Menu
Also Now in Arabic! متوفرة الآن بالعربيةView the Arabic Site

الاستدامةثورة الجرافين

مادة الجرافين قد تكون سمعت عنها من قبل. ولكن إذا لم تفعل ذلك ، فقد تكون قد صادفتها بأشكال مختلفة أكثر مما تتخيله –من خلال مجموعة كبيرة من المواد الاستهلاكية مثل قطع غيار السيارات ، وحتى المعدات الرياضية والقمصان. كما يتم استخدامها في الكشف عن عدوى كوفيد-19. كما يمكن توظيفها في مجالات البناء وتحلية المياه وتخزين الطاقة والنقل وإنشاء مدن ذكية ومترابطة ومستدامة مستقبلاً. يوصف الجرافين بأنه مادة عجيبة. وهو عبارة عن طبقة من الكربون،...
Reeneh Yousefسبتمبر 19, 20211 min
View this article in English
الجرافينShutterstock

مادة الجرافين قد تكون سمعت عنها من قبل. ولكن إذا لم تفعل ذلك ، فقد تكون قد صادفتها بأشكال مختلفة أكثر مما تتخيله –من خلال مجموعة كبيرة من المواد الاستهلاكية مثل قطع غيار السيارات ، وحتى المعدات الرياضية والقمصان. كما يتم استخدامها في الكشف عن عدوى كوفيد-19. كما يمكن توظيفها في مجالات البناء وتحلية المياه وتخزين الطاقة والنقل وإنشاء مدن ذكية ومترابطة ومستدامة مستقبلاً.

يوصف الجرافين بأنه مادة عجيبة. وهو عبارة عن طبقة من الكربون، سماكتها بمقدار ذرّة واحدة فقط، وتوازي قوّتها 200 مرّة قوّة الفولاذ.  وهي مادة شفافة، ومرنة، وموصّل عالٍ للحرارة والكهرباء، كما أنّها قادرة على إحداث ثورة في صناعات عدة وكامل منظومتنا.

يعد الجرافين اكتشافًا حديثًا ، حيث تم اكتشافه في عام 2004 من قبل علماء جامعة مانشستر أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف. فاز الثنائي بعد ذلك بجائزة نوبل لعملهما ، ولبدئهما البحث في مجال المواد النانوية ثنائية الأبعاد.

 

كما من السهل أيضًا عزله. على الرغم من أنه غير موجود في الطبيعة ، ويجب تصنيعه ، فإن كل ما تطلبه جيم ونوفوسيلوف كان شريط سكوتش وقطعة من الجرافيت – النوع الذي تجده في قلم رصاص.

 

تحت المجهر ، هي في الواقع طبقة واحدة من ذرات الكربون تشبه بنية قرص العسل.

 

وهي تعد بنفس حجم الثورة التي أحدثتها رقائق السيليكون وألياف الكربون في أواخر القرن العشرين. تنافس الموصلية الكهربائية للجرافين تلك الموجودة في النحاس ، والذي يستخدم على نطاق واسع في كل مكان في الأسلاك. التوصيل الحراري لها هائل ، مما يجعلها مفيدة في تعزيز مقاومة الحرارة. نظرًا لطبيعتها خفيفة الوزن ، كما يمكن استخدامها للمساعدة في بناء طائرات أخف وزناً ، مما يقلل من استهلاك الوقود المطلوب تقليديًا للإقلاع. مرونته جذابة أيضًا: فكر في أجهزة الكمبيوتر القابلة للطي أو الهواتف الذكية التي قد تتمكن من طيها أو لفها.

 

يتم ذكر الجرافين بشكل متزايد عندما يتعلق الأمر بـ كوفيد-19 أيضًا. طور باحثون في جامعة إلينوي بشيكاغو ، اختبار كشف الجرافين الكيميائي الصوتي ، والذي يتطلب نسخة عالية الجودة من المادة.

 

يقول البروفيسور فيكاس بيري ، رئيس الهندسة الكيميائية في UIC College of Engineering والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية.

 

مقارنة بتقنيات تفاعل البوليميراز المتسلسل العادية ، والتي يمكن أن تستغرق ساعات للحصول على نتيجة ، فإن التقنية الجديدة التي تستخدم الجرافين يمكن أن تظهر نتائجها خلال حوالي خمس دقائق.

 

ثم هناك عمل على أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على الجرافين ، والتي يمكنها الكشف عن المرضى الذين يعانون من كوفيد-19. في السنوات القليلة الماضية ، تم الإبلاغ على نطاق واسع عن أجهزة الاستشعار الحيوية للترانزستور ذات التأثير الميداني القائمة على الجرافين للمساهمة في تشخيص العديد من الأمراض ، بما في ذلك قصور القلب ، وحالات تخثر الدم، والأورام ، فضلاً عن فيروس نقص المناعة البشرية. في دراسة صينية نُشرت في Biosensors و Bioelectronics في مارس 2021 ، تم الكشف عن الأشخاص المصابين بكوفيد-19 وغير المصابين بشكل منفصل في غضون دقيقتين. علاوة على ذلك ، “يتم التحايل على العملية الشاقة والمضنية لتضخيم RT-PCR ، مما يؤدي إلى اكتشاف مباشر عالي السرعة دون معالجات مرهقة”.

