الجرافين: المادة العجيبة التي أذهلت العلماء

تخيل مادة رقيقة تبدو وكأنها غير مرئية، أقوى من الألماس، أنحف من أي ورقة يمكنك لمسها، توصّل الكهرباء بشكل يفوق النحاس… مادة لم يكن لها وجود معروف قبل عقدين من الزمن، لكنها اليوم تتصدر مشهد الثورة التكنولوجية والعلمية. إنها الجرافين.. المادة التي قد تعيد رسم حدود الممكن في حياتنا اليومية. كيف ظهرت؟ وما خصائصها المذهلة؟ وكيف يمكن أن تغير كل شيء من الإلكترونيات إلى الطب… وحتى الوقاية الصحية؟ لنكتشف معًا قصة هذا العنصر الذي خرج من قلم رصاص ليقود مستقبل العالم.

ما هو الجرافين؟

له سُمك ذرة واحدة فقط، ويتكوّن من أحد أكثر العناصر شيوعًا في الكون، ولم يتجاوز عمره العشر سنوات بعد… لكنه يمتلك القدرة على تغيير حياتنا بشكل عميق. لا يمر شهر دون أن تأتي الأخبار العلمية بتطبيقات جديدة محتملة للجرافين، وهو شكل من أشكال الكربون تمّ عزله لأول مرة عام 2004 على يد أندريه غييم وكونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر، إنجلترا.

الجرافين أقوى من الألماس، ويعد من أفضل الموصلات الحرارية المعروفة. كما أنه يوصل الكهرباء بكفاءة تفوق النحاس بعشرين مرة. وله العديد من الخصائص الفريدة الأخرى.

الكربون.. عنصر الحياة

يعد الكربون أساس كل أشكال الحياة، وهو من أكثر العناصر إثارة للدهشة، بفضل قدرته الهائلة على الارتباط بعدد كبير من العناصر الأخرى، وبنفسه أيضًا، مكوّنًا ملايين المركبات، من بينها البروتينات التي تكوّن أجسامنا، والفيتامينات، والهرمونات، والإنزيمات، أو الحمض النووي (DNA) الذي ينقل المعلومات الوراثية من جيل إلى جيل. نحن في جوهرنا مكوّنون من الكربون.

يمكن لذرات الكربون أن ترتبط فيما بينها بطرق مختلفة للغاية. فعندما تكون هذه الروابط غير منتظمة، نحصل على الفحم العادي، المعروف بالكربون غير المتبلور. أما عندما تتخذ الذرات بنية يرتبط فيها كل ذرة بأربع ذرات أخرى مكوّنة هياكل رباعية السطوح تشكل بدورها شبكة ثلاثية الأبعاد صلبة، فنحصل على الألماس، وهو أقسى معدن طبيعي معروف.

هناك أشكال أخرى يمكن أن ترتبط بها ذرات الكربون. الفوليرينات هي تراكيب كروية تشبه القباب التي صممها باكمينستر فولر (ومن هنا جاءت تسميتها). أما الأنابيب النانوية فهي أسطوانات طويلة مكونة من شبكة سداسية بسُمك ذرة واحدة، أو ما يعرف برغوة الكربون النانوية. أما الشكل الأكثر شهرة وشيوعًا للكربون فهو الجرافيت، والذي نعرفه بشكل أساسي من أقلام الرصاص. عندما نكتب، نضع الكربون على الورق. يتكون الجرافيت من طبقات ذات بنية منتظمة على شكل شبكة سداسية، مثل تلك المستخدمة في أقفاص الطيور، حيث ترتبط كل ذرة بثلاث ذرات أخرى.

من الفحم إلى الألماس.. إلى الجرافين

الجرافين هو طبقة من الجرافيت بسمك ذرة واحدة. وقد طرحت هذه الفكرة لأول مرة كنظرية عام 1947. وفي عام 1984، كانت هناك تكهنات نظرية حول قدرته الهائلة على التوصيل الكهربائي في حال وجد. وفي عام 1987، استخدم مصطلح “جرافين” للمرة الأولى.

كان الحصول على طبقة مفردة من الجرافيت تحديًا تقنيًا هائلًا. وبدأت عدة مجموعات من الباحثين بمحاولات تحقيق ذلك منذ سبعينيات القرن الماضي. إضافةً إلى ذلك، لم يكن أحد يعرف ما إذا كان بالإمكان فعلًا الحصول على تلك الطبقة. أو إن كانت ستنهار فورًا وتتحول إلى شكل آخر مثل الأنابيب النانوية أو الفوليرينات.

وفقًا لما يرويه غييم ونوفوسيلوف، فقد استخدما تقنيات معقدة جدًا لمحاولة فصل طبقة واحدة من عينة من الجرافيت. لكن النتائج لم تكن مشجعة: إذ بلغ سمك أرق الطبقات حوالي 10,000 ذرة. وفي المختبر، كانا يستخدمان شريطًا لاصقًا عاديًا لتنظيف أسطح عينات الجرافيت المستخدمة في تجاربهما. وأشار زميل أوكراني يدعى أوليغ شكلياريفسكي إلى أن رقائق الجرافيت التي كانت تلتصق بالشريط اللاصق بدت أرق من تلك التي تم الحصول عليها باستخدام الطرق المخبرية. بدأ غييم ونوفوسيلوف باستخدام الشريط اللاصق لاستخلاص الجرافين. وقد نجحا في ذلك عام 2003، ونشرا نتائجهما في 2004.

