صناعة طلاء موصل للكهرباء

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

نحن الطالبتان لينا الغامدي وهاجر الجعفري، نقدِّم لكم تجربة تهدف إلى قياس فاعلية متآصِّلات الكربون المختلفة في توصيل التيار الكهربائي من خلال استعمالها لصناعة طلاء موصّل كهربائيًا

قبل مضيِّنا في التجربة، علينا وضع حجر الأساس واللَّبنة الأولى للعمل؛ لتوقُّع النتائج قبل حدوثها والتمكُّن من فهم البيانات التي قد تظهر. حيث أنَّ هذه التجربة تعتمد بشكل أساسي على فهمنا لمتآصلات الكربون. والمتآصلات هي مواد مختلفة الخصائص الفيزيائية وتتشابه في الخصائص الكيميائية للعنصر نفسه، والكربون هو عنصر كيميائي يتميز بقدرته على تكوين أربعة روابط تساهمية مختلفة نتيجة لوجود إلكترونات التكافؤ الأربعة في مداره الخارجي؛ وباجتماع التآصل والعنصر المميز تنتج لدينا مواد مميزة جدًا ذات خصائص عديدة ومميزة، ومن بين متآصلات الكربون مادتي الفحم والجرافيت. فالفحم هو متآصل غير بلوري يتكوّن نتيجة نزع الماء والمكونات المتطايرة طبيعيًا من بقايا المخلوقات الحية مما يجعل ترتيب جزيئاته غير منتظم - غير بلوري -. وعدم انتظام جزيئاته يترتب عليه خصائص خاصة به، ككونه رديء التوصيل للحرارة والكهرباء في حالته الصلبة العشوائية التي يوجد عليها. أما بالنسبة للجرافيت، فهو متآصل كربون بلوري تتشكَّل جزيئاته في أشكال سداسية مترابطة تشكِّل بدورها شرائح رقيقة للجرافيت. وهذه الخصائص للجرافيت تجعله قابل لتوصيل الحرارة والكهرباء بكفاءة أفضل من الفحم غير البلوري

يلي حجر الأساس، فهمنا الدوائر الكهربائية بشكل دقيقٍ يتيح لنا القدرة على اختبار فرضيتنا، فالدائرة الكهربائية تحتوي بشكل أساسي على مصدر لفرق الجهد وأسلاك موصلة وجهاز مقاومة. في تجربتنا، نهدف لجعل طلاء الفحم أو الجرافيت الذي سيتم صنعه جزءًا من الأسلاك. وبالتالي، يجب على هذا الطلاء أن يتميز بخصائص السلك الموصِّل أو المواد الموصِّلة للكهرباء عامةً. وبمعرفتنا لأنواع المركبات الكيميائية المختلفة، فإننا نعي أن المركبات الفلزية التي تتميز ببحر الالكترونات الحرة والأيونات الموجبة هو ما يجعل الأسلاك موصِّلات جيدة. وعلى الرغم من أن كلا الفحم والجرافيت لا ينتميان للمركبات الفلزية، إلا أنَّ تكوين محاليل من الفحم والجرافيت يحلّ هذه المشكلة، ويجعلها قادرةً على التوصيل الكهربائي.

نظريًا، توصَّلنا إلى حجر الأساس والآن يتبقى الجانب العملي الذي نحتاجه. هذا الجانب العملي يتعلق بمعرفتنا بكيفية التعامل مع الدوائر الكهربائية التي تتميَّز بطرقٍ مميزة للتعامل. فمن خلال الدوائر الكهربائية، تظهر المفاهيم الفيزيائية الرئيسية التي تحدد لنا نتائج تجربتنا وصحة افتراضاتنا. كشدة التيار الكهربائي الذي يقيس كمية السيال الكهربائي المار في الدائرة، والمقاومة التي تعد من عوامل التيار المارة فيها بعلاقة عكسية بين المقاومة والتيار تجعل المقاومات الأصغر سامحة لمرور تيار أكبر وغير معيقة له. فهمنا للعلاقات الفيزيائية تتيح لنا فهم التفاعلات الكيميائية والنتائج الظاهرة

السؤال العلمي: ما تأثير نوع متآصِل الكربون على قابليته للتوصيل الكهربائي؟

-المتغير المستقل: نوع متآصل الكربون -جرافيت أو فحم

المتغير التابع: شدة التيار الكهربائي

المتغير الثابت:

طول الدائرة الكهربائية-

الحمل الكهربائي - مصباح-

مصدر فرق الجهد- بطارية-

نوع وكمية الأكريليك المضاف-

درجة طحن متآصل الكربون-

النسبة بين الماء والمسحوق في المحلول-

إذا كان متآصل الكربون هو الجرافيت، فإن توصيله للكهرباء سيكون أعلى

المواد

• ٣ قطع متوسطة الحجم من الفحم
• ٤٠ جرام من الجرافيت
• ماء
• طلاء أكريليك أسود اللون

الأدوات

• بطاريتين
• مصباح ليد صغير
• سلكين موصلين
• مقياس ملتيميتر رقمي
• فرشتي طلاء
• مطحنة
• مدق
• ورق أبيض
• موقد نار
• مصفاة
• كؤوس بلاستيكية
• ملاعق تحريك
• ماصة

