علماء يستخدمون البكتيريا لإنتاج غرافين أكثر كفاءة
طارق قابيل
يعد الغرافين مادة نانوية ثورية نظرا لقدرته على توصيل الكهرباء بسهولة، فضلا عن قوته الميكانيكية ومرونته الاستثنائية.
ومع ذلك، هناك عقبة رئيسية في اعتماده للتطبيقات اليومية، وهي إنتاج الغرافين على نطاق واسع مع الحفاظ على خصائصه المذهلة.
وفي دراسة جديدة نشرت في مجلة "كيمستري أوبن"، تصف الأستاذة المساعدة في علم الأحياء بجامعة روتشستر الأميركية آن ماير وزملاؤها في جامعة دلفت للتكنولوجيا الهولندية طريقة للتغلب على هذه العقبة الرئيسية للتصنيع.
طريقة أكثر فعالية
يصف الباحثون طريقتهم لإنتاج مواد الغرافين باستخدام تقنية جديدة عن طريق خلط الغرافيت المؤكسد بالبكتيريا، وهي طريقة أكثر فعالية من حيث التكلفة، وتوفر الوقت، وصديقة للبيئة لإنتاج مواد الغرافين مقارنة بتلك المنتجة كيميائيا، ويمكن أن تؤدي إلى إنشاء تقنيات حاسوب مبتكرة.
ويتم عادة استخراج الغرافين من الغرافيت، وهو المادة الموجودة في القلم الرصاص العادي، فعند سمك ذرة واحدة بالضبط يعد الغرافين أرق مادة ثنائية الأبعاد معروفة لدى الباحثين.
وقالت ماير لمركز الأخبار في جامعة روتشستر "بالنسبة للتطبيقات الحقيقية، أنت بحاجة إلى كميات كبيرة"، مضيفة أن "إنتاج هذه الكميات الكبيرة يشكل تحديا وينتج عنه عادة غرافين أكثر سمكا وأقل نقاء، هنا جاء عملنا".
نهج جديد
من أجل إنتاج كميات أكبر من مواد الغرافين بدأت ماير وزملاؤها تقشير طبقات الغرافيت لإنتاج أكسيد الغرافين، ثم خلطه بعد ذلك مع بكتيريا شيوانيلا التي تتغذى على الكهرباء، وتفرز الإلكترونات في صورتها النقية، ثم تركوا دورق البكتيريا ومواد السلائف حتى صباح اليوم التالي.
وخلال هذه الفترة اختزلت البكتيريا أكسيد الغرافين إلى مادة الغرافين، ويعد الأكسيد الذي تم اختزاله مادة مثالية لأنه خفيف الوزن وعالي التوصيل، لكنه يحتفظ عادة بعدد صغير من مجموعات الأكسجين التي يمكن استخدامها لربط الجزيئات.
وتفسر ماير ما حدث بقولها إن "من السهل إنتاج أكسيد الغرافين، لكنه ليس موصلا جيدا للكهرباء بسبب مجموعات الأكسجين الموجودة فيه.. وتزيل البكتيريا معظم مجموعات الأكسجين، مما يحوله إلى مادة موصلة".
غرافين منتج بكتيريا
مادة الغرافين المنتجة بكتيريا والتي تم تحضيرها في مختبر ماير موصلة للكهرباء، وأكثر رقة، وأكثر ثباتا من الغرافين المنتج كيميائيا، وبالإضافة إلى ذلك يمكن تخزينها لفترات زمنية أطول، مما يجعلها مناسبة تماما لمجموعة متنوعة من التطبيقات الحديثة.
وعلى سبيل المثال، يمكن استخدام مادة الغرافين المنتجة بكتيريا في تصنيع أجهزة استشعار الترانزستورات ذات التأثير الميداني، وهي أجهزة مستشعرات للجزيئات البيولوجية يمكن استخدامها على سبيل المثال لمراقبة تركيز الجلوكوز في دماء مرضى السكري.
وتقول ماير إنه "عندما ترتبط الجزيئات البيولوجية بالجهاز فإنها تغير توصيل السطح، وترسل إشارة بأن الجزيء موجود، ولصنع مستشعر بيولوجي جيد فأنت تحتاج إلى مادة شديدة التوصيل للكهرباء ولكن يمكن أيضا تعديلها لربط جزيئات معينة".
أحبار موصلة
يمكن أن تشكل مادة الغرافين المنتجة بكتيريا أيضا أساسا للأحبار الموصلة للكهرباء، والتي يمكن استخدامها لصنع لوحات مفاتيح الحاسوب أو لوحات الدوائر أو الأسلاك الصغيرة التي تعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة، مثل تلك المستخدمة في إزالة الجليد من الزجاج الأمامي للسيارة.
وتقول ماير إن استخدام الأحبار الموصلة هو "طريقة أسهل وأكثر اقتصادا لإنتاج الدوائر الكهربائية مقارنة بالتقنيات التقليدية".
ويمكن أيضا استخدام الأحبار الموصلة لإنتاج دوائر كهربائية فوق مواد غير تقليدية، مثل القماش أو الورق.
وقالت ماير إن "مادة الغرافين التي أنتجناها بكتيريا ستؤدي إلى ملاءمة أفضل بكثير لتطوير المنتجات، لقد تمكنا من تطوير تقنية الطباعة الحجرية البكتيرية، لإنشاء مواد الغرافين الموصلة من جانب واحد فقط، الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى تطوير مواد نانوية مركبة متطورة جديدة".