الجرافيت مقابل الجرافين: ما الفرق بينهما؟

على الرغم من أن كلاهما من الكربون، إلا أن الجرافيت والجرافين لا يمكن أن يكونا أكثر اختلافًا. فلديهما مجموعة من الخصائص الخاصة التي تمكنهما من الاستخدام المحتمل في مختلف المجالات. في هذه المقالة، ستتعرف في هذه المقالة على بنيتهما واستخداماتهما وتكاليفهما. دعونا نتعمق في الأمر.

الجرافيت مقابل الجرافين

ما هو الجرافيت

الجرافيت (ورقة الجرافيت (أحد متآصلات الكربون) من الكربون عبارة عن شبكة سداسية الشكل. ويأخذ الجرافين هذا الملمس المزلّق من قدرة طبقاته على الانزلاق فوق بعضها البعض. ويوجد الجرافيت الآن في الأغراض اليومية، بدءاً من أقلام الرصاص إلى مواد التشحيم وحتى البطاريات. وهو لا يزال موصل (على الرغم من أنه ليس موصلًا مثل الجرافين، نظرًا لكونه مكونًا من طبقات). كما أنه رخيص الثمن ومتوفر بكثرة نسبيًا، وهو مرشح أساسي للعديد من الاستخدامات الصناعية.

ما هو الجرافين

الجرافين عبارة عن ترتيب على شكل قرص عسل من ذرات الكربون في طبقة واحدة. كما أن سُمكها ذرة واحدة، ما يعني أن المادة نفسها يمكن أن تكون رقيقة للغاية مع الحفاظ على قوتها. وغالبًا ما يُشار إليها باسم "المادة المعجزة" لخفتها وشفافيتها القريبة، وأيضًا لأنها أقوى من أي شيء آخر توصلنا إليه من قبل مع توصيل كهربائي محترم. فهي أقوى من الفولاذ بـ 200 مرة من الفولاذ، وبسمك ذرة واحدة. تتعدد التطبيقات، من الإلكترونيات إلى الأجهزة الطبية، وعلى الرغم من وفرة هذه المادة نسبيًا في الطبيعة، إلا أن صنعها كان مكلفًا وصعبًا.

الهيكل

الطبقات مقابل الطبقة الواحدة

الجرافيت: يتكون من طبقات عديدة من صفائح الكربون المكدسة فوق بعضها البعض. ونظرًا لأن هذه الطبقات ترتبط ببعضها البعض ارتباطًا ضعيفًا، فيمكنها الانزلاق بسهولة فوق بعضها البعض. وهذا هو السبب الذي يجعلنا نشعر بأن الجرافيت في يدنا زلق، كما أنه يتصرف مثل مادة التشحيم.

الجرافين: طبقة مفردة من ذرات الكربون على شكل قرص عسل واحد، وهي مادة بسماكة ذرة واحدة وتتمتع بقوة ومرونة استثنائيتين.

اختلافات الترابط

الجرافيت: نظرًا لأن الطبقات متماسكة معًا بواسطة قوى فان دير فال البدائية، فإن الجرافيت سهل الانقسام أو الانقسام.

الجرافين: ترتبط ذرات الكربون هذه بإحكام شديد داخل الطبقة الواحدة، وهو ما يضفي على الجرافين قوته ومرونته الهائلة.

خواص الجرافيت والجرافين

التوصيل الكهربائي

الجرافيت: في حين أن الجرافيت ينقل الكهرباء أيضًا بفضل الإلكترونات الحرة المتحركة بين طبقاته، فإن تلك التي لا تحتوي على صفائح الجرافين الإضافية هنا ليست موصلة للكهرباء. تنشأ المقاومة عندما تفصل بين الطبقات مسافة كبيرة بما فيه الكفاية.

الجرافين: يعد الجرافين أحد أفضل الموصلات الكهربائية المعروفة لأن الإلكترونات يمكن أن تمر عبره دون أي مقاومة تقريبًا، لذا يعد الجرافين مادة طبيعية للإلكترونيات عالية السرعة.

القوة الميكانيكية

الجرافيت: ناعم وهش. ينفصل الجرافيت بسهولة، ومن ثم يُستخدم في خيوط أقلام الرصاص. من السهل أن يصبح هشاً حيث أن الطبقات متماسكة مع بعضها البعض بروابط ضعيفة فقط.

الجرافين: يتميز الجرافين بصلابة شديدة، حيث تبلغ قوته 20 ضعف قوة الفولاذ. وعلى الرغم من أن سمكه لا يتجاوز ذرة كربون واحدة فقط، إلا أن بنية الجرافين ترجع إلى شبكته البلورية القوية ولأن كل رابطة C-C لها قوة تعادل ضعف طولها.

4.3التوصيل الحراري

الجرافيت: توصيل حراري لائق، وبالتالي نرى استخدامه على نطاق واسع على سبيل المثال في التبريد السلبي.

الجرافين: موصلية حرارية متميزة. وهو أحد أفضل الموصلات للطاقة الحرارية، لذا فهو خيار جيد لتبريد المكونات الكهربائية.

التطبيقات

الجرافيت

أقلام الرصاص: تستخدم أقلام الرصاص الجرافيت كـ "رصاص" لأنها لا تلطخ أو تتلطخ كثيراً، كما أنها ستضع علامة على السطح بسهولة ثم تمحو عند الحاجة. يتكوّن الجرافيت من صفائح في طبقة، لذا يمكنه الكتابة بضغط قليل جداً ويترك علامة على الورق.

