استخدام الجرافيت في التطبيقات الإلكترونية

الجرافين هو ما يُطلق عليه العلماء والمهندسون اسم طبقة واحدة من الجرافيت على المستوى الذري، وتُلف هذه الطبقات الرقيقة من الجرافين وتُستخدم في صناعة الأنابيب النانوية. ويرجع ذلك على الأرجح إلى موصليتها الكهربائية العالية وقوتها وصلابتها الاستثنائية.

تُصنع أنابيب الكربون النانوية اليوم بنسبة طول إلى قطر تصل إلى 132 مليون:1، وهي نسبة أكبر بكثير من أي مادة أخرى. وبالإضافة إلى استخدامها في تقنية النانو، التي لا تزال حديثة نسبياً في عالم أشباه الموصلات، تجدر الإشارة إلى أن معظم مصنعي الجرافيت ينتجون أنواعاً محددة منه لصناعة أشباه الموصلات منذ عقود.

2. المحركات الكهربائية والمولدات والمحولات

تُستخدم مادة الجرافيت الكربوني بكثرة في المحركات الكهربائية والمولدات والمحركات الكهربائية على شكل فرش كربونية. في هذه الحالة، تُعرَّف "الفرشاة" بأنها جهاز ينقل التيار بين أسلاك ثابتة ومجموعة من الأجزاء المتحركة، وعادةً ما تكون مثبتة داخل عمود دوار.

3. زرع الأيونات

يُستخدم الجرافيت الآن بشكل متزايد في صناعة الإلكترونيات. ويُستخدم في عمليات زرع الأيونات، والمزدوجات الحرارية، والمفاتيح الكهربائية، والمكثفات، والترانزستورات، والبطاريات أيضاً.

غرس الأيونات هو عملية هندسية يتم فيها تسريع أيونات مادة معينة في مجال كهربائي، ثم تُغرس في مادة أخرى، كشكل من أشكال التشريب. وهي إحدى العمليات الأساسية المستخدمة في إنتاج الرقائق الإلكترونية لأجهزة الكمبيوتر الحديثة، وتُعد ذرات الجرافيت عادةً من بين أنواع الذرات التي تُغرس في هذه الرقائق المصنوعة من السيليكون.

إلى جانب الدور الفريد للجرافيت في إنتاج الرقائق الإلكترونية، تُستخدم الابتكارات القائمة على الجرافيت حاليًا لاستبدال المكثفات والترانزستورات التقليدية. ووفقًا لبعض الباحثين، قد يكون الجرافين بديلًا محتملًا للسيليكون تمامًا. فهو أرق بمئة مرة من أصغر ترانزستور سيليكون، ويُوصل الكهرباء بكفاءة أعلى بكثير، ويتمتع بخصائص فريدة قد تكون مفيدة جدًا في الحوسبة الكمومية. كما يُستخدم الجرافين في المكثفات الحديثة أيضًا. في الواقع، يُفترض أن المكثفات الفائقة المصنوعة من الجرافين أقوى بعشرين ضعفًا من المكثفات التقليدية (حيث تُطلق 20 واط/سم³)، وقد تكون أقوى بثلاث مرات من بطاريات الليثيوم أيون عالية الطاقة الحالية.

4. البطاريات

فيما يتعلق بالبطاريات (الخلايا الجافة وبطاريات الليثيوم أيون)، لعبت مواد الكربون والجرافيت دورًا أساسيًا أيضًا. ففي حالة الخلايا الجافة التقليدية (البطاريات التي نستخدمها غالبًا في أجهزة الراديو والمصابيح اليدوية وأجهزة التحكم عن بُعد والساعات)، يُحاط قطب معدني أو قضيب من الجرافيت (الكاثود) بمعجون إلكتروليتي رطب، وكلاهما مُغلّف داخل أسطوانة معدنية.

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون الحديثة اليوم الجرافيت أيضًا كقطب سالب. كانت بطاريات الليثيوم أيون القديمة تستخدم مواد الجرافيت التقليدية، ولكن مع ازدياد توفر الجرافين، يتم الآن استخدام أقطاب الجرافين السالبة بدلاً منه، وذلك لسببين رئيسيين: 1. قدرة أقطاب الجرافين السالبة على تخزين الطاقة بشكل أفضل، و2. سرعة شحنها التي تفوق سرعة شحن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية بعشرة أضعاف.

أصبحت بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن شائعة بشكل متزايد هذه الأيام. وهي تُستخدم الآن بكثرة في أجهزتنا المنزلية، والإلكترونيات المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف الذكية، والسيارات الكهربائية الهجينة، والمركبات العسكرية، وفي تطبيقات الفضاء أيضاً.