדש מאנדרה גיים: צורה חדשה של טפלון מהחומר זוכה הנובל גרפן

פרופסור אנדרה גיים, חתן פרס נובל לפיסיקה לשנת 2010 עבור גילוי הגרפן – החומר הדק ביותר הידוע למדע כיום – שינה אותו כעת והפך אותו לפלואורו-גרפן – חומר בעובי של פרודה אחת הדומה כימית לחומר המוכר לכולם טפלון

מדענים מאוניברסיטת מנצ’סטר הכינו חומר חדש שיוכל להחליף או להתחרות בחומר המוכר לכולנו טפלון המשמש ביישומים רבים, בבית ומחוצה לו.

פרופסור אנדרה גיים, חתן פרס נובל לפיסיקה לשנת 2010 עבור גילוי הגרפן – החומר הדק ביותר הידוע למדע כיום – שינה אותו כעת והפך אותו לפלואורו-גרפן – חומר בעובי של פרודה אחת הדומה כימית לחומר המוכר לכולם טפלון. פלואורו-גרפן הינו גרפן שעבר התמרה מלאה באטומי פלואור והוא למעשה הצורה הדו-מימדית של טפלון, ובעל תכונות דומות, בכללן עמידות כימית ויציבות בחום.

ממצאי החקר פורסמו בגרסא המקוונת של כתב-העת המדעי Small. המחקר היה פרי מאמץ בינלאומי רחב שכלל קבוצות מחקר מסין, הולנד, פולין ורוסיה.

החוקרים מקווים כי פלואורו-גרפן – צורה גבישית ושטוחה של טפלון בעלת קשיחות כשל גרפן – יוכל לשמש כתחליף דקיק וקל-משקל יותר לטפלון, וכן ביישומים מגוונים בתחומי האלקטרוניקה, האופטיקה והפיסיקה.

גרפן, חומר בעובי של אטום יחיד בעל קשת רחבה של תכונות ייחודיות ובלתי-רגילות, נמצא במוקד תשומת הלב המדעית מאז גילויו פורץ הדרך באוניברסיטת מנצ’סטר לפני שש שנים. הפוטנציאל של חומר זה כמעט בלתי-נדלה – החל מטרנזיסטורים מהירים ביותר ועד חיישנים שיוכלו לאתר פרודה יחידה של גז רעיל ואפילו כתחליף לסיבי פחמן בחומרים מרוכבים המשמשים בבניית מטוסי-קרב.

פרופסור גיים וצוות המחקר שלו ניצלו נקודת מבט חדשה בהסתכלות על גרפן כפרודת ענק, שבדומה לפרודות רבות אחרות, ניתנות לשינוי באמצעות תגובות כימיות.

טפלון הינו שרשרת אטומי פחמן המותמרת באופן מלא באטומי פלואור (במקום אטומי המימן שהיו במקור). אוסף שרשראות ארוכות אלו, הקשורות יחדיו, מהוות את החומר הפולימרי טפלון המשמש במגוון יישומים כולל מחבתות בלתי-נדבקות.

צוות המחקר הצליח לחבר אטומי פלואור לאטומי הפחמן שבגרפן. לשם כך, החוקרים הכינו תחילה גבישים יחידים של גרפן ואז הגיבו אותם עם אטומי פלואור בתגובה כימית. בכדי להדגים את היכולת לקבל את החומר החדש בקנה-מידה תעשייתי, החוקרים הכינו נייר פלואורו-גרפן מאבקת גרפן.
המדענים גילו כי פלואורו-גרפן הינו חומר מבודד באיכות גבוהה, הוא אינו מגיב עם כימיקלים אחרים והוא עמיד בטמפרטורות גבוהות, אפילו באוויר.

אחד מהכיוונים הנמרצים ביותר במחקר גרפן הינו הרצון לנצל את קשת תכונותיו האלקטרוניים, כלומר – הכנת מוליך-למחצה בעל טווח נרחב מגרפן מתכתי. יכולת זו תפתח צוהר ליישומים רבים וחדשים בתחומי האלקטרוניקה. נמצא כי פלואורו-גרפן מהווה מוליך-למחצה בעל קשת רחבה, הוא שקוף לאור נראה, וזאת בניגוד לגרפן המוגדר כמתכת-למחצה.

מסביר פרופסור גיים: “צריך לשפר את האיכות האלקטרונית של פלואורו-גרפן לפני שנתחיל לדבר על יישומיו האפשריים באלקטרוניקה, אולם יישומים אחרים קרובים הרבה יותר.” מוסיף אחד מהשותפים למחקר: “התכונות של פלואורו-גרפן דומות במידה ניכרת לאלו של טפלון, אולם החומר אינו פלסטיק. החומר הוא למעשה גביש מושלם בעל עובי של אטום יחיד, ובדומה ל”אביו” הגרפן, גם הוא חזק מכאנית. תכונה זו מאפשרת פיתוח יישומים שלא היו בעבר. לדוגמא, אנו מתכוונים להשתמש בפלואורו-גרפן כרכיב העברה דקיק ביותר עבור הפיתוח של התקנים פולטי אור ודיודות.”

“יישומים פשוטים יותר יוכלו להיות כאלו שבהן משמש היום טפלון, כגון ציפוי מגן דקיק ביותר, או כחומר מילוי עבור חומרים מרוכבים אם צריך לנצל את החוזק המכאני של גרפן ועדיין להימנע ממוליכות חשמלית או מהאטימות האופטית של החומר המקורי.”

הייצור התעשייתי של פלואורו-גרפן לא אמור להוות אתגר מיוחד מאחר והוא יהיה מבוסס על אותם השלבים בייצור המסחרי של גרפן עצמו. החוקרים מאמינים כי השלב החשוב הבא יהיה להכין התקני אב-טיפוס שיוכיחו את יכולותיו הייחודיות של החומר החדש.

מוסיף פרופסור גיים: “אין כל טעם בשימוש שלו כתחליף גרידא לטפלון. השילוב של תכונותיהם המיוחדות של הגרפן ושל הטפלון הוא כה מפתה, כך שאתה לא צריך לאמץ את חוש היצירתיות שלך יתר על המידה בכדי לחשוב על יישומים אפשריים של טפלון דו-מימדי. האתגר הוא אכן לנצל את הייחודיות הזו.”

הידיעה על המחקר