هل تطيح "مادة المعجزات" الغرافين بالسليكون في عالم الكترونيات؟

تثير الطريقة التي يمكن أن تستخدم وفقها هذه المادة دهشة الخبراء والمختصين، تماما كما تثيرهم الخصائص التي تتمتع بها.

جرى تصوير مادة الغرافين المأخوذة من الكربون على أنها "الشيء الكبير المقبل" في عالم التكنولوجيا، حتى قبل أن يفوز العالمان الرائدان في مجال البحث فيها بجائزة نوبل للفيزياء العام الماضي، إذ يعتقد البعض أنها قد تنهي دور مادة السليكون، وتغيِّر مستقبل صناعة وشكل الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى وإلى الأبد.

المادة المعجزة للقرن الحادي والعشرين

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، لطالما "دوَّخت" خصائصها الباهرة العاملين في مجال العلوم، وبالتالي أهل الإعلام.

وقال أحد العلماء 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 مرََّة من مادة الفولاذ".

وأضاف هون قائلا: "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".

ما هي مادة الغرافين؟

• مأخوذة من الغرافيت، والمكوَّن بدوره من طبقات ضعيفة التماسك من الغرافين

• مكوَّنة من ذرات الكربون المرتَّبة على هيئة أشكال سداسية محكمة، وهي بسماكة ذرة واحدة

• وضع ثلاثة ملايين صفيحة من الغرافين فوق بعضها البعض ينجم عنه صفيحة بسماكة ملمتر واحد فقط

• في عام 1947، كان عالم الفيزياء النظرية الكندي، فيليب راسل ووليس، هو أول من وضع تصوُّرا لشكل حزمة الغرافيت، وذلك على الرغم من أنه كان يُعتقد أنه من المستحيل أن توجد مثل تلك الحزمة في عالمنا الحقيقي

• نظرا لتوقيت مثل هذا الاكتشاف، فقد ربط بعض أصحاب نظريات المؤامرة بين مادة الغرافين وبين المواد التي تم العثور عليها في موقع روزويل في نيو مكسيكو، حيث قيل في حينها إن جسما غريبا كان قد تحطَّم فيه في عام 1947

• - في عام 2004، بيَّنت فرق من الباحثين، بينهم العالمان الدكتور أندريه غيم وقنسطنطين نوفوسيلوف، كيف أن الطبقات المفردة يمكن عزلها، الأمر الذي قاد إلى فوز العالمين المذكورين بجائز نوبل للفيزياء عام 2010

• هي ناقل جيد للحرارة والكهرباء، ويمكن استخدامها لتطوير دارات كهربائية شبه ناقلة وقطع غيار كمبيوتر. وقد أثبتت التجارب أن المادة قوية بشكل لا يُصدَّق.

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 مثلا، 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 (IBM) 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 ملموسا".