اختراعات مهم تاریخ
گرافن

گرافن

US7071258
بور جانگ,ون هوآنگ

انسان همواره در طول تاریخ به دنبال یافتن موادی جدید با ویژگی‌های منحصربه‌فرد بوده است. این نیاز، در دوره‌ای خود را به شکل جستجوی همگانی برای طلا و در دوره‌ای دیگر، به صورت تب طلای سیاه یا همان نفت نشان داده است. این مثال‌ها، جدای از تلاش همیشگی برای یافتن موادی همچون الماس، چدن و کمی مدرن‌تر، فولاد بوده که به بشر اجازه ساخت و تولید دستگاه‌ها و ماشین‌آلات جدید را داده است.

اما کشف و توسعه مواد و ترکیبات جدید، به مواردی مثل فولاد محدود نشده و با ظهور فناوری نانو در سال‌های میانی قرن بیستم، دریچه‌ای جدید به روی محققین و نوآوران، برای ساخت و توسعه موادی با قابلیت‌های کاملاً متفاوت گشوده شده است. با پیشرفت‌های فنی صورت گرفته در فناوری نانو، امروزه طیف وسیعی از نانومواد مختلف، برای کاربردهای متنوعی اعم از دارورسانی، عایق‌های پوشیدنی، تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی، بسته‌بندی مواد غذایی و ... توسعه یافته است. در کنار تمامی این پیشرفت‌ها، معرفی ماده‌ای جدید به نام گرافن، نه‌تنها حوزه نانو فناوری، بلکه مجموعه‌ای گسترده از صنایع مختلف را تحت تأثیر خود قرار داده است. این ماده سخت‌تر از الماس و رساناتر از مس، دارای پایه کربنی و چگالی اتمی بالایی است و همین ترکیب غیرعادی، خواصی منحصربه‌فرد، نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، خصوصیات نوری فوق‌العاده و ... را، به آن بخشیده است.

گرافن ماده‌ای تک لایه‌ای، متشکل از اتم‌های کربن است که این اتم‌ها در یک شبکه دو بعدی و کند‌و مانند، به یکدیگر متصل شده‌اند. ضخامت این ماده، به اندازه یک اتم بوده و به همین دلیل، آن را به‌عنوان نازک‌ترین ماده جهان می‌شناسند. به عبارت بهتر، گرافن اصطلاحی است که به نوارهای بسیار نازکی از تک لایه‌های گرافیت گفته می‌شود. کاربردهای متعدد گرافن، حتی از خواص آن نیز جالب‌تر است. گرافن را می‌توان در مواد کامپوزیتی، فیبرهای کربنی و یا صنایع الکترونیکی استفاده نمود. از آنجا که خواص گرافن هنوز هم به‌طور کامل کشف نشده است، بسیاری از محققین و دانشمندان، در حال تحقیق بر روی این مسئله بوده و سرمایه‌گذاری‌های عظیمی از سوی شرکت‌های فناور بزرگ و صنایع پیشرفته، بر روی فعالیت‌های تحقیق و توسعه‌ای مرتبط با کاربردهای گرافن در حال انجام است.

با همه این اوصاف و تلاش‌هایی که در حال حاضر در حال انجام است، گرافن را نمی‌توان یک ماده کاملاً جدید و نوظهور دانست. این ماده، برای نخستین بار در سال ۱۹۴۷ میلادی، توسط فیزیکدان کانادایی، فیلیپ راسل والاس «Philip Russell Wallace» معرفی گردید که البته تولید آن، نیازمند یک دوره طولانی تحقیق و توسعه از سوی بسیاری از محققین و دانشمندان بود. تولید گرافن، نهایتاً در سال ۲۰۰۴ میلادی، توسط یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی آندره گیم «Andre Geim» و کنستانتین نووسلوف «Konstantin Novoselov» (دو دانشمند روس تبار از دانشگاه منچستر) انجام گرفت و تلاش‌های این دو محقق در این زمینه، موجب شد تا جایزه نوبل سال ۲۰۱۰ میلادی، به آن‌ها اعطا گردد. اعطای جایزه نوبل، به خوبی پتانسیل‌های بالقوه گرافن را بیان می‌دارد؛ ماده‌ای ارزشمند که حتی به گفته «گیم و نووسلوف» چیزی شبیه به کشف یک معدن طلا است.

