גרפן

גרפן
	מבנה כימי של יריעת גרפן
מספר CAS	[https://commonchemistry.cas.org/detail?cas_rn=1034343-98-0 1034343-98-0 1034343-98-0]

גרפן (באנגלית: Graphene) הוא יריעה דו-ממדית של אטומי פחמן, המסודרים בצורת משושים (צורתו של הגרפן יכולה להזכיר צורת כוורת), בעובי של שכבה אטומית אחת, ומהווה את אבן היסוד לתצורות: גרפיט, פולרנים (אנגלית: Fullerenes) וננו-צינוריות פחמן.

גרפן מהווה את אחת מצורות האלוטרופ של פחמן והוא החומר הדו־ממדי הראשון שבודד במעבדה^[1].

גרפן הוא סמי-מתכת בעל תכונות אלקטרוניות ייחודיות. הקוואזי-חלקיקים שלו מאבדים את המסה שלהם וניתנים לתיאור על ידי משוואת דיראק^[2], המשלבת את תורת היחסות הפרטית עם מכניקת הקוונטים. תכונותיו הייחודיות מושכות עניין מדעי רב^[3]^[4]^[5].

כאשר שכבות רבות של גרפן מסודרות זו על גבי זו, מקבלים למעשה צורה אלוטרופית נוספת של פחמן – גרפיט.

תכונות

גרפן הוא חומר קשה ביותר, אפילו יותר מיהלום^[6]. הוא אחד החומרים הדקיקים ביותר הידועים לחוקרים בימינו שניתנים לעיבוד ולייצור. הוא שקוף ודחיסותו גבוהה.

לגרפן מוליכות חשמל וחום גבוהה (פי 10 מנחושת).

שימושים

הגרפן שולב במספר טכנולוגיות עדכניות, כגון תאים סולאריים ומסכי מגע, בשל מוליכותו הרבה ושקיפותו. בנוסף, הגרפן הוא אחד האמצעים ליצירת ננו-צינוריות פחמן: מגלגלים יריעת גרפן סביב ציר האורך שלה ליצירת גליל, והתוצאה היא ננו-צינורית פחמן.^[7]

בינואר 2015 פורסם מאמר הטוען כי הודות לתכונותיו של הגרפן, ניתן יהיה לקדם את תחום ייצור הסוללות באמצעותו^[8].

פרסים על גילוי החומר וחקר תכונותיו

על גילוי החומר והתכונות המשויכות לו הוחלט להעניק ב-2010 את פרס נובל לפיזיקה לאנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב, מאוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה.

בשנת 2020 הוענק פרס וולף לפיזיקה לפבלו חריו-אררו, אלן מקדונלד ורפי ביסטריצר, על "עבודתם החלוצית בתאוריה וניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב"^[9].

גרפן במטאוריט קניון דיאבלו

גרפן נמצא במטאוריט קניון דיאבלו, והחוקרים סוברים כי יש היתכנות למציאתו במקומות נוספים בעולם, וכי ניתן יהיה להשתמש בו בעתיד לצרכים טכנולוגיים ורפואיים^[10]

גרפן בישראל

בשנים האחרונות החל פיתוח ישראלי לייצור גרפן ליישומים תעשייתיים, כאשר המשמעותי מבין הפיתוחים השונים היה במסגרת 'מאגד גרפן' מטעם רשות החדשנות, אשר כולל את פרופ' דורון נווה מאוניברסיטת בר-אילן מצד האקדמיה (בשיתוף חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, הטכניון ואוניברסיטת בן-גוריון בנגב וד"ר אלעד מנטוביץ מחברת אנבידיה), ביחד עם סימטל ננו-ציפויים, אלישרא ופי.סי.בי מצד התעשייה.^[11]

ייצור הגרפן מבוצע בפועל בחברת סימטל ננו-ציפויים, בפארק תעשייה ציפורית. החברה ממשיכה את פיתוח ושיפור איכות הגרפן במסגרת תוכנית המשך של רשות החדשנות וכוכב מגנ"ט, בשיתוף עם אוניברסיטת בר-אילן. הגרפן מיועד לשרת את תעשיית האלקטרוניקה הישראלית והעולמית, לצורכי פיזור חום במעגלים אלקטרוניים ולהגברת התדר במעגלים אלו.

הגרפן נמצא במוקד מחקר ענף בכלל האוניברסיטאות ומכוני המחקר בארץ^[12]^[13].

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא גרפן בוויקישיתוף

אנדרה גיים ופיליפ קים, ‏ארץ הפלאות של הפחמן, במדור סיינטיפיק אמריקן של מכון דוידסון, 5 באוקטובר 2010
נדן פלדמן, גראפן: החומר שירכיב את המהפכה הטכנולוגית הבאה, באתר TheMarker‏, 4 באפריל 2013
סיינטיפיק אמריקן ישראל, ‏הצד האפל של גרפֵן / קתרין בורזק, באתר "הידען", August 14, 2010
משה נחמני, ‏גרפן מסייע לכימותרפיה, באתר "הידען", 2 ביולי 2015
האם נמצאה שיטה זולה ויעילה לייצור גרפן?, באתר "הידען", 23 במאי 2017
לביא ביגמן, החומר הדק ביותר בעולם, במדור "מדע במבט-על" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 25 במאי 2017
גרפן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
גלי וינרב, ‏הכי חזק, הכי מהיר, הכי גמיש: זה החומר שאולי ייקח אותנו לירח, באתר גלובס, 19 ביוני 2021

