در حوزه فناوری نانو؛

بروفن سرسخت‌ترین رقیب گرافن است

برخی ویژگی‌های بروفن بسیار جالب توجه بوده؛ به طوری که نسبت به گرافن مزیت‌هایی نیز دارد؛ اما این ماده برخلاف گرافن که در کانون توجه محققان بوده، نظر محققان و موسسه‌های تحقیقاتی را به خود جلب نکرده است.

کد خبر: ۷۸۳۹۶۰

دوشنبه - ۲۱ مرداد ۱۳۹۸ / August 12, 2019

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو؛ بعد از کشف گرافن و اعطاء جایزه نوبل به کسانی که روی این ماده کار می‌کردند، توجه زیادی نسبت به نانومواد دوبعدی جلب شد به طوری که در حال حاضر مواد دوبعدی متعددی با ساختار مشابه گرافن مورد تحقیق قرار گرفته است.

یکی از این ترکیبات، بروفن (Borophene) نام دارد، ترکیبی از جنس بور که به صورت تک لایه تولید می‌شود. اخیرا این ماده با روش‌های مختلف سنتز شده و خواص آن مورد مطالعه قرار گرفته است. بروفن ماده‌ای با خواص آنتیزوتروپیک است یعنی برخی خواص آن به جهت‌گیری ماده بستگی دارد.

بررسی‌های اخیر نشان داد که مدول یانگ بورفن در جهت صندلی نزدیک به ۴۰۰ نیوتون بر متر بوده که این رقم بیش از مدول یانگ گرافن است؛ بنابراین می‌توان بروفن را رقیبی سرسخت برای گرافن دانست. البته مدول یانگ برای جهت زیگزاگی در حدود ۱۷۰ نیوتون بر متر است. بروفن نیز بسته به نوع جهت‌گیری ساختاری می‌تواند خواص فلزی داشته و حتی از باندگپ نیز برخوردار باشد.

اصلاح شیمیایی یکی از روش‌های موثر در تغییر ساختار مواد دوبعدی است. در گرافن، سیلیسن و ژرمانن با استفاده از هیدروژناسیون و فلوریناسیون می‌توان باندگپ را تغییر داد. در مورد بروفن، هیدروژناسیون موجب تغییر ساختار به گونه‌ای می‌شود که باندگپ صفر شود. اما نتایج فلوریناسیون کمی پیچیده بوده و با اعمال گروه‌های فلئور روی بروفن، ساختار باند روی آن دیده می‌شود.

تعداد لایه‌های بروفن نیز روی خواص مکانیکی این ماده تاثیرگذار است. در پژوهشی که انجام شده مدول یانگ با افزایش تعداد لایه از یک به چهار، با افتی در حدود ۶۰ نیوتون بر متر روبه‌رو شده است. از دیگر عوامل تاثیرگذار روی بروفن، دما است به طوری که با افزایش دما، مدول یانگ این ماده کاهش یافته است. البته تاثیر دما بر مدول یانگ بروفن به شدت به ساختار و جهت‌گیری این ماده بستگی دارد.

کاربرد‌های بروفن
باتری: هدایت الکتریکی عالی این ماده موجب شده تا برای استفاده به عنوان آند در باتری‌های یون فلز گزینه مناسبی باشد. در واقع یکی از کاربرد‌های مهم این ماده، استفاده از آن در مواد تولید الکترود در باتری‌ها است. ظرفیت بالا، ولتاژ مناسب، هدایت الکتریکی و یونی مناسب از جمله ویژگی‌هایی است که الکترود‌های باتری باید داشته باشند. بروفن ماده‌ای بسیار سبک بوده که فعالیت سطحی بالایی دارد. ویژگی‌های بروفن موجب شده تا بتوان از آن به عنوان الکترود در باتری‌های یون-فلز (قلیایی) استفاده کرد. از آنجایی که برهمکنش میان لیتیم و بروفن قوی است در نتیجه بروفن گزینه‌ای مناسب برای توسعه باتری‌های یون لیتیم محسوب می‌شود.