با فراهم شدن امکان تولید گرافن، تجاری‌سازی کاربردهای مبتنی بر این ماده نیز آغاز شد. اولین شرکت‌های پیشرو در زمینه تولید و تجاری‌سازی کاربردهای گرافن، از سال ۲۰۰۶ میلادی آغاز بکار نمودند که حاکی از قدمت به نسبت کم فعالیت‌های این‌چنینی و موفقیت چشمگیر آن‌ها دارد. بنا بر ارزیابی‌های صورت گرفته پیرامون بازار گرافن، این ماده جادویی، با تجربه تجاری بیش از یک دهه و استقبال فزاینده از آن، به دلیل در دسترس و مقرون‌به‌صرفه بودن، اولین موج از توسعه بازار را تجربه می‌نماید. با توجه به پتانسیل تجاری گرافن که از همان بدو معرفی آن تا حدی مشخص بود، حفاظت از نوآوری‌های صورت گرفته، اعم از توسعه مفاهیم اولیه مرتبط با آن، روش‌های تولید و البته کاربردهای مختلف، بسیار مهم و ضروری است. اینجا است که سیستم پتنت به‌عنوان ابزاری کارآمد برای حفاظت از اختراعات و نوآوری‌ها وارد می‌شود.

با جستجو در میان پایگاه‌های داده ثبت اختراع و اسناد پتنت مرتبط با گرافن، نخستین پتنتی که به این ماده اشاره می‌کند، پتنتی به شماره «US5376450» است که در تاریخ ۳۰ سپتامبر سال ۱۹۹۲ میلادی، توسط شرکت «UCAR Carbon Technology Corporation» به ثبت رسیده و گواهی آن در دسامبر ۱۹۹۴، به این شرکت اعطا گردیده است.

مرور فناوری‌ها و اختراعات مختلف در طول تاریخ، نشان می‌دهد که فرد یا شرکتی که از سوی جامعه به‌عنوان مخترع و پدیدآورنده یک اختراع جدید شناخته می‌شود، لزوماً نخستین فرد یا شرکت نیست. ممکن است مخترعی دیگر بتواند دستگاهی عملی و کارآمد عرضه نماید، یا این‌که دو مخترع به صورت هم‌زمان بر روی ساخت دستگاهی کار نموده و یکی از آن‌ها زودتر نسبت به ثبت آن در سیستم پتنت اقدام نماید. در مثال گرافن، یکی از اولین پتنت‌های به ثبت رسیده با موضوع فرآیند تولید گرافن، پتنتی با شماره «US7071258» است که در ۲۱ اکتبر سال ۲۰۰۲ میلادی، توسط بور جانگ «Bor Z. Jang» و ون هوآنگ «Wen C. Huang» به ثبت رسیده و گواهی آن در تاریخ ۴ جولای سال ۲۰۰۶ میلادی، از سوی دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا به مالک این پتنت یعنی شرکت «Nanotek Instruments» اعطا گردیده است. نقطه تمایز این پتنت با نمونه‌های قبلی، تشریح روشی کاربردی برای تولید انبوه لایه‌های نانومقیاس گرافن بوده که بزرگ‌ترین چالش پیش روی توسعه گرافن، یعنی تولید به مقیاس و عملی آن را رفع می‌ساخت.

با افزایش آگاهی‌ها و پیشرفت‌های صورت گرفته در خصوص گرافن، روند ثبت اختراع در این حوزه نیز که از سال‌های ۲۰۰۰ میلادی به این‌سو آغاز شده بود، به شدت افزایش یافت. این روند تصاعدی، به حدی است که تعداد ثبت اختراعات تا سال ۲۰۰۵ میلادی، تقریباً نزدیک به ۱۰۰ پتنت و یا حتی کمتر در هر سال بود و به یک‌باره در سال‌های انتهایی این دهه، به بیش از ۹۰۰ پتنت می‌رسد. نگاهی دقیق‌تر به متقاضیان برتر ثبت اختراع در حوزه گرافن، نشان می‌دهد که غول فناوری کره جنوبی، سامسونگ، توانسته است گوی سبقت را از دیگران برباید و با فاصله‌ای بسیار زیاد از دیگران، خود را به‌عنوان پیشگام و رهبر نوآوری‌های گرافنی مطرح نماید. شرکت‌هایی نظیر «Sandisk»، «فوجیتسو»، «IBM» و «McAlister technologies»، به همراه دانشگاه‌های هاروارد، کالیفرنیا، «Sungkyunkwan» و «Rice»، از بازیگران برتر حوزه ثبت اختراعات گرافنی محسوب می‌شوند. گفتنی است، گرافن از منظر تجاری‌سازی، ماده‌ای بسیار ارزشمند بوده و همین عامل موجب شده تا برخلاف برخی از اختراعات بسیار مهم تاریخی که شاهد رقابت چند فرد به‌عنوان مخترعین و محققین پیشگام هستیم، اغلب نام شرکت‌های فناور بزرگ و دانشگاه‌ها را به‌عنوان پیشگامان توسعه آن مشاهده نماییم.

