חומר חדש מבוסס-גראפן מבהיר את הכימיה של תחמוצת גרפיט

מדובר בחומר שעוביו אטום אחד והוא בעל יישומים בננו-אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה וכמרכיב עתידי ברכבים ובמטוסים

חומר חדש מבוסס-גראפן, אשר מסייע בפענוח המבנה של תחמוצת גרפיט ויוכל להוביל לגילויים אפשריים אחרים לגביי החומר שעוביו אטום אחד ומכונה גרפן, בעל יישומים בננו-אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה וכמרכיב עתידי ברכבים ובמטוסים, סונתז ע”י חוקרים מאוניברסיטת טקסס.

בכדי לקבל מושג לגביי הננו-חומר גראפן (graphene) עלינו לדמיין חומר קל-משקל בעל הקשרים הכימיים החזקים ביותר הידועים בטבע, ובעקבות כך בעל תכונות מכאניות יוצאות-דופן. בנוסף לכך, הוא מוליך חום טוב יותר מכל חומר אחר ומכיל נושאי-מטען העוברים בו במהירות עצומה. הגרפן, בעל עובי של אטום אחד בלבד מורכב ממערך קשרים של אטומי פחמן במבנה של תיל בעל רישות משושה (chicken wire) כעין חלת-דבש ומהווה למעשה שכבה יחידה של גרפיט.

הפרופסור להנדסה מכאנית Rod Ruoff ושותפיו לפרסום הצליחו, לראשונה, לסמן גרפיט באטום פחמן פעיל מגנטית (C13). תחילה הם ייצרו גרפיט בעל אטומי פחמן רגילים (C12) שאינם פעילים מגנטית, לאחר מכן החליפו אותם באטומי פחמן פעילים וחמצנו את הגרפיט לקבלת התחמוצת שלו. בשלב זה הם השתמשו בתהודה מגנטית גרעינית (NMR) של מצב מוצק (solid-state) בכדי להבחין במבנה הכימי המפורט של תחמוצת הגרפיט. תוצאות ניסויים אלו מופיעות בכתב-העת המדעי הנחשב Science.

“כתוצאה מהפרסום שלנו יוכלו עתה מדענים ומהנדסים לייצר סוגים שונים של גרפן (ע”י שימוש בגרפן מסומן בפחמן 13 כחומר המוצא שעליו תתבצע כימיה ידועה) ולחקור חומרים מבוססי-גרפן כאלו באמצעות תהודה מגנטית גרעינית של מצב מוצק לקבלת המבנה הכימי המפורט שלהם,” אומר החוקר הראשי. “זה כולל מצבים כמו במקרים בהם גרפן מעורבב עם פולימר וקשור כימית בנקודות קריטיות להכנת חומרים מרוכבים; או שיבוצו בתוך חומרים קראמיים או זכוכית; או שימושו ברכיבים ננו-אלקטרוניים; או ערבובו עם אלקטרוליט לקבלת סוללות יעילות יותר. אם לא נדע את הכימיה המפורטת של החומרים הללו לא נוכל לשפר את תכונותיהם.”

חומרים מבוססי-גרפן הינם תחום מחקרי הנמצא על המוקד באוניברסיטאות מכיוון שהם צפויים להיות בעלי יישומים לחומרים חזקים ביותר ובו בזמן קלי-משקל שיוכלו לשמש בכלי-רכב ומטוסים תוך שיפור ביעילות תאי הדלק, בלהבים של טורבינות רוח לייצור משופר של אנרגיה חשמלית, כרכיבים חיוניים בננו אלקטרוניקה שיהיו יעילים בהרבה, לאחסון אנרגיה חשמלית בסוללות, ובסיבים מוליכים שקופים שישמשו בתאים סולאריים ובצגים דיגיטאליים. בכל אחד מיישומים אלו ישחקו תפקיד משמעותי אינטראקציות כימיות עדינות עם חומרים חיצוניים בהבנת וייעול הביצועים שלהם.

Ruoff וצוותו הוכיחו שהם אכן הפיקו חומר זה בעזרתו של החוקר Frank Stadermann מאוניברסיטת וושינגטון. החוקר השתמש בספקטרומר מסה מיוחד המשמש באופן רגיל למדידת תפוצתם של איזוטופים של יסודות שונים הנוכחים במיקרו מטאוריטים שנחתו על פני כדור-הארץ (ספקטרומטר מסה הוא מתקן המודד את היחס בין המטען למסה של חלקיקים טעונים. באמצעות מדידה זו ניתן לנתח דגימה, ולקבוע מה הרכב החומרים שבה.

מכשיר זה הוא בעל חשיבות גדולה בכימיה אנליטית, ומשמש לזיהוי חומרים במגוון יישומים, ביניהם זיהוי פלילי, אבטחת איכות תעשייתית, ומשמש למחקרים בתחומים רחבים: פיזיקה גרעינית, כימיה, ביולוגיה ארכיאולוגיה וכו'). לאחר מכן מאה אחוזים מהגרפיט המסומן בפחמן-13 הפכו למאה אחוזים של תחמוצת גרפיט המסומנת גם היא בפחמן-13. גם תחמוצת זו קיימת כחומר רב-שכבתי אולם קיימים בה גם אטומי חמצן הקשורים לגרפן באמצעות קשרים כימיים. בשלב הבא השתמשו החוקרים בשיטת התמ”ג של מצב המוצק בכדי לגלות את הפרטים המלאים של מבנה תחמוצת. החוקר הראשי מסביר כי למרות שתחמוצת זו סונתזה כבר לפני כמאה וחמישים שנים, מיקומם המדויק של אטומי החמצן היה נתון למחלוקת מדעית, אפילו לאחרונה.

“היכולת לשלוט בסימון האיזוטופי בין פחמן-12 לפחמן-13 תוביל לבטח לריבוי מחקרים מסוגים שונים,” מציין החוקר הראשי.

ההודעה לעיתונות מאוניברסיטת טקסס

עוד בנושא באתר הידען:

• הפתעות בגראפן
• אלקטרונים מסוגלים לנוע מהר יותר בגראפן מאשר בסיליקון
  
• יריעות שבבים בעובי של מולקולה בודדת