הגרפן הוא יריעה חד שכבתית דו ממדית המורכבת מאטומי פחמן המסודרים כמשושים. חומר מיוחד זה התגלה בשנת 2004 על-ידי שני חוקרים, אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב, אשר הצליחו לבודד שכבת גרפן מתוך גרפיט המצויה על-גבי עיפרון. תגלית חשובה זו זיכתה אותם בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010.
למרות הגילוי החדש יחסית, הגרפן מהווה מצע לפיתוחים פורצי דרך הנדסיים רבים ומשמש במגוון סוגים של תעשיות. לכן, אין זה פלא כי היקף המחזור השנתי של תעשיית הגרפן העולמי כבר עומד על-סך של כ-1.5 מיליארד דולר וצומח בקצב מרשים של כ-30% בממוצע מידי שנה.
פריצת הדרך הראשונה בכל הקשור לגידול גרפן "איכותי" בוואקום עבור תעשיית האלקטרוניקה נעשתה באוניברסיטת MIT בשנת 2015, שם הצליחו החוקרים לראשונה לייצר גרפן בקנה מידה תעשייתי. אומנם, מדובר בהליך יקר וראשוני, אך פריצת דרך זו סימנה את תחילתו של עידן הגרפן. לאור זאת, תעשיות מובילות, כגון: תעשיית האלקטרוניקה והתעשיה הביו-רפואית, החלו לרתום את הגרפן למטרותיהן.
גרפן – חומר בעל תכונות מיוחדות
תכונותיו המיוחדות של הגרפן הן רבות. הגרפן הוא בעל מוליכות חשמלית פנטסטית, באמצעותה ניתן להגביר את הקצב של מעגלים חשמליים לרמות של 100 ג'יגה ואף מעבר לכך. גם המוליכות התרמית שלו הינה יוצאת מן הכלל, ולכן שילובו בתוך רכיב יכול לסייע באופן דרמטי על פיזור החום שבו. בנוסף, הגרפן חזק מאוד ביחס לגודלו – פי 200 מפלדה ופי 10 מיהלום וכן בעל גמישות ברמה גבוהה, המאפשרת לו להתארך עד לכ-25% מאורכו.
דרגות האיכות השונות של הגרפן נגזרות ממספר ה"פגמים" שקיימים בכל סמ"ר. מקובל כי גרפן אשר מספר הפגמים שבו נמוך מ- 1011 לסמ"ר מתאים לתעשיית האלקטרוניקה ואילו גרפן פחות איכותי, כמו גרפן אוקסייד אשר אינו מיוצר בסביבת ואקום, מתאים לתעשיות וענפים אחרים. גרפן המשולב בתעשייה המסורתית הינו גרפן אשר קל יחסית לייצור ואינו נדרש להליך CVD מורכב. לאור קושי זה, כניסתו של הגרפן האיכותי לתעשייה הייתה מאוחרת ביחס לגרפן אוקסייד.
תכונותיו של הגרפן, על רמות איכותו השונות, נבחנות באופן תדיר על-ידי חברות גלובליות רבות, שעושות ניסיונות להטמעת הטכנולוגיה החדשנית במוצריהן וחלקם אף הבשיל לידי מוצר מוגמר.
שימושי הגרפן בתעשייה
התכונה הראשונה בה נעשה שימוש בתעשייה היא חוזקו של הגרפן ביחס למשקלו. כך למשל, יצרנית מחבטי הטניס HEAD החלה לשלב את הגרפן במחבטי החברה, לצורך מתן חוזק למחבט תוך הפחתת משקלו. למטרה דומה ישנן חברות אופניים אשר משלבות את הגרפן בשלדות העילית של מוצריהן.
החברה הראשונה אשר פרצה עם מוצר מבוסס גרפן איכותי היא חברת שיאומי הסינית. חברה זו השיקה ממש לאחרונה, באפריל 2021, את טלפון המשחקים הראשון שלה, בו משמשות יריעות הגרפן למטרת פיזור החום במכשיר ובסוללה ומניעת התחממותם יתר על המידה חרף הפעילות המאומצת שלו, הנגרמת בעקבות שימוש ניכר של גיימרים.
ידוע עוד כי הגרפן מעניק חוזק רב לבטון, תוך הפחתת משקלו. תוספת של גרפן במשקל של 0.03% ממשקל הבטון, יכול להפחית בשליש את המשקל הכולל של הבטון הנדרש. כמו כן, ידוע כי שילוב גרפן בגומי מעניק לו תוספת חוזק משמעותית. מכאן, שהדרך לתעשיית הצמיגים קצרה שכן הוכח כי תוספת גרפן לצמיג יכולה להאריך את חייו בכ-40%.
הגרפן יכול לסייע רבות גם בתחום סינון האוויר. הסטרטאפ הישראלי LIGC גייס בשנת 2020 סך של 3 מיליון דולר לטובת מסכת פנים מבוססת גרפן. עוד ידוע על מסננים במטוסי נוסעים המבוססים על גרפן שהינם בעלי יעילות רבה.
פיתוחים עתידיים של מוצרים מבוססי גרפן
באוגוסט 2019 פורסם כי חברת סמסונג בוחנת את החלפת טכנולוגיית הסוללות המצויה בטלפונים הניידים שלה מסוללות המבוססות ליתיום לסוללות המבוססות גרפן, דבר שיקנה לה יתרון משמעותי במהירות טעינת הסוללה. עוד מתחום הסוללות, בפברואר 2021 הכריזה יצרנית כלי הרכב הסינית GAC על פריצת דרך בטכנולוגיית סוללת הגרפן. פיתוח זה מאפשר הטענת הסוללה לרמה של 80% בשמונה דקות בלבד.
תחום נוסף המצוי בפיתוח מואץ ומשלב גרפן, הינו תחום הלוחות הסולאריים. בשנת 2016 מצאו חוקרים מסין כי טיפות הגשם הפוגעות בלוחות הסולאריים שעליהן שכבת גרפן יכולות לייצר חשמל אפילו בחשכה. כמו כן, ישנם מחקרים הקושרים את הגרפן לטיפול במים ומוצאים כי ניתן להתפיל מים באמצעות ממברנות המשלבות גרפן, ביעילות רבה יותר מהטכנולוגיות המצויות כיום. בהתאם לכך, יכול הגרפן לשמש גם עבור התעשייה הביו-רפואית למטרת אבחון ואיתור וירוסים וחיידקים.
פיתוחים אלה הם רק קצה הקרחון בכל הקשור ליכולת הניצול של החומר החדשני לטובת התעשייה ואנו עתידים לשמוע על פיתוחים נוספים בתחום הגרפן שיובילו לקידום של פתרונות חדשניים ומתקדמים בכל התחומים.
ערן בר-רבי
הכותב הינו מנכ"ל חברת סימטל ננו-ציפויים אשר משתתפת במאגד מטעם רשות החדשנות לייצור ולפיתוח גרפן לתעשייה.
יחד עם סימטל ננו-ציפויים, חברות במאגד גם חברת NVIDIA, אלביט PCB ובהובלת אוניברסיטת בר-אילן בראשות פרופ' דורון נווה וכן חוקרים מובילים מאוניברסיטאות תל-אביב, באר-שבע והטכניון.
סימטל תיכנס ליצור מסחרי של גרפן החל מחודש ינואר 2023.
