در طول تاریخ صنایع برق و الکترونیک، مس همواره به عنوان اصلی‌ترین رسانای جریان الکتریکی شناخته شده است. سیمهای مسی با روکش لاکی یا عایق، پایه و اساس بسیاری از موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها، ژنراتورها و تجهیزات صنعتی را تشکیل دادهاند. اما در سال‌های اخیر، ماده‌ای نوظهور به نام گرافن توجه پژوهشگران و صنعتگران را به خود جلب کرده است. این ماده دوبعدی که تنها از یک لایه اتم‌های کربن تشکیل شده، ویژگی‌های استثنایی در زمینه‌ی رسانایی الکتریکی، استحکام مکانیکی و انتقال حرارت از خود نشان داده است.
همین ویژگی‌ها باعث شده است که بسیاری از محققان این پرسش را مطرح کنند: آیا گرافن میتواند جایگزین خرید سیم لاکی مسی شود؟ برای پاسخ به این پرسش باید گرافن را بهتر بشناسیم، رسانایی آن را با مس مقایسه کنیم، چالش‌های تولید انبوه آن را بررسی نماییم و در نهایت چشم‌اندازی از آینده صنعت سیمپیچی با ورود مواد نوین ترسیم کنیم.
معرفی گرافن و ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد آن
گرافن در سال ۲۰۰۴ برای نخستین بار توسط آندره گیم و کنستانتین نووسلوف از دانشگاه منچستر به‌طور تجربی جداسازی شد و همین کشف جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۰ را برای آنان به همراه داشت. گرافن در واقع یک صفحه‌ی دوبعدی از اتم‌های کربن است که در آرایشی شش‌ضلعی شبیه به لانه‌ی زنبور کنار هم قرار گرفته‌اند. همین ساختار ساده اما منظم باعث شده تا این ماده ویژگی‌هایی فراتر از دیگر مواد شناخته‌شده داشته باشد.
از مهم‌ترین خصوصیات گرافن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- رسانایی الکتریکی بسیار بالا: الکترون‌ها در ساختار دوبعدی گرافن تقریباً بدون مانع حرکت می‌کنند و همین موضوع باعث ایجاد رسانایی نزدیک به ابررساناها میشود.
- استحکام مکانیکی فوق‌العاده: گرافن حدود ۲۰۰ برابر محکم‌تر از فولاد است، در حالی که وزن بسیار ناچیزی دارد.
- انعطاف‌پذیری عالی: این ماده میتواند خم شود و حتی کش بیاید، بدون اینکه ساختار آن از هم گسیخته شود.
- شفافیت نوری: با وجود ضخامت یک اتمی، گرافن قادر به جذب ۲٫۳٪ از نور مرئی است و همین موضوع آن را برای فناوری‌های اپتوالکترونیک مناسب می‌سازد.
- انتقال حرارتی بالا: رسانایی گرمایی گرافن چندین برابر مس گزارش شده و این ویژگی آن را برای دفع حرارت در سیستم‌های الکترونیکی جذاب می‌کند.
ترکیب این ویژگی‌ها گرافن را به گزینهای بالقوه برای جایگزینی مواد سنتی مانند مس در صنایع گوناگون تبدیل کرده است.
بیشتر بخوانید : سیم لاکی در صنعت گیمینگ و کنسول‌های بازی
مقایسه رسانایی الکتریکی گرافن و مس
برای بررسی اینکه آیا گرافن میتواند جایگزین سیم لاکی مسی شود، نخست باید رسانایی الکتریکی این دو ماده را مقایسه کنیم. مس یکی از بهترین رساناهای شناخته‌شده است و به همین دلیل در بیشتر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. رسانایی ویژه مس حدود 5.96×107 S/m5.96 \times 10^7 \, S/m5.96×107S/m است.
در مقابل، رسانایی الکتریکی گرافن بسته به کیفیت تولید و شرایط آزمایش متفاوت است. در شرایط ایده‌آل، تحرک الکترونی در گرافن بیش از ۲۰۰۰۰۰ cm²/V·s گزارش شده که بسیار بالاتر از نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکون است. این بدان معناست که اگر گرافن در مقیاس بزرگ و بدون نقص تولید شود، میتواند حتی عملکردی بهتر از مس در انتقال جریان داشته باشد.