 

كونه مادة نانوية أحادية الطبقة ، ثنائية الأبعاد بدلاً من مادة ثلاثية الأبعاد ، غالبًا ما يتم خلط الجرافين بمواد أخرى لتحسين أدائه العام. هذا يعني إمكانيات تطبيق تفوق الخيال.

 

في الشرق الأوسط ، الإمارات العربية المتحدة في طليعة البحث في هذا المجال. يسعى معهد مصدر التابع لجامعة خليفة إلى خلق العديد من التطبيقات التجارية الجديدة كجزء من حملة الاستدامة الشاملة لدولة الإمارات العربية المتحدة والجهود المبذولة لتقليل الاعتماد على الطاقة المعتمدة على الموارد غير المتجددة.

 

يجري العمل من خلال مبادرة بحثية مشتركة بين معهد مصدر وجامعة مانشستر بدأت في عام 2016 ، لاستكشاف الاهتمامات من تكنولوجيا تحلية المياه ، وتطبيقات الطيران ، والإلكترونيات ، وتطوير أجهزة استشعار النفط والغاز.

 

يوضح الدكتور شاشيكانت باتول ، الأستاذ المساعد للفيزياء في جامعة خليفة: “الجرافين مادة أساسية جدًا للبطاريات والمكثفات الفائقة”.

 

لقد عمل على طرق الكيمياء الخضراء لتصنيع الصفائح المسامية ، والمعروفة أيضًا باسم “هولي جرافين” أو “الجرافين المسامي”. هذا النموذج أكثر تنوعًا من النوع العادي ، ويمكن أن يكون محوريًا في مساعدة البطاريات على تخزين كميات كبيرة من الطاقة ومساعدة المكثفات الفائقة في المركبات على تخزين ونقل الطاقة إلى السيارة فور الكبح.

 

قال الدكتور باتول: “باستثناء الجبن ، من المعروف أن المواد تفقد قيمتها عندما يكون هيكلها مثقوبًا”. “الجرافين المسامي ، أو هولي جرافين ، هو شكل من أشكال الجرافين به ثقوب نانوية في مستواه.”

 

وأوضح أن هذا الهيكل المسامي الفريد يتيح له التفاعل بسهولة مع كل من الأنواع العضوية وغير العضوية ، مما يعني أنه يمكن أن يكون مفيدًا في تحلية المياه ومعالجة المياه وحماية البيئة وخلايا الوقود وأنظمة تخزين الطاقة.

 

“لمزيد من البحث والتطوير ، نحتاج إلى الكشف عن الخصائص الرئيسية والآثار الصناعية المحتملة ذات الصلة لهذه المواد ، بالإضافة إلى طرق التوليد المناسبة” ، كما يقول.

 

إذا كان العلماء قادرين على حل بعض المشكلات ، فقد يتمكن الجرافين في يوم من الأيام أن يحل محل السيليكون.

 

تُعزى الموصلية الكهربائية العالية إلى السرعة التي تتحرك بها الشحنات الكهربائية حول سطحها ثنائي الأبعاد – بسرعات تقترب من سرعة الضوء نفسه. ومع ذلك ، فإن التحدي المٌلِح هو أن الجرافين لا يمكنه منع نفسه من توصيل الكهرباء. بمعنى آخر ، لا يحتوي على “مفتاح إيقاف التشغيل” ، مما يعني مستويات غير مستدامة من استهلاك الطاقة.

 

مجال آخر من مجالات الاهتمام هو تحلية المياه. نظرًا لندرة موارد المياه العذبة في دولة الإمارات العربية المتحدة ، والاعتماد على المياه المحلاة ، يمكن أن يساعد الجرافين في تسهيل العملية وربما يقلل التكاليف بشكل كبير.

 

ويرجع ذلك إلى أن الأغشية القائمة على الجرافين تساهم بتخلل الماء بسهولة عبر الحاجز ، ومنع جزيئات الملح من خلال ضبط حجم المسام ، كما يوضح الدكتور راهول ناير ، أستاذ فيزياء المواد في معهد الجرافين الوطني ، ومعهد هنري رويس وقسم الهندسة الكيميائية العلوم التحليلية في جامعة مانشستر.

 

ربما يمكن لعملية التناضح العكسي المعزز هذه أن تعزز عمليات تحلية المياه.

 

قال الدكتور ناير: “الأغشية القائمة على الجرافين والتي تُستخدم في تحلية المياه – مثل أكسيد الجرافين – أكثر جدوى من الناحية التجارية من الجرافين”.

 

“أكسيد الجرافين المنخفض – وهو شكل آخر من أشكال الجرافين – يمكن أن يجد تطبيقات كطلاء مضاد للتآكل.”