لازم به ذکر است که مراحل و نقاط عطف رشد گرافن از منظر تجاری‌سازی را می‌توان در چند گام اصلی طبقه‌بندی نمود. در گام نخست، اولین شرکت‌های فعال در این زمینه راه‌اندازی شدند. با انتشار مقالات و گزارش‌های مختلف علمی در سال‌های نخستین ظهور گرافن و معرفی آن به‌عنوان یک انقلاب بزرگ در صنعت، تأمین مالی و جذب سرمایه‌گذاری از سوی این شرکت‌ها شدت یافت و نخستین امکانات برای فعالیت‌های تحقیق و توسعه و تولید در مقیاس‌های کوچک، آغاز شد. در گام دوم، تعدادی از شرکت‌های گرافنی رشد یافتند و مجموعه‌ای از پروژه‌های کوچک در اقصی نقاط جهان در این زمینه تعریف شد. روند سرمایه‌گذاری‌ها نشان می‌داد که بازاری بسیار جذاب پیش روی شرکت‌ها و فعالان این حوزه قرار دارد. اغلب این شرکت‌ها، اقدام به فروش مقادیر کوچک گرافن تولیدشده، با قیمت‌های بسیار بالا نمودند و با وجود تلاش‌های بازیگران کوچک و بزرگ برای نشان دادن قابلیت‌های عملکردی خود، کاربران نهایی بین آن چیزی که گرافن واقعاً می‌توانست به وجود آورد و آن چیزی که در دسترس آن‌ها قرار می‌گرفت، گیج و سردرگم می‌شدند.

در ادامه و به‌عنوان گام سوم، هم شرکت‌های تولیدکننده و هم کاربران نهایی، به نوعی واقع‌گرایی در مواجهه با چالش تجاری‌سازی گرافن دست یافتند و با کاهش و تعدیل سطح انتظارات کاربران نهایی، تأمین‌کنندگان و شرکت‌های فعال در این حوزه نیز به عواملی همچون ایمنی، سازگاری فرآیند تولید و هزینه‌های آن، توجه بیشتری نشان دادند. در گام چهارم، صنعت به سوی تکامل مجدد و افزایش ارزش گرافن حرکت نمود. بازیگران مختلف، از جمله چینی‌ها نیز به رقابت وارد شده و نشان دادند که در پی تجاری‌سازی کامل این ماده، به‌عنوان یک کسب‌وکار به مقیاس و کم‌هزینه هستند. فرآیندهای تولید، بهبود یافته و روش‌های جدیدی به‌کار گرفته شدند که موجب ارتقاء کیفیت و کاهش هزینه تمام‌شده تولید گرافن می‌گردید. با افزایش اعتمادبه‌نفس بازیگران و رفع نگرانی‌های اولیه، تجاری‌سازی محصول شتاب گرفته و حتی برخی از نمونه‌های تولیدی، با هدف شبیه‌سازی تقاضا، در معرض فروش قرار گرفت.

شرایط حال حاضر را می‌توان گام پنجم تجاری‌سازی گرافن دانست که طی آن، شرکت‌هایی با قابلیت‌های چندگانه و متنوع پدید آمده و گرافن به‌طور فزاینده‌ای در دسترس کاربران قرار دارد. از نظر ظرفیت تولید چین و تایوان به‌عنوان بازیگران غالب مطرح بوده و بیشترین ظرفیت اسمی تولید را به خود اختصاص داده‌اند. تشدید رقابت‌ها بر مبنای مقیاس تولید و قیمت آن، موجب شده است تا قیمت فروش گرافن به کمتر از ۱۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم برسد. به موازات تلاش‌ها برای رفع موانع تولید، کاربران نهایی بر یافتن کاربردهای مختلف گرافن متمرکز شده و طیف وسیعی از کاربردهای مختلف و بعضاً غیر قابل تصور برای این ماده ارزشمند معرفی شده است. تمامی این موارد، موجب شده است تا درآمدهای صنعت، به شدت افزایش یابد اما هنوز هم نمی‌توان گفت که صنعت به بلوغ کامل رسیده و با توجه به موانع و چالش‌های پیش رو، به نظر می‌رسد که تا تجاری‌سازی کامل گرافن، راهی دراز در پیش رو است.

گفتنی است که افزایش تقاضا در سال‌های آتی، موجب می‌شود تا شرکت‌های فناور بتوانند ظرفیت تولید خود و در نتیجه درآمدشان را افزایش داده و به تبع آن، تأمین‌کنندگان نیز قیمت‌ها را کاهش خواهند داد. در کوتاه‌مدت، ایجاد نوعی یکپارچگی در قیمت گرافن، محتمل نخواهد بود که با توجه به تفاوت در کیفیت محصولات قابل ارائه، کاملاً طبیعی است. سال‌های پیش رو را می‌توان فاز تثبیت فناوری دانست که با ورود تعداد بسیار زیادی از تولیدکنندگان کوچک‌تر و ظهور تعداد معدودی از رهبران بازار (با استفاده از مزیت تولید به مقیاس)، همراه خواهد بود. روند فوق، موجب می‌گردد تا دسترسی به گرافن، مقرون‌به‌صرفه و تسهیل شده و اولین نشانه‌های سودآوری در صنعت نمایان گردد.