مواد و ساخت پیشرفته

سنتز پلاسما از گرافن چندلایه‌ای برای اولین بار در سال 2007 میلادی گزارش شد. از آن زمان این فرآیند دستخوش توسعه و پالایش بیشتری شده که منجر به بهبود کلی در عملکرد گشته است. با این حال فقدان مطالعات تجربی در خصوص ویژگی‌های سنتز گرافن چندلایه‌ای یعنی جزئیات اساسی تشکیل گرافن چندلایه‌ای و رشد ساختاری وجود دارد. تحقیقات تئوری و محاسباتی متعددی مکانیسم "انباشتگی" را برای صفحات گرافن پیشنهاد کرده‌اند اما این هنوز به صورت تجربی تایید نشده است.

گروهی از محققان دانشگاه دویسبورگ‌اسن آلمان برای پر کردن این شکاف اطلاعاتی اقدام کردند. آنها مدل مفهومی خود را از طریق آزمایش برای توصیف دقیق آنچه در مراحل اولیه شکل‌گیری گرافن چندلایه‌ای ایجاد می‌کنند، گزارش نمودند. اقدام آزمایشی آنها که برای اولین بار در مقاله منتشر شده در دسامبر 2023 میلادی شرح داده شد شامل یک راکتور مایکروویو پلاسما با ورودی گاز، یک دستگاه نمونه‌برداری ترموفورتیک و یک فیلتر فیبر برای برداشت محصول بود.

بخار واکنش دهنده اتانول بود که به تولید گرافن چندلایه‌ای مچاله شده با کیفیت بالا معروف است. مخلوطی از آرگون و هیدروژن به عنوان گاز غلاف استفاده شد. بخار اتانول به مرکز منطقه پلاسمای مایکروویو با سرعت جریان ثابت تزریق شد. در پایین دست آن، گازهای داغ حامل محصولات تجزیه اتمی و مولکولی خنک شدند و از طریق هسته و رشد، گرافن چندلایه‌ای را تشکیل دادند. در این سیستم، تشکیل گرافن چندلایه‌ای در کمتر از 12 سانتیمتر از نازل پلاسما شروع شد.

ذرات سنتز شده از جریان پس از پلاسما از طریق نمونه‌برداری ترموفورتیک برداشت شدند. این شامل قرار دادن سریع یک شبکه میکروسکوپ الکترونی عبوری در موقعیت‌های خاص در راکتور بود. در این مورد، در 12.4، 14.4، 19.4، و 24.4 سانتیمتری از نازل پلاسما. دوره نوردهی در هر موقعیت ~10 میلی ثانیه بود. هر شبکه بیست بار در همان موقعیت قرار داده شد تا مقدار مواد جمع آوری شده افزایش یابد. برای اطمینان از اینکه مواد شبکه میکروسکوپ الکترونی عبوری هیچ تاثیری بر مورفولوژی گرافن چندلایه‌ای ندارد نمونه‌ها بر روی شبکه‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری کربن توری و شبکه‌های مسی بسته با فیلم کربن جمع‌آوری شدند. این رویکرد به محققان این امکان را داد که عکس‌های فوری از فرآیند تشکیل گرافن به دست آورند.

تجزیه و تحلیل میکروسکوپ الکترونی عبوری این نمونه‌ها یک الگوی پیشرونده از تکامل مورفولوژی را برای گرافن تک لایه و چند لایه نشان داد. در مرحله اول، گونه‌های کربن‌دار هسته می‌گیرند و رشد می‌کنند تا صفحات گرافن گرد و تک لایه را تشکیل دهند. این ورقه‌ها در مرحله دوم به رشد خود ادامه می‌دهند و شکل خود را حفظ می‌کنند. در غیاب هر گونه برهمکنش با یک بستر، و فراتر از قطر ورق ≤370 نانومتر، هر ورقه گرافن با رشد جانبی ناپایدار می‌شود و شروع به تغییر شکل می‌کند. تیم متوجه شد که این تغییر یکی از دو مسیر را دنبال می‌نماید. ورقه گرافن به‌طور تصادفی شروع به مچاله شدن می‌کند یا گرافن به‌عنوان یک پاکت تا می‌شود و یا روی خودش پیچیده می‌‌گردد. نتایج آنها نشان می‌دهد که در فواصل مختلف نازل، ساختارهای ورقه‌ای پیچ خورده، خود تا شده و مچاله شده با هم وجود دارند.

یک یافته دیگر این بود که وقتی یک پوسته گرافن چندلایه‌ای به طور منظم تا می‌شود، لبه‌های تیز را تشکیل می‌دهد که در آن گرافن دیگری تشکیل نمی‌شود. شواهدی از دو رویداد متوالی تا شدن خودکار نیز مشاهده شد و منجر به ایجاد لبه‌های پوسته پوسته 90 درجه گشت. با این حال، موقعیت‌های واکنشی (یعنی پیوندهای آویزان یا پیوندهای هیدروژنی) دور از آن لبه‌های انتهایی شکل می‌گیرند، که به ادامه رشد اجازه می‌دهد. این رشد است که منجر به شکل خوداختیار نهایی گرافن چندلایه‌ای مچاله شده می‌شود. نویسندگان معتقدند که همه مشاهدات این کار با جدیدترین مقالات منتشر شده با استفاده از رویکردهای شبیه سازی دینامیک مولکولی همسو است اما برای اولین بار تکامل گرافن چندلایه‌ای را با استفاده از یک رویکرد تجربی نشان می‌دهد.

منبع