الترانزستورات الكمية هي أجهزة إلكترونية مصنوعة من مواد نانوية مثل الجرافين والنانوأسلاك والنانوأنابيب، وتعتمد على الخواص الكمية للإلكترونات في تحكمها في تدفق التيار الكهربائي. وتتميز الترانزستورات الكمية بحجمها الصغير جداً واستهلاكها الضئيل للطاقة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الأنظمة المتكاملة والأجهزة الإلكترونية الصغيرة.

يتم استخدام مواد مختلفة في بناء الترانزستور، ولكن الأشهر استخدامًا هي:

1- السيليكون
2- الجرمانيوم
3- المعادن (مثل الألمونيوم والبلاديوم والذهب)
4- الأكسيدات (مثل أكسيد السيليكون)
5- المتعددات البلورية (مثل الجرافين والنانوأسلاك)

توجد العديد من المواد المستخدمة في تصميم الدوائر الإلكترونية، ومن أهم هذه المواد:

1- السيليكون: يستخدم السيليكون في تصنيع معظم الأشباه الموصلة المستخدمة في الدوائر الإلكترونية.

2- الزجاج: يستخدم الزجاج في صنع المعالجات الضوئية والألياف البصرية.

3- البوليمرات: يستخدم البوليمرات في صنع الأجزاء البلاستيكية للدوائر الإلكترونية والوصلات الكهربائية.

4- المعادن: يستخدم العديد من المعادن في صنع الأسلاك والوصلات والأجزاء الإلكترونية الأخرى.

5- الزئبق: يستخدم الزئبق في الخلايا الكهربائية.

6- المواد النانوية: تستخدم المواد النانوية في تصنيع الدوائر الإلكترونية الحديثة، وتشمل الجرافين والنانوأنابيب والنانوحبيبات.

هناك العديد من المواد الجديدة التي يتم استخدامها في الصناعات الإلكترونية، ومن بينها:

1. الجرافين: هو مادة رقيقة جداً وقوية جداً تتكون من طبقة واحدة من الذرات الكربونية. يمكن استخدامه في صناعة الشاشات الحية، والأجهزة القابلة للطي، وأنظمة الطاقة الشمسية.

2. نانوتكنولوجي: تستخدم تقنية النانوتكنولوجيا لتصميم وتصنيع الأجهزة الإلكترونية الصغيرة جداً مثل شرائح المعالجة المركزية والمحركات الخفيفة والدقيقة.

3. النانومواد: وهي عبارة عن مواد تتكون من جزيئات صغيرة جداً، ويمكن استخدامها في التصميم وتصنيع الأجهزة الإلكترونية الصغيرة، والأجهزة الحيوية والطبية.

4. الأكسيدات الفلزية: تستخدم في إنتاج البطاريات والأجهزة الإلكترونية المثبتة على الأسطح.

5. مواد البوليمر: تستخدم في إنتاج الأجهزة الإلكترونية المثبتة على الأسطح بسبب خفتها الوزنية وصلابتها الميكانيكية.

6. الزجاج الشفاف الموصل: يستخدم في شاشات العرض والأجهزة الإلكترونية الشفافة.

ما هو مبدأ عمل بطارية الجرافين ؟

مبدأ عمل بطارية الجرافين يعتمد على تفاعل الجرافين مع المواد الأخرى المستخدمة في البطارية لتوليد وتخزين الطاقة. يتم استخدام الجرافين كمادة نشطة في الكاثود (القطب الإيجابي) أو الأنود (القطب السالب) في البطارية.

عند شحن البطارية، يتم تطبيق فرق الجهد على الجرافين في الأنود مما يؤدي إلى تفاعل الجرافين مع المواد الأخرى الموجودة في البطارية، مما يسمح بتخزين الطاقة. أثناء عملية التفريغ، يتم تحرير الطاقة المخزنة في الجرافين وينتج التيار الكهربائي الذي يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة الإلكترونية.

توجد العديد من التصميمات والتقنيات المحتملة لبطاريات الجرافين، بما في ذلك استخدام الجرافين الموجود في شكل طبقة رقيقة أو تكوينه كثنائي الأبعاد، والتي يمكن أن تؤثر على أداء وخصائص البطارية.

مع ذلك، يجب أن نلاحظ أن بطاريات الجرافين لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، والعمليات والتقنيات الدقيقة لمبدأ عملها قد لا تكون محددة بشكل كامل في الوقت الحالي.