اما واقعیت صنعتی کمی متفاوت است. تولید گرافن بی‌نقص در ابعاد بزرگ کار دشواری است و عیوب ساختاری، ناخالصی‌ها و روش‌های سنتز می‌توانند رسانایی واقعی آن را کاهش دهند. از طرف دیگر، سیمهای مسی در طول بیش از یک قرن بهینه‌سازی شده‌اند و رسانایی آن‌ها تقریباً به حداکثر ظرفیت نزدیک است.
در جدول زیر می‌توان مقایسه‌ای ساده میان این دو ماده مشاهده کرد:
| ویژگی | مس | گرافن |
| رسانایی الکتریکی | بسیار بالا و پایدار | بسیار بالا اما وابسته به کیفیت تولید |
| استحکام مکانیکی | خوب اما محدود | ۲۰۰ برابر فولاد |
| چگالی | بالا | بسیار کم |
| رسانایی گرمایی | بالا | فوق‌العاده بالا |
| انعطاف‌پذیری | متوسط | بسیار زیاد |
این مقایسه نشان می‌دهد که گرافن در صورت رفع چالش‌های تولید میتواند برتری‌هایی نسبت به مس داشته باشد، اما در حال حاضر مس همچنان ماده‌ای بی‌رقیب در کاربردهای صنعتی است.
آیا تقاضا برای گرافن به اندازه کافی برای جایگزینی سیم مسی وجود دارد؟
در زمینه بازار تولید و تقاضا برای گرافن به عنوان جایگزین سیم مسی، تصویر فعلی ترکیبی از پتانسیل بلندپروازانه و ملاحظات عملی است. از یک سو، گرافن با خواص فوق‌العاده مانند رسانندگی الکتریکی عالی، وزن سبک و استحکام مکانیکی بالا وعده می‌دهد تا در کاربردهای آینده مانند کابل‌های فوق‌باریک، ترکیبات کامپوزیتی و تیم‌های الکترونیک انعطافپذیر نقشی کلیدی ایفا کند.
از سوی دیگر، هزینه‌های تولید، فرآیندهای نابهنجار برای تولید گرافن با کیفیت و کنترل دقیق خواص در سطح صنعتی، مانعی جدی برای جایگزینی سریع با سیم مسی محسوب میشود. در حال حاضر، سیم مسی به دلیل قیمت نسبتاً پایین، دانسته‌های فراوان و زیرساخت‌های تولیدی گسترده، همچنان پرتقاضا باقی است.
بازارهای خاص مانند تجهیزات پرسرعت یا فناوری‌های نوظهور (مثلاً کابل‌های فیبر-رسانا ترکیبی یا ساختارهای آموزشی) میتواند به سمت استفاده از گرافن با کاربری‌های محدود هدایت شود. با این وجود، پیشرفت‌های مستمر در زمینه سنتز گرافن با هزینه‌های کمتر و توسعه روش‌های پوشش‌دهی، ترکیب با مواد پلیمری و بهبود پایداری در برابر خوردگی میتواند تقاضا را به سمت ظرفیت‌های تولیدی معقول و مقیاس‌پذیر هدایت کند.
همچنین مسائل زیست‌محیطی و پایداری زنجیره تأمین گرافن، به ویژه در مقیاس صنعتی، باید به دقت مدیریت شود تا کاربران نهایی احساس امنیت در درست بودن انتخاب‌های مواد را داشته باشند. در نهایت، مسیر جایگزینی سیم مسی به گرافن به تدریج گسترش می‌یابد و موفقیت آن بستگی به تعادل بین قیمت، کیفیت و قابلیت‌های تولید دارد.
بیشتر بخوانید : بررسی سیم لاکی سازگار با محیط زیست با روکش های جدید
چالش‌های تولید انبوه گرافن برای صنایع
با وجود تمام ویژگی‌های شگفت‌انگیز گرافن، بزرگ‌ترین مانع در راه جایگزینی آن با سیم لاکی مسی، تولید انبوه و اقتصادی است. تاکنون روش‌های مختلفی برای سنتز گرافن معرفی شده است؛ از جمله لایه‌برداری مکانیکی، رسوب‌دهی شیمیایی از بخار (CVD)، و روش‌های شیمیایی مبتنی بر اکسید گرافن. هرکدام از این روش‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند.
- روش لایه‌برداری مکانیکی کیفیت بسیار بالایی دارد اما مقیاس‌پذیر نیست.
