گرافین شبه‌مایع برای درک بهتر سیاه‌چاله‌ها مفید است

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از GizMag، دانشمندان در دانشگاه هاروارد و دانشگاه فناوری BBN ریتون کشف کردند که ذرات باردار درون گرافین با خلوص بالا، می‌تواند به عنوان یک سیال با خواص نسبیتی رفتار کند. این اکتشاف می‌تواند منجر به ساخت دستگاه‌هایی شود که به طور موثری حرارت را به برق تبدیل می‌کنند و همچنین تراشه‌های مبتنی بر گرافین که قادرند رفتار اجرام سماوی بسیار دور مانند ابرنواخترها و سیاه‌چاله‌ها را به دقت مدل‌سازی کنند.

گرافین بسیار سبک و محکم و رسانایی عالی برای حرارت و برق است. همچنین بسیار سخت و در اینحال انعطاف‌پذیر است. این مجموعه ویژگی‌های منحصر به‌فرد نشان می‌دهد که این ماده به سادگی می‌تواند جایگزین سیلیکون در الکترونیک و لیتیم در باتری‌هایی با چگالی بالا شود یا درون نانولوله‌های کاربنی پیچیده شود، شاید حتی برای انجام کار بلند پروازانه‌ای مثل ساخت آسانسور فضایی استفاده شود.

ساخت گرافین به اندازه کافی ساده است. تنها چیزی که نیاز دارید تکه‌ای نوار چسب است تا کریستال‌های گرافیتی را بارها و بارها پوست بگیرید تا در نهایت به یک لایه برسید. اما به خاطر اینکه محصول نهایی تنها ضخامتی به اندازه یک اتم دارد، مطالعه خواص گرافین به صورت تنها کار آسانی نیست.

حالا گروهی از محققان به سرپرستی پروفسور فیل کیم راهی برای جداسازی گرافین با درصد خلوص بالا پیدا کرده‌اند و از آن برای کشف یکی دیگر از خواص فوق‌العاده این ماده شگفت‌انگیز استفاده کرده‌اند. دانشمندان دریافتند که برای اولین بار در یک فلز، ذرات حامل بار در گرافین رفتاری مانند مواد سیال دارند که ذرات به جای اجتناب کردن از هم، یک تریلیون بار در ثانیه به‌هم برخورد می‌کنند.

ابتدا کیم و همکارانش نمونه خالصی از گرافین را جداسازی کردند و برای محافظت آن را بین لایه‌هایی از نیترید بور شش ضلعی، یک نوع عایق، قرار دادند. نیترید بور شش ضلعی کریستالی ترانما است که به خاطر خواص و ساختار اتمی مشابه با نام «گرافین سفید» نیز شناخته می‌شود.

سپس دانشمندان انتهای ورقه‌های گرافینی را با ذرات باردار پوشاندند و مشاهده کردند که چگونه هم‌زمان با اعمال هر دو جریان حرارتی و الکتریکی، بارها جاری شدند.

بسیاری از مواد، وقتی که در معرض یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، الکترون‌های آنها در جهت مخالف هم هدایت می‌شوند. در مقابل، اختلاف در دما باعث می‌شد هر دو نوع ذره باردار در مسیر مشترکی حرکت کنند. در هر صورت، ذرات باردار به ندرت با یکدیگر تداخل دارند.

هرچند، براساس یافته‌های کیم و همکارانش اوضاع در گرافین با درصد خلوص بالا بسیار متفاوت است. طبیعت دو وجهی و ساختار لانه زنبوری این ماده، ذرات باردار را مجبور می‌کند تا در مسیرهای مشترکی حرکت کنند و اغلب نیز با هم تداخل دارند و بدین ترتیب پلاسمایی به شدت متعامل و شبه‌نسبیتی را به نام «سیال دیراک» تشکیل می‌دهد.

اندرو لوکاس، یکی دیگر از سرپرستان این پژوهش، در این‌باره گفت: «علم فیزیکی را که ما به وسیله مطالعه سیاه‌چاله‌ها و تئوری ریسمان کشف کرده‌ایم، می‌توان در گرافین دید. این اولین مدل سیستم هیدرونامیک نسبیتی در یک فلز است».

این امر بدین معناست که تراشه‌های مبتنی بر گرافین، که در حال حاضر هم به عنوان گزینه‌های مناسبی برای نسل بعدی الکترونیک‌های بسیار نازک در نظر گرفته می‌شوند، می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا درک بهتری از پدیده‌های پیچیده کوانتوم، که در حال روی دادن در اجرام آسمانی واقع در انتهای دیگر کهکشان ما هستند، داشته باشند.

از نظر برنامه‌هایی برای مصرف‌کننده، گرافین با درصد خلوص بالا می‌تواند گزینه عالی برای ساخت دستگاه‌های حرارتی باشد که گرما را تنها با مصرف انرژی اندکی به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند یا برعکس. برای مثال، ایجاد مدار بسیار نازک و سبک وزن که به البسه بافته شود تا گرمای بدن را برای شارژ گوشی هوشمند تبدیل به برق کند.

مترجم: هانا حیدری