ما هي بطارية الجرافين وما هو الجديد فيها ؟

بطارية الجرافين هي نوع من البطاريات الجديدة المبتكرة التي تستخدم الجرافين كمادة رئيسية في تركيبها. الجرافين هو مادة رقيقة ومرونة عبارة عن طبقة واحدة من الكربون تتكون من ذرات الكربون المرتبطة بشكل هندسي في هيكل بصورة النحلة. يتمتع الجرافين بخصائص فريدة مثل التوصيل الحراري والكهربائي العالي والمرونة والقوة العالية.

ما يميز بطارية الجرافين هو استخدام الجرافين في تصميم الكاثود (القطب الإيجابي) أو الأنود (القطب السالب)، مما يؤدي إلى تحسين أداء البطارية بشكل عام. تعتبر بطاريات الجرافين واعدة في عدة جوانب، بما في ذلك:

1. سعة تخزين عالية: تتميز بطاريات الجرافين بسعة تخزين عالية، مما يعني أنها يمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة في حجم صغير.

2. سرعة الشحن والتفريغ: تتمتع بطاريات الجرافين بقدرة على الشحن والتفريغ بسرعة عالية، مما يعزز كفاءة استخدامها وقدرتها على تزويد الأجهزة بالطاقة بشكل سريع.

3. عمر البطارية الطويل: يُعتقد أن بطاريات الجرافين قد تتمتع بعمر أطول مقارنةً بالتكنولوجيا التقليدية، مما يقلل من الحاجة إلى استبدالها بشكل متكرر.

4. السلامة: تشتهر بطاريات الجرافين بأنها أكثر أمانًا، حيث يمكن تقليل خطر التسرب أو الانفجار المرتبط ببطاريات التكنولوجيا التقليدية.

مع ذلك، يجب أن نلاحظ أن بطار

يات الجرافين لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، ولم يتم تجاريتها بشكل واسع حتى الآن. قد يستغرق بعض الوقت قبل أن تصبح هذه التقنية متاحة تجارياً ومعتمدة على نطاق واسع.

تعد البطاريات في صميم أهم تقنياتنا اليومية. يعتمد هاتفك وجهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بك وفي النهاية سيارتك ومنزلك على تخزين الطاقة في البطاريات. تعد تقنية البطاريات الحالية رائعة ، لكن بطاريات الجرافين يمكن أن تحل أوجه القصور فيها.

ما هو الجرافين بالضبط؟

هناك فرصة جيدة لأنك سمعت عن الجرافين في وسائل الإعلام من قبل. كل بضع سنوات ، هناك تنبؤات غير متوقعة حول كيف ستحول هذه المادة العجيبة تقنيات مختلفة. ما قد لا تعرفه هو أن الجرافين هو مجرد كربون. نفس الأشياء التي تقوم عليها الحياة على الأرض وهي عنصر وفير بشكل لا يصدق على الأرض.

الجرافين عبارة عن شبكة بلورية من الجرافيت بسماكة ذرة واحدة ، وهو في الأساس كربون بلوري. يبدو هذا وكأنه شيء خيالي بشكل لا يصدق ، ولكن يمكنك صنع رقائق من الجرافين بقلم رصاص وبعض الشريط اللاصق. ومع ذلك ، فقد تم بالفعل منح جائزة نوبل لفعل ذلك .

يحتوي الجرافين على العديد من الخصائص التي تجعله مثيرًا للغاية كجزء محتمل من التكنولوجيا المستقبلية. لديها موصلية حرارية وكهربائية عالية. لذلك إذا كنت تريد نقل الكهرباء أو التدفئة بكفاءة عالية ، فهذا خيار واعد.

يُظهر الجرافين أيضًا مستوى عالٍ من الصلابة والقوة. إنه مرن للغاية ومرن. كما أنها شفافة ويمكن استخدامها لتوليد الكهرباء من ضوء الشمس.

يصعب إنتاج الجرافين بكميات كبيرة

كل هذا يبدو رائعًا ، لكن هناك عقبة كبيرة. على الرغم من أنه من التافه صنع رقائق الجرافين أو الألواح الصغيرة للبحث في المختبر ، إلا أن الإنتاج الضخم يثبت أنه صعب. لولا تحديات الإنتاج الضخم لهذه المادة النانوية بشكل موثوق ، لكانت موجودة في المنتجات منذ زمن بعيد.