مواد التشحيم: بما أنه زلق، وبالتالي يتم تضمينه في مواد التشحيم لمنع الاحتكاك بين الآلات. ونظرًا لأن طبقات الجرافيت زلقة فإنها تسمح لها بالانزلاق بسهولة فوق بعضها البعض مما يخلق حاجزًا صلبًا يقلل من تآكل الأجزاء بسبب الحركة.

البطاريات: وُجد أيضًا أن الجرافيت عنصر جوهري يمكن أن يخدم وظيفتين أساسيتين داخل أنود بطارية الليثيوم أيون؛ الاستقرار مع تخزين الطاقة بكفاءة. تسمح هذه البنية الطبقية لأيونات الليثيوم بالتدفق بسهولة إلى الداخل والخارج أثناء دورات الشحن/التفريغ.

صناعة الصلب: أثناء تصنيع الصلب، يتم استخدامه بشكل عام كمادة عازلة للحرارة بسبب تحمله لمستويات عالية من الحرارة. وللقيام بذلك، فإن المادة العازلة البطانات في المسابك وأفران الطلاء يجب أن تحافظ على درجة حرارة ثابتة - وهو شرط مطلق لتصنيع الصلب عالي الجودة.

الجرافين

الإلكترونيات: نظرًا لأن الجرافين موصل ممتاز للكهرباء، فإن أحد الاحتمالات التي اقترحتها تجربتان جديدتان في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو قد يكون استخدامه بدلاً من السيليكون في رقائق الكمبيوتر، مما يسمح باستخدامه في أجهزة أسرع تعمل بشكل أكثر برودة ولكنها (في الحالة المثالية) تستهلك طاقة أقل لكل عملية حسابية. كما أن قابلية الإلكترون العالية لحركته العالية تجعله مناسبًا بشكل مثالي لسرعة التبديل السريع المطلوبة في تقنيات الحوسبة المستقبلية.

الأجهزة الطبية: إن التوافق الحيوي والجراف الحساس يجعلها مثالية للمستشعرات الحيوية ونظام توصيل الأدوية وكذلك هندسة الأنسجة وما إلى ذلك. كما أن عدم سميتها وتوافقها مع الأنظمة البيولوجية يجعلها جذابة للاستخدام في التشخيص الطبي أو العلاجات العلاجية.

تخزين الطاقة: يمكن أن تستخدم المكثفات الفائقة والبطاريات المتطورة الجرافين في المستقبل للسماح بوقت شحن أسرع مع تخزين طاقة أعلى. ونظرًا لارتفاع مساحة سطحه وموصلية توصيله، يمكن تحسين أداء أجهزة تخزين الطاقة مما يجعلها تدوم طويلاً.

المواد المركبة: يمكن دمج الجرافين مع مواد أخرى مثل المعادن والبلاستيك لجعلها أخف وزناً وأكثر قوة أو موصلة للكهرباء. وتتمثل التطبيقات المحتملة لهذه المركبات المعززة بالجرافين في تقليل الوزن وزيادة كفاءة استهلاك الوقود وتحسين أداء الاستئصال بشكل عام.

الجرافيت مقابل الجرافين: التكلفة

الجرافيت: منخفض

الوفرة: يتوفر الجرافيت بسعر رخيص في شكله الطبيعي الشائع والطبيعي المستخرج في جميع أنحاء العالم، وهو معدن متاح بسهولة وفعال من حيث التكلفة.

تكاليف الإنتاج: نظرًا لانخفاض تكاليف الإنتاج والمعالجة، فإن الجرافيت مناسب أيضًا للاستخدام في العديد من التطبيقات الصناعية.

الجرافين: مرتفع

تحديات الإنتاج: يعد إنتاج الجرافين أصعب بكثير من إنتاج الجرافيت. على الرغم من أنه يمكن الآن تحضير h-BN أحادي الطبقة باستخدام طرق رطبة، إلا أن أساليب التصنيع الحالية - مثل ترسيب البخار الكيميائي (CVD) وتقنيات التقشير. لا تزال مكلفة وغير قابلة للتطوير بسهولة للتصنيع على نطاق واسع.

اتجاهات الأسعار: على الرغم من الاتجاه التنازلي في أسعار الجرافين، إلا أن تكلفة هذه المادة أعلى بكثير من تكلفة الجرافيت. ويجري العمل حالياً على ابتكار طرق أكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج الجرافين بحيث تصبح المادة مجدية تجارياً.

الخاتمة

ويشترك الجرافيت والجرافين في بعض الخصائص الفريدة المتشابهة مع بعضهما البعض مما يجعلهما مجموعة مهمة من المواد. وبناءً على ذلك، يمكننا اعتبار الجرافين الخطوة الأخيرة في تطور الكربون. لقد خدم الجرافيت الصناعات لعقود من الزمن، لكن الجرافين هو ما يعتقد الكثيرون أنه سيغير قواعد اللعبة الحقيقية التي يمكن أن تحدث تغييرًا جذريًا في الكثير من المجالات في مختلف القطاعات. إذا تمكن الناس من إنتاج الجرافين بتكلفة أقل وببساطة بفضل الأبحاث الحالية، فقد لا يكون العالم الذي تكون فيه هذه المادة التي تنتمي إلى عالم آخر بعيدًا جدًا. سواء كنت تحترم براغماتية الجرافيت أو كنت منجذبًا لإمكانات الجرافين الآن. يجب أن يعمل كلاهما معًا للمضي قدمًا في التكنولوجيا والصناعة.