 

وذلك كله يساهم ايجابياً على البيئة والاستدامة ، استنادًا إلى الأبحاث التي تشير إلى أن طلاء المباني بمادة مركّبة من الجرافين-تيتانيا يمكن أن يساعد في امتصاص – وبالتالي تقليل – الغازات الدفيئة.

 

علاوة على ذلك ، عند مزجها بالخرسانة ، تصبح أقوى بنسبة 25 في المائة ، مما يمكن أن يساعد أيضًا في الحد من انبعاثات الكربون ، حيث يساهم إنتاج الخرسانة في أكثر من ثمانية في المائة من انبعاثات الكربون العالمية.

 

هناك المزيد من التطبيقات اليومية أيضًا: فكر في القمصان التي يمكنها إطلاق الحرارة المخزنة في أجسامنا إلى البيئة ، مما يؤدي إلى تبريدنا. نظرًا للمرونة والمتانة ، فقد تم استخدامه بالفعل لتعزيز مضارب التنس ونوادي الجولف ، وظهر في أولمبياد طوكيو لهذا العام. استخدم رامي السهام الكوري الجنوبي كيم دي جوك ، الذي فاز بميدالية ذهبية ، قوسًا مُحسَّنًا بالجرافين من صنع شركة Win & Win والذي كان أكثر متانة بنسبة 60٪ وأكثر امتصاصًا للصدمات بنسبة 20٪ من ألياف الكربون القياسية في الأقواس الحديثة.

 

تمتلك فورد F-150 و Mustang ماصات ضوضاء رغوية معززة بالجرافين ، والتي تقلل الضوضاء وتحسن القدرة على تحمل الحرارة ولها خصائص ميكانيكية مثل القوة الإجمالية ومقاومة التآكل والتلف.

 

قد تتيح البطاريات المعززة بالجرافين أيضًا الشحن السريع في السيارات الكهربائية ، مما يوفر طاقة أعلى الطاقة الناجمة عن استخدام بطاريات الليثيوم القائمة على أيون.

 

الآن وقد تم التطرق إلى كل الاحتمالات ، ما هي المخاطر الصحية الحتمية؟

 

يقول الدكتور ناير: “تجري دراستها”. “على الرغم من عدم وجود بحث يثبت بشكل قاطع أنه يمكن أن يكون سامًا ، مع كون أكسيد الجرافين بالتأكيد غير سام ، لأنه يمكن أن يتحلل في أجسامنا بسرعة كبيرة أو يتم رفضه تمامًا.”

 

استشهد تقرير معهد الفيزياء (IOP) لعام 2017 بالدراسات السابقة التي اقترحت أن الجرافين يمكن أن يؤثر على “أكبر مجموعة من الكائنات الحية” ، حتى تلك التي لم تولد بعد ، ويجب التعامل معها على أنها “مادة خطرة”.

 

في دراسة نُشرت عام 2016 في مجلة Aquatics Toxicology ، حقن الباحثون أسماك الزرد بأكسيد الجرافين بتركيز يتراوح من 1 إلى 50 ملليغرام لكل لتر على مدار أسبوعين. وتم ملاحظة زيادة الإجهاد التأكسدي ، على الرغم من أنه لم يكن شديد السمية.

 

كما أضاف تقرير IOP بأن هناك حاجة للمزيد من البحوث والتجارب للوصول إلى النتائج التجريبية المختلفة.

 

ومما يزيد من الارتباك ، أن هذه المادة لها إمكانيات مثيرة جدًا للاهتمام تؤثر على صحة الإنسان. تقرير IOP نفسه ، على سبيل المثال ، سلط الضوء على نشاط الجرافين المضاد للميكروبات وخصائصه المضادة للسرطان ، مع مادة الجرافين النانوية المناسبة لاستهداف الخلايا الجذعية السرطانية الانتقائية ، أو حتى اكتشاف السرطان.

 

هناك شيء واحد مؤكد: المستقبل سيشمل الأشكال المختلفة من الجرافين المدمجة في تقنيتنا الحديثة. لكن ما هي الابتكارات التي ستنبثق عنه؟ فقط الوقت – والرؤية – سيكشفان عن ذلك لاحقاً.

Reeneh Yousef

Reeneh Yousef has worked in media since 2007, spending at decade at Abu Dhabi Media before joining Livehealthy. She loves walking, reading and going to the gym.

ترك رد

لن يتم نشر البريد الالكتروني الخاص بك. الحقول المحددة ب * الزامية

Related Posts

{{ image }}

{{ title }}

{{ date }} {{ comments }}
{{ readingtime }} {{ viewcount }}
{{ author }}
{{ image }}

{{ title }}

{{ date }} {{ comments }}
{{ readingtime }} {{ viewcount }}
{{ author }}
{{ image }}

{{ title }}

{{ date }} {{ comments }}
{{ readingtime }} {{ viewcount }}
{{ author }}