חוקרים מהאקדמיה הסינית למדעים (CAS) הודיעו כי מצאו גרפן טבעי בדוגמיות הירח שאספה הגשושית הסינית צ'אנג-אה 5 (Chang'e 5) מאדמת הירח. גילוי הפתיתים – שעוביים נע בין שתי שכבות לשבע – עשוי לשפוך אור חדש על ההיסטוריה הירח, לסייע בבניית תחנות מחקר על הירח והעיקר: לעזור לאנושות לייצר גרפן בקלות רבה יותר כאן בכדור הארץ.
חזק מיהלום, שקוף מזכוכית ומוליך יותר מנחושת
גרפן הוא שכבה אחת ויחידה של אטומי פחמן. הוא יוצר לראשונה ב-2004 כאשר שני פיזיקאים רוסים-בריטים, אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב, השתמשו בסלוטייפ ביתי רגיל כדי לקלף שכבות גרפן מחתיכת גרפיט – החומר שנמצא בקצה העיפרון (ונקרא בטעות "עופרת"). על תגליתם זכו גיים ונובוסלוב בפרס נובל ב-2010.
גרפן נחשב לחומר פלא – ולחומר החשוב ביותר שהתגלה מאז הפלסטיק. החומר הדו-ממדי (עוביו כמיליונית מעובי שערה של אדם) קשה יותר מיהלום (מבנה מולקולרי אחר של פחמן), שקוף יותר מזכוכית, עמיד יותר מפלדה וקל יותר מאלומיניום. והעיקר: הוא מוליך חשמל מהר יותר מנחושת, ולכן עשוי להחליף אותה בעתיד כבסיס תעשיית האלקטרוניקה.
למרות שקל מאוד לבודד פתיתי גרפן – כאמור לא צריך יותר מגרפיט וסלוטייפ – קשה מאוד לייצר יריעות גדולות וטהורות הנדרשות לתעשייה. מאז גילויו ועד היום, האנושות שוברת את הראש בשאלה איך עוברים מייצור של גרמים בודדים לייצור סיטונאי של טונות גרפן בשנה. באותו הזמן, פתיתי גרפן טבעי התגלו במכרה בכדור הארץ, במטאוריטים ובחלל הבינכוכבי. למעשה, מדענים מעריכים ש-1.9% מהפחמן בתווך הבינכוכבי מסודר בצורה של גרפן.
האם אפשר לייצר גרפן שלא מגרפיט?
כעת, סין הוסיפה לרשימה את הירח אדמת הירח שלנו. הגשושית הסינית צ'אנגה 5 נחתה על פני הירח ב-1 בדצמבר 2020, אספה כ-1,700 גרם דוגמיות מאדמת הירח והחזירה אותן בהצלחה לכדור הארץ ב-16 בדצמבר – המשימה לאיסוף והחזרת דוגמיות קרקע מהירח לארץ מאז המשימה הסובייטית לונה 24 ב-1976. ניתוח הדוגמיות העלה שיירי מים – העדות הישירה הראשונה לקיומם בירח – ואת אבני הירח הצעירות ביותר.
במחקר הנוכחי, שתוצאותיו התפרסמו ב-National Science Review, חוקרים מהאקדמיה הסינית למדעים בחנו ספקטרומטרית דוגמית קטנה, שמידותיה 2.9 על 1.6 מ"מ, וזיהו כתמים המכילים אחוז גבוה במיוחד של פחמן. הכתמים הללו התגלו כגרפיט, אך מאחר שגרפן במהותו אינו אלא שכבה בודדת של גרפיט – הם בחנו את הכתמים בהגדלה גדולה עוד יותר ואכן מצאו שם פתיתי גרפן.
עובי פתיתי הגרפן שנמצאו הוא בין שתי שכבות לשבע. מאחר שהפתיתים נמצאו על גבי קליפת פחמן שהכילה מינרלים אחרים ותרכובות ברזליות – החוקרים מעריכים שהגרפן לא קולף מגרפיט בתהליך מכני אלא נוצר מעצמו. לפי השערה אחת, הגרפן נוצר בפעילות געשית בימיו הראשונים של הירח, כשהוא עוד היה פעיל גיאולוגית, וכי רוח טעונה מהשמש שימשה כקטליזטור (זרז) להסתדרות אטומי הפחמן בצורת המשושה (כוורת) של הגרפן.
כך או כך, מציאת הגרפן בקליפת הפחמן רומזת לתהליך של היווצרות מלמטה למעלה, "מאפס", להבדיל מתהליך בדיעבדי של הפרדה כימית, חשמלית ופיזיקלית מהגרפיט. אם זה נכון ואכן ישנו תהליך ליצירה ישירה של יריעות גרפן שאינו ידוע למדע – מדובר בפריצת דרך שעשויות להיות לה השלכות דרמטיות. החוקרים מציעים לערוך מחקרי המשך בירח על מנת להבין את תהליך יצירת הגרפן על הירח ולחקותו כאן, בכדור הארץ. לדבריהם, מציאת תהליך ישיר ליצירת גרפן יממש את ההבטחה הגדולה של החומר – ויחולל מהפכה של ממש בתעשייה ובמדע.
זאת ועוד, מציאת מרבצי גרפן על הירח – או תהליך זול ופשוט ליצירת גרפן ממינרלים על הירח או על הארץ – טומן בחובו הבטחה גדולה לתוכניות של ארה"ב וסין עצמה להקים תחנות מחקר מאוישות על הירח. הגרפן יכול לשמש את האסטרונאוטים והטייקונאוטים לבניית או לחיזוק מבני מגורים, לוחות סולאריים, גלגלי רוברים ועוד.