در باتری‌های لیتیم گوگرد، به دلیل افت سریع ظرفیت، چالش‌هایی برای توسعه این نوع باتری‌ها وجود دارد. برای حل این مشکل باید ماده‌ای برای مهار گوگرد به کار گرفته شود ماده‌ای که برهمکنش نه بسیار قوی نه بسیار ضعیف با پلی‌سولفید‌ها داشته باشد. گرافن برهمکنش ضعیفی با پلی‌سولفید‌ها دارد بنابراین گزینه مناسبی برای توسعه باتری‌های لیتیم گوگرد نیست. نوعی از ساختار بروفن می‌تواند برهمکنش بسیار قوی‌تری نسبت به گرافن با پلی‌سولفید‌ها داشته باشد بنابراین می‌توان از آن برای توسعه این نوع باتری‌ها استفاده کرد.

ذخیره هیدروژن

بروفن ظرفیت بالایی برای جذب هیدروژن دارد بنابراین پتانسیل استفاده از این ماده برای ذخیره‌سازی هیدروژن در خودرو‌های مجهز به پیل‌سوختی نیز وجود دارد.

ابرخازن

در یکی از تحقیقاتی که اخیرا انجام شده، چهار لایه‌های بروفن عملکرد بسیار خوبی برای تولید ابرخازن داشته‌اند. بعد از ۶۰۰۰ بار شارژ/دشارژ، این ابرخازن هنوز ۸۸ درصد ظرفیت اولیه خود را دارا است که در نوع خود پایداری بسیار بالایی محسوب می‌شود.

کاتالیست

گزارش‌هایی نیز مبنی بر وجود خواص کاتالیستی در این ماده منتشر شده و در حال حاضر تحقیقات روی استفاده از بروفن به عنوان کاتالیست در احیاء اکسیژن و تولید هیدروژن در جریان است.

حسگری

مقالات متعددی به چاپ رسیده که در آن‌ها از بروفن به عنوان حسگر برای تشخیص اتانول، فرمالدهید و سیانید هیدروژن استفاده شده است. این بررسی‌ها نشان می‌دهد که بروفن دارای پتانسیل بالایی برای تشخیص گاز‌های سمی است. در واقع حضور گاز‌هایی نظیر دی‌اکسیدکربن، دی‌اکسید نیتروژن و آمونیاک موجب تغییر خواص الکتریکی بروفن می‌شود و این تغییرات در بروفن بسیار شدیدتر از گرافن یا دی‌سولفید مولیبدن است؛ بنابراین حسگر‌هایی که با استفاده از بروفن ساخته شوند، حساسیت بالاتری نسبت به گرافن خواهند داشت.

چشم‌انداز‌های آتی بروفن
از انتشار اولین مقالات درباره بروفن کمی بیش از دو دهه می‌گذرد و می‌توان قدمت بروفن را بیشتر از گرافن دانست. با این حال توجه نسبت به گرافن بسیار بیشتر از بروفن بوده و گرافن را می‌توان در مسیر تجاری‌سازی دانست در حالی که بروفن ماده‌ای با پتانسیل‌های بالا، اما گمنام است. هرچند بررسی‌های بانک استت‌نانو نشان می‌دهد میزان ارجاعات بروفن طی سال‌های اخیر رشد قابل توجهی داشته، اما این ماده هنوز از نقطه نظر ارجاعات در رتبه ۳۱ قرار دارد.

از نظر تعداد پتنت‌های ثبت شده نیز براساس اطلاعات استت‌نانو، بروفن در رتبه ۳۵ در میان نانومواد دیگر قرار دارد، این در حالی است که گرافن بعد از نانوذرات و نانولوله‌ها در رتبه سوم بیشترین پتنت‌های ثبت شده در سال ۲۰۱۸ قرار گرفته است؛ بنابراین می‌توان بروفن را ماده‌ای با خواص منحصربه‌فرد دانست که پتانسیل‌های بالایی برای رفع چالش‌های صنعت داشته، اما چندان مورد توجه نبوده، هرچند که طی سال‌های اخیر توجه بیشتری نسبت به این ماده صورت گرفته است. در صورت استفاده از ظرفیت‌های این ماده، بروفن می‌تواند رقیبی جدی برای گرافن باشد.