الغرافين ينافس السيليكون في عالم الالكترونيات

بقلم / شيماء العلي

قيل إنها أقوى مادة سبق أن جرى قياس قوتها ، وهي تُعتبر شكلا لهذه المادة أكثر تطورا من مادة السليكون ، وقد تكون بديلا لها في المستقبل ، وأهم مادة موصلة عرفها الإنسان في تاريخه ، فما خصائص هذه المادة ؟ ومن العالم الذي أجرى بحوثاً عليها ؟

لطالما "دوَّخت" خصائصها الباهرة العاملين في مجال العلوم الذين أجروا بحوثا على المادة ، وهو أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة كولومبيا ، جيمس هون : " يثبت البحث الذي أجريناه أن الغرافين هي المادة التي سبق أن جرى قياسها من قبل ، فهى أقوى بـ 200 مرَّة من مادة الفولاذ " . وأضاف هون قائلاً : " يحتاج الأمر إلى وقوف فيل على قلم رصاص لاختراق صفيحة من الغرافين لا تتجاوز سماكتها سماكة رقاقة الساران التي تُستخدم في عمليات التغليف " . وتثير الطريقة التي يمكن أن تستخدم وفقها هذه المادة دهشة الخبراء والمختصين ، تماما كما تثيرهم الخصائص التي تتمتع بها . يقول الدكتور غيم : " ليس لمادة الغرافين مجرَّد تطبيق واحد ، كما أنها ليست حتى مجرَّد مادة واحدة فحسب . إنها طيف هائل من المواد . وأفضل مقارنة تساعدنا على فهم استخداماتها هو مقارنتها بالاستخدامات الواسعة للبلاستيك " . وقد تم فعل الكثير لمعرفة الإمكانيات المحتملة لاستخدامات الغرافين ، إذ يمكن استخدامها لصنع أي شيء ، ابتداءً من المواد المركَّبة ، مثل كيفية استخدام ألياف الكربون في الوقت الراهن مثلاً ، إلى الإلكترونيات .

ومنذ اكتشاف خاصيات هذه المادة ، فقد حرص المزيد من العلماء على العمل على مشاريع تتعلق بها . فهنالك الآن حوالي 200 شركة وجهة مبتدئة تقوم بدراسات ، أو هي على صلة بدراسات تتعلق بالغرافين . كما أعدَّت حوالي ثلاثة آلاف ورقة بحث بشأن هذه المادة خلال عام 2010 لوحده . والفوائد والمنافع التي تجنيها هذه الشركات والجهات من هذه المادة واضحة جليَّة ، فهي تساعد على أجهزة أكثر سرعة في الأداء وأرخص سعرا ، وأرقَّ سماكة ، وأكثر مرونة وقابلية للاستعمال . ففي لقاء مع مجلة " تكنولوجي ريفيو " التابعة لمعهد ماساتشوستس للعلوم والتكنولوجيا في الولايات المتحدة ، قال البروفيسور جيمس تور من جامعة رايس : " قد يمكنك نظريا أن تطوي جهاز هاتفك الجوَّال من طراز آي فون ولصقه وراء أذنك كما لوكان قلم رصاص " . فإذا كان بالإمكان مقارنة الغرافين بكيفية استخدام البلاستيك في أيامنا هذه ، فإن إنتاج كل شيء ، من أكياس رقائق البطاطس إلى الثياب ، يمكن أن يتحول إلى عالم التكنولوجيا الرقمية حالما يتم ترسيخ استخدام مثل هذه التقنية .

فقد يشهد المستقبل وجود بطاقات إئتمان تحتوي على طاقة معالجة عالية كتلك الموجودة بجهاز هاتفك الذكي في وقتنا الراهن . يقول جاري كيناريت ، أستاذ التكنولوجيا في جامعة تشالمرز في السويد : " يمكن أن تفتح هذه المادة الباب بشكل كامل أمام تطبيقات في مجال الإلكترونيات الشفافة والمرنة وتلك التي قد تتمتع بسرعات فائقة أكثر بكثير مما هي عليه أجهزة اليوم " . وحتى أبعد من تطبيقاتها الرقمية ، فهنالك ثمة مثال واحد آخر على استخدامات هذه المادة ، ألا وهو إنتاج مسحوق الغرافين الذي يمكن أن يُضاف إلى الإطارات لجعلها أكثر متانة وقوة . وقد كانت شركة سامسونج واحدة من أكبر المستثمرين في مجال البحوث المتعلقة بهذه المادة ، وذلك بالتعاون مع جامعة سانغيونغكوان في كوريا الجنوبية . وقد عرضت الشركة مؤخرا شاشة مرنة تعمل باللمس قياس 25 بوصة وقد استُخدمت فيها مادة الغرافين .