خصائص الجرافين المذهلة.. بين الشفافية والقوة والتوصيل

لم يكن الجرافين غير مستقر، بل كان مستقرًا، وتبين أنه مادة قوية للغاية. وكما افترضت النظريات من قبل، كان يتمتع بقدرة هائلة على توصيل الشحنات الكهربائية بفضل تأثير كمي يعرف باسم “تأثير هول”. وكانت هذه أولى خصائص هذا المادة الجديدة، التي اتضح أيضًا أنها شبه شفافة.

في الواقع، كما تبين لاحقًا، فإننا كلما كتبنا بقلم رصاص من الجرافيت، ننتج قليلًا من الجرافين… فالسطور الداكنة تعني أن هناك العديد من طبقات الجرافيت، أما الفاتحة فتدل على عدد أقل من الطبقات، وتوجد بينها—مختبئة—بعض الرقائق من هذا المادة. لكن في ذلك الوقت، لم يكن أحد يعلم ذلك.

جعل استكشاف إمكانيات الجرافين منه أحد أسرع المواد تطورًا في التاريخ، مما أدى إلى منح أندريه غييم وكونستانتين نوفوسيلوف جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010، أي بعد ست سنوات فقط من إنجازهما.

ثورة الإلكترونيات.. حواسيب أسرع.. شاشات أذكى

تجعل الخصائص الفريدة للجرافين منه مادة واعدة للغاية في تطبيقات متعددة ومختلفة. ففي عام 2008، تم تقديم أصغر ترانزستور صنع حتى ذلك الحين، من الجرافين، بسمك ذرة واحدة وعرض عشرة ذرات. وهذه الترانزستورات، التي قد تحل محل تلك المصنوعة من السيليكون في حواسيبنا، من شأنها أن تتيح تصنيع معالجات دقيقة أسرع بكثير، تستهلك طاقة أقل وتصدر حرارة أقل بكثير. وبما أنه شبه شفاف ومرن جدًا، فإنه سيكون مثاليًا لصناعة الشاشات اللمسية لأجهزتنا الرقمية، بديلًا عن أكسيد الإنديوم والقصدير المستخدم حاليًا.

كما أن شفافيته وموصليته تجعله مرشحًا ممتازًا للاستخدام في الألواح الشمسية، مما قد يجعلها أكثر كفاءة وأقل تكلفة، وهو أمر ضروري لجعل الطاقة الشمسية خيارًا واقعيًا أكثر كمصدر نظيف ومستدام للطاقة.

الجرافين والحمض النووي

ومن الاستخدامات غير المتوقعة للجرافين أنه يساعد على تحسين إنتاج الحمض النووي (DNA) من خلال طريقة تعرف باسم “تفاعل البوليميرات المتسلسل” (PCR). وهي الطريقة التي تستخدم لمضاعفة كمية ضئيلة جدًا من الحمض النووي بهدف تحليلها. وهو أمر بالغ الأهمية في مجالات مثل علم الحفريات والتحقيقات الجنائية. كما يجري استكشاف استخدام الجرافين في عمليات تسلسل الجينات، مع احتمالية تسريعها وتقليل تكلفتها.

وعند استخدامه كمرشّح، يُظهر الجرافين إمكانيات واعدة في العديد من العمليات الصناعية، إذ يسمح بمرور بخار الماء، لكنه يمنع مرور السوائل والغازات الأخرى، مما يجعله مفيدًا في عمليات مثل التقطير أو تحلية المياه. ومع الحماس الكبير لاستغلال الجرافين في المزيد من التطبيقات، مثل أجهزة الاستشعار أو أنظمة التحكم الحراري، والسعي لاستخدام خصائصه الفريدة الأخرى—مثل التغير في المجال المغناطيسي الذي يظهره عند تعرضه للشد—فمن المحتمل جدًا أن يبدأ الجرافين في الدخول إلى حياتنا اليومية قريبًا. بعيدًا عن أقلام الرصاص، بالطبع.

الجرافين والجنس

من المبادرات التي أطلقتها مؤسسة بيل وميليندا غيتس مشروع لتطوير واقيات ذكرية تكون أرق وأسهل استخدامًا، بهدف تشجيع استخدامها للوقاية من الأمراض المنقولة جنسيًا وتنظيم النسل. وفي أواخر عام 2013، منحت المؤسسة نحو 75,000 يورو لفريق من العلماء في مانشستر لتطوير تصميم جديد للواقيات الذكرية باستخدام خليط من الجرافين واللاتكس.

يشق الجرافين طريقه بسرعة نحو أن يكون المادة التي تُحدث فرقًا في حياتنا. قد نستخدمه قريبًا دون أن ندرك وجوده: في هواتفنا، في طاقتنا، في علاج أمراضنا… وربما حتى في تفاصيل حميمة من يومياتنا. وبينما تتسابق العقول لاكتشاف مزيد من أسراره، يبقى السؤال: ما الذي لم نكتشفه بعد عن هذه المادة الخارقة؟ الإجابة تنتظرنا في الغد.