استخدام الجرافيت في التطبيقات الإلكترونية

الجرافين هو ما يُطلق عليه العلماء والمهندسون طبقة واحدة من الجرافيت على المستوى الذري، وتُلفّ هذه الطبقات الرقيقة من الجرافين وتُستخدم في الأنابيب النانوية. ويعود ذلك على الأرجح إلى موصليتها الكهربائية المذهلة وقوتها وصلابتها الاستثنائية.

تُصنع أنابيب الكربون النانوية اليوم بنسبة طول إلى قطر تصل إلى 132,000,000:1، وهي نسبة أكبر بكثير من أي مادة أخرى. إلى جانب استخدامها في تكنولوجيا النانو، التي لا تزال حديثة العهد في عالم أشباه الموصلات، تجدر الإشارة إلى أن معظم مصنعي الجرافيت يُنتجون أنواعًا محددة من الجرافيت لصناعة أشباه الموصلات منذ عقود.

2. المحركات الكهربائية والمولدات والمولدات المتناوبة

تُستخدم مادة الجرافيت الكربوني بكثرة في المحركات الكهربائية والمولدات والمولدات المتناوبة على شكل فرش كربونية. في هذه الحالة، تُعتبر "الفرشاة" جهازًا يوصل التيار بين الأسلاك الثابتة ومجموعة من الأجزاء المتحركة، وعادةً ما تكون موضوعة داخل عمود دوار.

3. زرع الأيونات

يُستخدم الجرافيت الآن بوتيرة متزايدة في صناعة الإلكترونيات، بما في ذلك في زراعة الأيونات، والمزدوجات الحرارية، والمفاتيح الكهربائية، والمكثفات، والترانزستورات، والبطاريات.

زرع الأيونات عملية هندسية تُسرّع فيها أيونات مادة معينة في مجال كهربائي، ثم تُصدم بمادة أخرى، كشكل من أشكال التشريب. وهي إحدى العمليات الأساسية المستخدمة في إنتاج الرقائق الدقيقة لأجهزة الكمبيوتر الحديثة، وعادةً ما تُضاف ذرات الجرافيت إلى هذه الرقائق الدقيقة المصنوعة من السيليكون.

إلى جانب الدور الفريد للجرافيت في إنتاج الرقائق الدقيقة، تُستخدم ابتكارات الجرافيت حاليًا لتحل محل المكثفات والترانزستورات التقليدية. ووفقًا لبعض الباحثين، قد يكون الجرافين بديلًا محتملًا للسيليكون تمامًا. فهو أرق بمئة مرة من أصغر ترانزستور سيليكون، ويوصل الكهرباء بكفاءة أعلى بكثير، وله خصائص فريدة يمكن أن تكون مفيدة جدًا في الحوسبة الكمومية. كما استُخدم الجرافين في المكثفات الحديثة. في الواقع، يُفترض أن مكثفات الجرافين الفائقة أقوى بعشرين مرة من المكثفات التقليدية (بقدرة 20 واط/سم3)، وقد تكون أقوى بثلاث مرات من بطاريات الليثيوم أيون عالية الطاقة الحالية.

4. البطاريات

عندما يتعلق الأمر بالبطاريات (الخلايا الجافة وبطاريات الليثيوم أيون)، فقد كان لمواد الكربون والجرافيت دورٌ أساسيٌّ هنا أيضًا. في حالة الخلايا الجافة التقليدية (البطاريات التي نستخدمها غالبًا في أجهزة الراديو والمصابيح الكهربائية وأجهزة التحكم عن بُعد والساعات)، يُحاط قطب كهربائي معدني أو قضيب جرافيت (الكاثود) بعجينة إلكتروليت رطبة، وكلاهما مُغلَّف داخل أسطوانة معدنية.

تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم الحديثة الجرافيت أيضًا كأنود. كانت بطاريات أيونات الليثيوم القديمة تستخدم مواد الجرافيت التقليدية، ولكن مع تزايد توفر الجرافين، تُستخدم أنودات الجرافين بدلًا منه، وذلك لسببين رئيسيين: 1. تحتفظ أنودات الجرافين بالطاقة بشكل أفضل، و2. تضمن وقت شحن أسرع بعشر مرات من بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية.

تزداد شعبية بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن هذه الأيام. تُستخدم بكثرة في الأجهزة المنزلية، والأجهزة الإلكترونية المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف الذكية، والسيارات الكهربائية الهجينة، والمركبات العسكرية، وفي تطبيقات الطيران والفضاء أيضًا.