گرافن با ضخامت تنها یک اتم، مادهای فوقالعاده خاص محسوب میشود که مجموعهای نادر از ویژگیهای کوانتومی و مغناطیسی را در خود جای داده است. اکنون گروهی از پژوهشگران در ایالات متحده و بریتانیا ویژگی عجیبی را در رفتار الکتریکی این ماده کشف کردهاند که میتواند کاربردهای فناوری آن را دگرگون کند.
بر اساس این پژوهش جدید، چروکهای میکروسکوپی موجود در این ماده فوقالعاده نازک و مقاوم برای ایجاد تغییرات چشمگیر در خواص الکتریکی آن کفایت میکنند. این پدیده که به نام فلکسیوالکتریسیته شناخته میشود، زمانی رخ میدهد که بار الکتریکی از طریق خمکردن یا تغییر شکل دادن یک ماده به وجود میآید و نسخه کوانتومی آن پیشتر قبلاً نظریهپردازی شده بود اما شواهد مستقیم زیادی از آن در دسترس نبود.
همانطور که تیم پژوهشی در مجله مجله Advanced Materials تشریح میکند، فلکسیوالکتریسیته نویدبخش روشی کاملاً متفاوت برای پیوند دادن ویژگیهای فیزیکی و الکتریکی است. این پدیده بهطور بالقوه میتواند کنترل جریان الکتریسیته را در مواد با ضخامت اتمی مانند گرافن، بدون نیاز به مواد شیمیایی یا ترکیبات اضافی امکانپذیر سازد.
پولیکل آجایان، دانشمند علوم مواد از دانشگاه رایس آمریکا، در این زمینه عنوان میکند که کار پژوهشی آنها نشان میدهد حتی یک چروک معمولی نیز میتواند در مقیاس اتمی به یک ویژگی الکترونیکی فوقالعاده تبدیل شود. وی میافزاید با نشان دادن این موضوع که هندسه به تنهایی قادر است رفتار الکتریکی گرافن را بازطراحی کند، مسیر تازهای برای طراحی مواد جدید گشوده میشود که ویژگیهای آنها از طریق ساختار و نه شیمی کنترل میشود.
پژوهشگران توانستند نانوچروکهای طبیعی را در گرافن ایجاد کنند که ابعاد آنها کمتر از یک میلیاردیم متر بود. سپس این ساختارها به دقت بررسی شدند تا شکل، انرژی الکتریکی محلی و جریان الکتریکی آنها مورد ارزیابی قرار گیرد. مقایسه این نتایج با شبیهسازیهای رایانهای و گرافن تخت، تفاوت چشمگیر ایجاد شده توسط چروکها را آشکار ساخت.
ساتویک آجای آیِنگار، دانشمند علوم مواد که سرپرستی این پژوهش را بر عهده داشت، با یک مثال ساده توضیح میدهد که این پدیده مانند خم کردن یک خطکش انعطافپذیر است، با این تفاوت که خمیدگی در فضایی کوچکتر از یک میلیاردیم متر فشرده شده است. وی میافزاید در چنین مقیاسی، الکترونهای گرافن به سمت یک طرف متمایل میشوند و دو قطب الکتریکی مخالف درست مانند پایانههای یک باتری بسیار کوچک ایجاد میکنند.
این نانوچروکها شیوه مدیریت الکتریسیته توسط گرافن را به طور کلی دگرگون ساختند. میزان قطبش الکتریکی این ساختارها، که اساساً نشاندهنده میزان اختلاف قطبین این باتریهای کوچک است، تا ۱۰ میلیونمین برابر بیشتر از سیستمهای فلکسیوالکتریک بسیار بزرگتر اندازهگیری شد. همچنین میتوان این چروکها را به عنوان سرعتگیرهای بسیار کوچکی برای جریان الکتریسیته تصور کرد که نحوه رسانایی گرافن را تغییر میدهند.
آیِنگار یادآور میشود که میزان تیزی و تندی چروک نقش بسیار مهمتری نسبت به اندازه کلی آن ایفا میکند. این موضوع به دانشمندان نشان میدهد که با کنترل دقیق انحنا در مقیاس نانو، میتوان به طور بالقوه رفتار الکتریکی مواد را تنظیم کرد.
چشمانداز آینده و فناوریهای نوین
در آیندهای نه چندان دور، این دستاورد میتواند به ارتقای حسگرها و سایر تجهیزات الکترونیکی فوقکوچک منجر شود و از شکل فیزیکی این طراحیها برای مدیریت جریان الکتریسیته بهره ببرد. با این حال، باید در نظر داشت که محققان در این مطالعه علاوه بر مشاهدات مستقیم، به برآوردهای مبتنی بر مدل نیز اتکا کردهاند؛ زیرا نانوچروکها به قدری ریز هستند که تحلیل میکروسکوپی آنها مرزهای فناوری فعلی را به چالش میکشد.
تأیید قطعی این نتایج نیازمند مطالعات تکمیلی در آینده خواهد بود، اما گرافن بار دیگر قابلیتهای شگفتانگیز خود را به نمایش گذاشته است. محققان اکنون به بستری مناسب برای مطالعه فلکسیوالکتریسیته در سطح کوانتومی دست یافتهاند، دو دهه پس از آن که دانشمندان پیشبینی کرده بودند این پدیده از طریق خم کردن گرافن قابل دستیابی است.
آیِنگار در پایان خاطرنشان میکند که طبیعت خود این چروکهای ریز را برای ما فراهم میکند و درک تأثیر آنها بر رفتار الکتریکی، ابزار ارزشمند دیگری را برای طراحی فناوریهای آینده بر مبنای ساختار درونی مواد در اختیار دانشمندان قرار میدهد. جزئیات کامل این پژوهش در نشریه نشریه Advanced Materials انتشار یافته است.
خلاصه
کشف نانوچروکهای گرافنی و نقش آنها در ایجاد رفتارهای الکتریکی شبیه به باتری، دریچهای نو به سوی طراحی مواد پیشرفته و کنترل دقیق جریان الکتریسیته در مقیاس نانو گشوده است.