- روش CVD امکان تولید لایه‌های بزرگ‌تر را فراهم می‌کند اما هزینه‌بر و زمان‌بر است.
- روش شیمیایی اقتصادی‌تر است ولی کیفیت گرافن تولیدی معمولاً پایین‌تر است.
علاوه بر این، اتصال گرافن به صورت رشته‌ای یا سیمی و عایق‌بندی آن برای استفاده در موتورهای الکتریکی هنوز به عنوان یک چالش جدی باقی مانده است. حتی اگر تولید گرافن اقتصادی‌تر شود، ایجاد فرآیندهای صنعتی جدید برای جایگزینی سیمپیچی مسی هزینه‌های بسیار زیادی به همراه خواهد داشت.
بنابراین، تا زمانی که این مشکلات برطرف نشود، گرافن بیشتر در کاربردهای پیشرفته مانند حسگرها، الکترونیک انعطافپذیر و باتریهای نسل جدید به کار گرفته خواهد شد تا در صنعت سیمپیچی.
آینده صنعت سیمپیچی با ورود مواد نوین
آینده صنعت سیمپیچی وابسته به ترکیبی از نیازهای انرژی، پیشرفت فناوری‌های نوین و هزینه‌های تولید خواهد بود. مس همچنان به دلیل دسترسی آسان، قیمت مناسب و رسانایی عالی، ماده‌ی اصلی باقی خواهد ماند. اما با ورود موادی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و آلیاژهای سبک‌تر، احتمال تغییر در این صنعت وجود دارد. ممکن است در آینده شاهد استفاده از ترکیب مس و گرافن باشیم، به گونه‌ای که یک لایه پوششی از گرافن روی سیمهای مسی اعمال شود تا رسانایی و مقاومت در برابر خوردگی افزایش یابد.
همچنین در کاربردهای خاصی که نیاز به وزن بسیار پایین و رسانایی فوق‌العاده است، احتمالاً گرافن به‌طور مستقیم وارد میدان خواهد شد. به بیان دیگر، آینده صنعت سیمپیچی احتمالاً ترکیبی از سنت و نوآوری خواهد بود: مس همچنان ستون اصلی باقی می‌ماند، اما مواد نوینی مانند گرافن نقش مکمل و تکمیل‌کننده ایفا خواهند کرد.
بیشتر بخوانید : بررسی کاربرد سیم لاکی در رآکتورهای هسته ای و تولید انرژی
سخن پایانی
گرافن بی‌تردید یکی از جذاب‌ترین مواد قرن ۲۱ است و ویژگی‌های آن باعث شده بسیاری از متخصصان به آینده‌ای متفاوت برای صنایع برق و الکترونیک امیدوار باشند. با این حال، برای پاسخ به پرسش «آیا گرافن جایگزین سیم لاکی مسی میشود؟» باید واقع‌بین بود. در شرایط فعلی، چالش‌های تولید، هزینه‌های بالا و محدودیت‌های صنعتی اجازه نمی‌دهد گرافن جایگزین مس شود. اما این ماده میتواند نقش مکمل داشته باشد و در بلندمدت، با توسعه فناوری‌های نوین، جایگاه مهمی در صنعت سیمپیچی پیدا کند.
سوالات متداول
۱. آیا گرافن هماکنون در صنعت سیمپیچی استفاده میشود؟
خیر، در حال حاضر استفادهی صنعتی از گرافن در سیمپیچی متداول نیست. کاربردهای اصلی گرافن بیشتر در حوزههای تحقیقاتی، باتریهای نسل جدید، حسگرها و الکترونیک انعطافپذیر است.
۲. آیا ترکیب مس و گرافن میتواند جایگزین سیمهای مسی خالص شود؟
بله، تحقیقات نشان دادهاند که افزودن گرافن به سیمهای مسی میتواند رسانایی، استحکام و مقاومت در برابر اکسیداسیون را بهبود دهد. این ترکیب میتواند در آینده گزینهای عملیتر نسبت به استفادهی صرف از گرافن باشد.
۳. چه زمانی می‌توان انتظار داشت گرافن به صورت گسترده جایگزین مس شود؟
پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که حداقل در کوتاه‌مدت (۵ تا ۱۰ سال آینده) این امر بعید است. اما با پیشرفت فناوری‌های تولید انبوه گرافن و کاهش هزینه‌ها، در بلندمدت احتمال جایگزینی یا ترکیب گرافن با مس بیشتر خواهد شد.