הערות שוליים

^ K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306, 2004-10-22, עמ' 666–669 doi: 10.1126/science.1102896
^ Mikhail I. Katsnelson, The Physics of Graphene, 2, Cambridge University Press, 2020-03-19, ISBN 978-1-108-61756-7
^ Vestince B. Mbayachi, Euphrem Ndayiragije, Thirasara Sammani, Sunaina Taj, Elice R. Mbuta, Atta ullah khan, Graphene synthesis, characterization and its applications: A review, Results in Chemistry 3, 2021-01-01, עמ' 100163 doi: 10.1016/j.rechem.2021.100163
^ B. N. Narozhny, I. V. Gornyi, M. Titov, M. Schütt, A. D. Mirlin, Hydrodynamics in graphene: Linear-response transport, Physical Review B 91, 2015-01-12, עמ' 035414 doi: 10.1103/PhysRevB.91.035414
^ S. Dai, Q. Ma, M. K. Liu, T. Andersen, Z. Fei, M. D. Goldflam, M. Wagner, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Thiemens, F. Keilmann, G. C. a. M. Janssen, S.-E. Zhu, P. Jarillo-Herrero, M. M. Fogler, D. N. Basov, Graphene on hexagonal boron nitride as a tunable hyperbolic metamaterial, Nature Nanotechnology 10, 2015-08, עמ' 682–686 doi: 10.1038/nnano.2015.131
^ Chris Woodford, Graphene, Explain that Stuff.com. December 1, 2018
^ "גרפן הוא 'גביע קדוש' שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה", באתר כלכליסט, 30 במאי 2021
^ Prachi Patel, Deep-Frying Graphene Spheres For Energy Storage, C&EN, January 14 2015
^ רפי ביסטריצר, באתר קרן וולף
^ יוגב ישראלי, מבנה מוזר של יהלום התגלה במטאוריט קניון דיאבלו, באתר ynet, 27 ביולי 2022
^ הכירו את פרופ' דורון נוה | הפקולטה להנדסה ע"ש אלכסנדר קופקין, באתר engineering.biu.ac.il
^ A. Inbar, J. Birkbeck, J. Xiao, T. Taniguchi, K. Watanabe, B. Yan, Y. Oreg, Ady Stern, E. Berg, S. Ilani, The quantum twisting microscope, Nature 614, 2023-02, עמ' 682–687 doi: 10.1038/s41586-022-05685-y
^ A. Di Bernardo, O. Millo, M. Barbone, H. Alpern, Y. Kalcheim, U. Sassi, A. K. Ott, D. De Fazio, D. Yoon, M. Amado, A. C. Ferrari, J. Linder, J. W. A. Robinson, p-wave triggered superconductivity in single-layer graphene on an electron-doped oxide superconductor, Nature Communications 8, 2017-01-19, עמ' 14024 doi: 10.1038/ncomms14024

[1] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306, 2004-10-22, עמ' 666–669 doi: 10.1126/science.1102896

[2] Mikhail I. Katsnelson, The Physics of Graphene, 2, Cambridge University Press, 2020-03-19, ISBN 978-1-108-61756-7

[3] Vestince B. Mbayachi, Euphrem Ndayiragije, Thirasara Sammani, Sunaina Taj, Elice R. Mbuta, Atta ullah khan, Graphene synthesis, characterization and its applications: A review, Results in Chemistry 3, 2021-01-01, עמ' 100163 doi: 10.1016/j.rechem.2021.100163

[4] B. N. Narozhny, I. V. Gornyi, M. Titov, M. Schütt, A. D. Mirlin, Hydrodynamics in graphene: Linear-response transport, Physical Review B 91, 2015-01-12, עמ' 035414 doi: 10.1103/PhysRevB.91.035414

[5] S. Dai, Q. Ma, M. K. Liu, T. Andersen, Z. Fei, M. D. Goldflam, M. Wagner, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Thiemens, F. Keilmann, G. C. a. M. Janssen, S.-E. Zhu, P. Jarillo-Herrero, M. M. Fogler, D. N. Basov, Graphene on hexagonal boron nitride as a tunable hyperbolic metamaterial, Nature Nanotechnology 10, 2015-08, עמ' 682–686 doi: 10.1038/nnano.2015.131

[6] Chris Woodford, Graphene, Explain that Stuff.com. December 1, 2018

[7] "גרפן הוא 'גביע קדוש' שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה", באתר כלכליסט, 30 במאי 2021

[8] Prachi Patel, Deep-Frying Graphene Spheres For Energy Storage, C&EN, January 14 2015

[9] רפי ביסטריצר, באתר קרן וולף

[10] יוגב ישראלי, מבנה מוזר של יהלום התגלה במטאוריט קניון דיאבלו, באתר ynet, 27 ביולי 2022

[11] הכירו את פרופ' דורון נוה | הפקולטה להנדסה ע"ש אלכסנדר קופקין, באתר engineering.biu.ac.il

[12] A. Inbar, J. Birkbeck, J. Xiao, T. Taniguchi, K. Watanabe, B. Yan, Y. Oreg, Ady Stern, E. Berg, S. Ilani, The quantum twisting microscope, Nature 614, 2023-02, עמ' 682–687 doi: 10.1038/s41586-022-05685-y

[13] A. Di Bernardo, O. Millo, M. Barbone, H. Alpern, Y. Kalcheim, U. Sassi, A. K. Ott, D. De Fazio, D. Yoon, M. Amado, A. C. Ferrari, J. Linder, J. W. A. Robinson, p-wave triggered superconductivity in single-layer graphene on an electron-doped oxide superconductor, Nature Communications 8, 2017-01-19, עמ' 14024 doi: 10.1038/ncomms14024

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]