בשנת 2010 הוענק פרס הנובל לפיסיקה לשני מדענים שבודדו לראשונה את החומר גרפן – גבישים חד-שכבתיים של החומר המוכר גרפיט. כעת, חוקרים מאוניברסיטת יוסטון מנסים לפתח שיטה להפקה מסחרית של חומר מהפכני זה
בשנת 2010 הוענק פרס הנובל לפיסיקה לשני מדענים שבודדו לראשונה את החומר גרפן – גבישים חד-שכבתיים של החומר המוכר גרפיט. כעת, חוקרים מאוניברסיטת יוסטון מנסים לפתח שיטה להפקה מסחרית של חומר מהפכני זה.
גרפן הוא בעל מספר תכונות ייחודיות ההופכות אותו לשונה מכל חומר אחר המוכר למדע: זהו החומר הדו-מימדי הראשון שפותח אי-פעם; החומר הדק והחזק ביותר הידוע; מוליך החום הטוב ביותר שנמצא עד כה; מוליך חשמל הרבה יותר יעיל מאשר נחושת; הוא למעשה חומר שקוף; והוא כה דחוס עד כי שום סוג של גז מסוגל לעבור דרכו. תכונות אלו הופכות את הגרפן למרכיב חשוב מאוד בתחומים מגוונים, החל בהתקנים לאחסון אנרגיה וכלה בצגים שטוחים.
התכונה החשובה ביותר של גרפן, כנראה, טמונה ביכולתו לשמש כחלופה לחומר סיליקון בשבבי מחשב. מאפייניו של הגרפן יאפשרו לגאות המתמידה בכוח המחשוב להמשיך ולהתקיים גם בעשורים הבאים.
אולם, על-מנת לממש את היתרונות הללו, יש צורך למצוא שיטה לייצור כמות נרחבת של גרפן באיכות טובה, ללא פגמים. Qingkai Yu, פרופסור במחלקה לחשמל באוניברסיטת יוסטון מפתח שיטות לייצור מסחרי של גרפן כזה, באיכות גבוהה.
החוקר משתמש בטכנולוגיה הידועה בשם “רבוץ אדים כימיים” (CVD, chemical vapor deposition). בתהליך זה, הוא מחמם מתאן לטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס, תוך ביקועו של החומר לאבני-הבניין שלו – אטומי פחמן ואטומי מימן. בשלב הבא, אטומי הפחמן נקשרים למשטח מתכתי ליצירת הגרפן.
“בשיטה זו ניתן לייצר גרפן באיכות גבוהה, בזול ובכמות מסחרית,” מסביר החוקר. החוקר תיאר לראשונה את היכולת להשתמש בשיטה זו בכדי להפיק גרפן לפני שנתיים במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Applied Physics Letters. מאז ועד היום הוא ממשיך ומשפר את התהליך החשוב הזה.
בשלבים הראשונים של מחקרו השיטה הובילה לקבלת מספר שכבות של גרפן המגובבות יחדיו ע”ג משטח ניקל. לאחר-מכן הוא גילה את היעילות של השימוש בנחושת לייצור הגרפן. מאז, מדענים המתעסקים בתחום הגרפן אימצו את השימוש במשטחי נחושת כמשטחים המועדפים.
עבודתו של Yu לא תמה. השכבות הבודדות של הגרפן המתקבלות היום בשיטתו מורכבות מגבישי גרפן מרובים החוברים יחדיו במהלך הסינתזה. הנקודות שבהן גבישים אלו מתחברים, הידועות בשם “גבולות הגרעין”, מהווים למעשה פגמים מבניים המגבילים את התועלתיות של הגרפן, במיוחד כחלופה לשבבי-מחשב מבוססי-סיליקון. החוקר מנסה, בעקבות חיסרון זה, להפיק שכבות נרחבות של גרפן שמקורן בגביש יחיד.
“בקלות אפשר לראות כמה חשוב גרפן מסוג איכותי שכזה,” מסביר החוקר. “תחום המוליכים-למחצה הפך לתעשייה עתירת הון המבוססת על חד-גבישים של סיליקון, והגרפן נחשב לחומר של העידן שלאחר הסיליקון. כך שחד-גבישים של גרפן מהווים בעצם את הגביע הקדוש והיעד הנחשק של המוליכים-למחצה מהדור הבא.”