الخبر السار هو أن هناك العديد من السبل الواعدة للإنتاج الضخم التي يمكن أن تجعل الجرافين أرخص بما يكفي للوصول إلى السوق الشامل. يمكن الآن تصنيع الألياف المشبعة بالجرافين بكميات معقولة. يمكن أيضًا إنتاج الجرافين باستخدام المذيبات ، على الرغم من أنها شديدة السمية. كان الباحثون يبحثون عن مذيبات أكثر أمانًا ويبدو ذلك واعدًا أيضًا.

غالبًا ما يُصنع الجرافين حاليًا باستخدام ترسيب البخار الكيميائي. هنا يتشكل الجرافين كطبقة على مادة الركيزة. المشكلة في ذلك هي أن معدل الخلل في الجرافين مرتفع. بحث جديد باستخدام سائل (بسطحه المسطح تمامًا) كركيزة قد يحل مشكلة معدل الخلل. إذا افترضنا أننا في النهاية نكسر الإنتاج الضخم للجرافين ، فلماذا نريده في البطاريات؟

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على مشاكل لا يمكن أن يتسبب بها الجرافين

بطاريات الليثيوم هي أكثر البطاريات كثافة للطاقة التي يمكن أن تجدها في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. إنهم يجعلون أجهزة مثل الهواتف الذكية والطائرات بدون طيار والسيارات الكهربائية ممكنة. ومع ذلك ، الليثيوم. البطاريات متقلبة وتحتاج إلى دوائر أمان شاملة للحفاظ على ثباتها.

كما أنها تتحلل مع كل عملية إعادة شحن ، وهناك حد لمقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها دفعة واحدة ، ويجب شحنها ببطء خشية ارتفاع درجة حرارة البطارية وتنفجر .

يمكن للبطاريات المُحسَّنة باستخدام الجرافين إصلاح العديد من هذه المشكلات أو تخفيفها. يمكن أن تؤدي إضافة الجرافين إلى بطاريات الليثيوم الحالية إلى زيادة سعتها بشكل كبير ، ومساعدتها على الشحن بسرعة وأمان ، وجعلها تدوم لفترة أطول قبل أن تحتاج إلى الاستبدال.

لا تحتوي بطاريات الحالة الصلبة على سائل إلكتروليت. هذه هي المادة الموجودة بين طرفي البطارية وتخزن الطاقة الكيميائية المحولة إلى تيار كهربائي. لا يزال إنشاء بطاريات صلبة عملية كبيرة للاستخدام التجاري هدفًا بحثيًا مستمرًا ، ولكن الجرافين قد يكون المرشح المناسب لجعل بطاريات الحالة الصلبة حقيقة واقعة في السوق الشامل.

في بطارية الحالة الصلبة من الجرافين ، يتم مزجه مع السيراميك أو البلاستيك لإضافة الموصلية لما هو عادة مادة غير موصلة. على سبيل المثال ، ابتكر العلماء نموذجًا أوليًا لبطارية الحالة الصلبة للجرافين والسيراميك يمكن أن يكون مخططًا لبدائل آمنة وسريعة الشحن لبطاريات الليثيوم أيون مع إلكتروليت سائل متطاير.

بطاريات الجرافين التي يمكنك شراؤها (نوعًا ما)

تبدو بطاريات الجرافين رائعة ، مثل شيء من الخيال العلمي. الخبر السار هو أنه ليس عليك الانتظار لتجربة فوائد الجرافين. على الرغم من أن بطاريات الجرافين الصلبة لا تزال بعيدة ، إلا أن بطاريات الليثيوم المعززة بالجرافين موجودة بالفعل في السوق.

على سبيل المثال ، يمكنك شراء إحدى بطاريات Elecjet’s Apollo ، والتي تحتوي على مكونات الجرافين التي تساعد في تحسين بطارية الليثيوم بالداخل. الميزة الرئيسية هنا هي سرعة الشحن ، حيث تطالب Elecjet بشحن فارغ إلى كامل لمدة 25 دقيقة. يتم تحسين هذه البطاريات قليلاً فقط باستخدام القليل من الجرافين ، لكن تكلفتها ليست عالية جدًا بحيث تجعلها بعيدة عن متناول المستهلكين العاديين.

على مدى السنوات القليلة المقبلة ، مع انخفاض تكلفة إنتاج الجرافين ، نتوقع أن نرى المزيد من الأجهزة تعزز بطاريات الليثيوم بهذه المادة الرائعة. قريبًا ، ربما ستصبح بطاريات الجرافين ذات الحالة الصلبة الثورة الكبيرة التالية في تخزين الطاقة .