جاري كيناريت ، أستاذ التكنولوجيا في جامعة تشالمرز في السويد : " يمكن أن تفتح هذه المادة الباب بشكل كامل أمام تطبيقات في مجال الإلكترونيات الشفافة والمرنة وتلك التي قد تتمتع بسرعات فائقة أكثر بكثير مما هي عليه أجهزة اليوم " . لكن شركات مثل آي بي إم ونوكيا كانت ضالعة في البحوث المتعلقة بالغرافين ، إذ أنتجت آي بي إم جهاز بث إذاعي (ترانزيستور) بطاقة 150 غيغاهيرتز . وعلى سبيل المقارنة فقط ، نعلم أن أسرع جهاز يستخدم مادة السليكون يعمل بطاقة قدرها 40 غيغاهرتز فقط . وقال الدكتور يو- مينغ لين من شركة آي بي آي: " إذ ما تكلمنا بلغة السرعة ، فإننا حاليا لا نرى أي قيود جوهرية بشأن السرعة التي يمكن للجهاز الجديد أن يصل إليها " . وأضاف : " لقد واجهتنا مشاكل عدة يتعيَّن حلها ، لكنني لا أعتقد أن الأمر محدود بالمواصفات الأساسية لمادة الغرافين " . وفي أوروبا ، فإن البحث المتعلق بمادة الغرافين يحتل سلَّم الأولوية ، إذ أن هنالك سعيا للحصول على مبلغ مليار يورو ( حوالي 1.5 مليار دولار أمريكي ) من المفوضية الأوروبية خلال السنوات العشر المقبلة .

ورغم كل الأموال التي يجري ضخها في مجال البحوث والاستثمار في تطوير مادة الغرافين واستثمارات تطبيقاتها ، فإن العلماء يتعاملون مع الأمر بحذر ، لا سيما مدى سرعة تحويل إمكانيات هذه المادة إلى واقع ملموس . يقول الدكتور فيدون أفوريس من شركة آي بي إم : " سوف نكون أسعد أناس في العالم فيما لو استطعنا استبدال السلكون . لكن الشيء الرئيسي هو أن نكون صادقين وألاَّ نبالغ ، لأننا في الواقع يجب أن ننجز شيئا ملموساً " .

الغرافين يحدث ثورة في مستقبل صناعة الكمبيوتر

قرر وزير الخزنة البريطاني استثمار 50 مليون جنيه استرليني في المادة التي يُطلق عليها اسم " المادة العجيبة " ، المادة الرقيقة للغاية عبارة عن لوح من ذرات الكربون يمكن استخدامها في صناعة  الشاشات المرنة ، وتلفزيونات الحائط المسطحة وأسلاك الإنترنت وذلك بفضل أنها من الموصلات الممتازة .

العالمان من جامعة مانشستر الإنكليزية اللذان اكتشفا تلك المادة حصلا على جائزة نوبل تقديراً لجهودهما ، ويعملان حالياً على شرح كيفية استخدامها في صناعة رقائق كمبيوتر شديدة النحافة وقوية الأداء .

وذكر العالم ليونيد بونومارينكو المسؤول عن أبحاث الغرافين أن تلك المادة يمكنها توصيل الكهرباء داخل الرقائق مضيفاً أن أهم ما في الأمر أنها لا تتفاعل مع البيئة المحيطة بها .

قبل ذلك كان من الصعب استخدام الغرافين نظراً لكونه شديد التقلب ، ووصفه الفريق البحثي بالعقبة في طريق استخدام الغرافين في الإلكترونيات .

ويتوقع الفريق أن تظهر أنواع جديدة من المقاومات الكهربية "الترانزستور" نتيجة أبحاثهم على مادة الغرافين التي تستخرج من الغرافيت العادي المستخدم في صناعة الأقلام الرصاص . ونظرا لكونه عالي التوصيل يمكن استخدامه في صناعة رقائق الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد حيث توضع طبقات من الغرافين فوق بعضها ما يجعلها أول بديل قوي لرقائق السليكون ، وقد تقود لصناعة كمبيوترات أكثر قوة وشديدة الخفة .

وذكر ليونيد لصحيفة "ديلي ميل" أن صناعة أجسام متعددة الطبقات سمح لنا بعزل الغرافين عن التأثير السيئ للبيئة والتحكم في الخصائص الإلكترونية للغرافين ، وهو ما كان مستحيلاً من قبل ، وأضاف غيم زميله في البحث أن الغرافين المغلف بمركب نيتريد البورون يعد أفضل وأكثر طريقة متقدمة لصنع اللوحات الإلكترونية ، ما يوضح مستقبل تلك المادة ويقضي على المشكلات الخاصة بعدم استقرارها وجودتها ، مشيراً إلى أنهم أجروا تجارب على نطاق ضيق لكن الخبرة المكتسبة أظهرت أن الغرافين يمكن استخدامه على نطاق واسع ، وأنه خلال عدة شهور سيمكن صناعة مقاومات بخصائص أفضل من الموجودة حالياً .

يُذكر أن شركات الكمبيوتر العالمية مثل ( IBM ) تجري أبحاثها لصناعة رقائق إلكترونية باستخدام السليكون ، والتي يمكن للغرافين التفوق عليها من حيث الحجم والسرعة .