لعلك معتادٌ على شكل قلم الرصاص، لكن هل سبق لك أن فكرت مم يتكون سن قلم الرصاص؟

نعم إنه الجرافيت المكون الرئيسي لسن قلم الرصاص، يتكون الجرافيت من طبقاتٍ من الكربون (سُمك الطبقة ذرةٌ واحدةٌ) ترتبط تلك مع بعضها بقوى فاندرفالز وترتبط ذرات الكربون في الطبقة الواحدة بروابط تساهميةٍ مُكوِّنةً حلقاتٍ سداسيةً من ذرات الكربون، وتسمى الطبقة الواحدة منه -أي الجرافيت- الجرافين.
استطاع Andre geim و Konstantin Novoselov أن يعزلا الجرافين لأول مرَّةٍ عام 2004 (بعد أن كانت الدراسات النظريّة تشير إلى عدم ثبوتيته وذلك لأنهم لم يضعوا التموجات الموجودة على سطح الجرافين في الحسبان والتي جعلته ثابتًا) مما أهّلهما إلى الحصول على جائزة نوبل في الفيزياء 2010 تقديرًا لأبحاثهما عن الجرافين، ومن المفارقات العجيبة أن Andre Geim هو نفسه حصل على جائزة نوبل للحماقة العلميّة عام 2000 عن تجربة (الضفدع الطائر)، ويتم تحضير الجرافين بعدّة طرقٍ، منها:

1- التقشير الميكانيكيّ Mechanical Exfoliation: 
يتم في تلك الطريقة تقشير قطعةٍ من الجرافيت ذات جودةٍ بلوريَّةٍ عاليةٍ باستخدام شريطٍ لاصقٍ بواسطة لصقه على الجرافيت وانتزاعه ليترك خلفه عددًا من طبقات الجرافين على سطح الشريط اللاصق ثم يتم إعادة تقشير الطبقات الموجودة على سطح الشريط اللاصق باستخدام شريطٍ لاصقٍ آخر، وهكذا حتى يتم الحصول على الجرافين المفرد ثم يتم نقل الجرافين على الركيزة substrate المناسبة لرؤيتها على الميكروسكوب، وتلك الطريقة هي التي تم عزل الجرافين بواسطتها لأول مرةٍ، وهي تمتاز بسهولتها وجودة الجرافين الناتج لكنها ليست ملائمةً للإنتاج التجاريّ.

2- الترسيب الكيميائي للبخار Chemical Vapour Deposition:
في تلك الطريقة يتم تسخين المعدن المراد عمل الترسيب عليه (النحاس أو النيكل على سبيل المثال) إلى درجاتٍ عاليةٍ ثم إمرار غازٍ يحتوي على الكربون فيترسب الجرافين على سطح المعدن ثم نستخدم بوليميرًا ونقوم بنفس ما قمنا بعمله في حالة التقشير الميكانيكيّ لانتزاع الجرافين من سطح المعدن ونقل الجرافين من البوليمير إلى سطح الركيزة، ومن أهم ميزات تلك الطريقة هي الإنتاج بكمياتٍ كبيرةٍ.

3- اختزال أكسيد الجرافين Reduction of GO:
يتم في تلك الطريقة اختزال أكسيد الجرافين إلى جرافين، وأكسيد الجرافين نفسه يتم إنتاجه من أكسيد الجرافيت والذي يمكن تحضيره بأكثر من طريقةٍ (على سبيل المثال: بواسطة نقع الجرافيت في محلول حمض الكبريتيك وبرمنجنات البوتاسيوم )، وعن طريق الموجات فوق الصوتية يمكن تحويل أكسيد الجرافيت إلى أكسيد الجرافين أحادي الطبقة والذي يمكن تحويله إلى جرافين عن طريق اختزاله كيميائيًا أو حراريًا أو كهروكيميائيًا، وتمتاز تلك الطريقة بسهولتها وانخفاض تكلفتها.

المصادر

https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-1-4471-6428-9_1

بحث تحضير الجرافين لاول مرة

https://science.sciencemag.org/content/306/5696/666

الحسابات النظرية وعدم ثبات الجرافين

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl204283q?journalCode=nalefd&

اندريه جيم وجائزة نوبل وجائزة نوبل للحماقة العلمية

https://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=130353581

فيديو لتحضير الجرافين بطريقة التقشيرالميكانيكي

https://www.youtube.com/watch?v=waO020l25sU

https://www.dummies.com/education/science/nanotechnology/graphene-sheets-of-carbon-based-nanoparticles/