1. إشعال الفحم للتخلص من الماء الفائض فيه

2. تكسير الفحم إلى قطع صغيرة

3. قياس المقاومة الكهربائية للفحم بالملتيمتر وتحديد القطع الأنسب للاستعمال - أقل من ٦٠ أوم

4. طحن الفحم إلى مسحوق فحم عن طريق استخدام المطحنة

5. إضافة ٢٠٠ جرام من الماء إلى مسحوق الفحم ومزجه جيدًا

6. ترك المحلول لمدة ليلة كاملة حتى يترسب

7. استخلاص الماء الفائض من المحلول باستخدام الماصة

8. إضافة ملعقة كبيرة من الأكريليك الأسود ومزجه جيدًا

１.دق الجرافيت إلى مسحوق باستعمال المدق

2. إضافة قطرات من الماء والطلاء الأسود وتحريكها جيدًا

１.باستخدام الفرشاة، رسم طبقة من الطلاءين على الورقة وانتظارها حتى تجف

２.تكرار الخطوة الأولى مرتين إضافيتين

３.قياس مقاومة الطلاءين باستعمال الملتيميتر وتسجيل البيانات

４.صنع الدائرة الكهربائية بالتوصيل بين البطارية والورق المطلي من خلال الأسلاك

５.تثبيت المصباح على الطلاء وملاحظة شدة إضاءتها

６.قياس شدة التيار المار في الدائرة من خلال الملتيميتر وتسجيل البيانات

７. بعد مرور ٢٤ ساعة، نكرر الخطوات الثالثة إلى السادسة

من خلال الرسم البياني أعلاه، يتلخص ثلاث نقاط رئيسية هي

１. كفاءة محلول الفحم في التوصيل الكهربي تفوق كفاءة محلول الجرافيت:

يتضح أن فاعلية محلول الفحم في توصيل التيار الكهربائي كانت أقوى من فاعلية الجرافيت، فمن خلال الست محاولات لتوصيل التيار عن طريق كلٍ من الجرافيت والفحم، لم يعمل الجرافيت على توصيل الكهرباء في أربع محاولات من أصل ستة. بينما نجحت أربع محاولات من أصل ستة في الطلاء المحتوي على الفحم. حيث إنه في اليوم الأول أظهر الطلاء المكون من طبقتين والطلاء المكون من ثلاث طبقات من الفحم توصيلًا للتيار الكهربي، في حين أن أيًا من طبقات الجرافيت الثلاث لم تستطع أن توصل التيار الكهربي؛ وذلك لكون مقاومتها جميعًا تتعدى الـ 200 ألف أوم وهي قيمة عالية جدًا من المقاومة الكهربائية. وعند مقارنة المحاولات التي نجح فيها الجرافيت في توصيل التيار الكهربائي، نجد أن قيمته ضئيلة جدًا مقارنةً بالقيمة التي أظهرتها نتائج الفحم، وهو الأمر الذي اتضح على شدة إضاءة المصباح ومقدار سطوعه. حيث أنَّ شدة التيار في محلول الجرافيت لم تتعد 5 ميكرو أمبير ومقاومة تبلغ 30 كيلو أوم في أنجح محاولة. بينما في حالة الفحم، كانت أفضل قيمة للتيار الكهربائي هي 140 ميكرو أمبير بمقاومة لا تتجاوز 10 أوم، وهو تفوّق بارز تظهره نتائج متباينة لا تخطئها عين المراقب

وعلى الرغم من أن البحث المبدئي أظهر أن الجرافيت يملك قابلية أعلى للتوصيل الكهربي؛ وذلك لعدة أسباب منها ذكرتها مؤسسة بايت سايز التعليمية، (د.ت) ومنها: ارتباط كل ذرة فيه بثلاث ذرات أخرى من الكربون، مما يسبب في تكوين الكترون حرّ قادر على توصيل التيار الكهربي، بالإضافة إلى أنه يترتب على شكل شرائح سداسية رقيقة منتظمة تملك قوى ضعيفة فيما بينها كما في الشكل، وتسمح للالكترون الحر بالانتقال من خلالها حتى يوصل معه التيار. إلا أن ذلك لم يتفق مع بيانات التجربة، وبعد البحث في الأسباب، تم إيجاد أن الاختلاف المركزي بين الفحم والجرافيت كان درجة الطحن لكلا المسحوقين، حيث تمكنَّا من تحويل الفحم إلى مسحوق (بودرة) باستخدام الطاحونة، وهو الأمر الذي لم نتمكن من تنفيذه مع الجرافيت لكونه يأتي على هيئة أنابيب أسطوانية دقيقة، (علب تعبئة أقلام الرصاص) وهو الأمر الذي صعّب عملية طحنه في المطحنة، وبالتالي لوحظ بقاء قطع صغيرة غير مطحونة بالكامل منه في المحلول، مما أثر على فاعليته في التوصيل الكهربي

２.بزيادة عدد الساعات التي يُترك فيها الطلاء ليجف، تزداد قابلية الطلاء للتوصيل الكهربائي:

يتضح من خلال البيانات أعلاه أن اليوم الثاني بشكلٍ عام وضَّح سطوعًا أكبر للمصباح إضافةً إلى ما سَجَّله من قيمٍ أكبر لشدة التيار وقيمٍ صغيرة للمقاومة. حيث أنَّ التغيُّر ما بين اليوم الأول والثاني ظهر بوضوحٍ تام في الجرافيت، فرغم عدم تسجيل أي قيمٍ للتوصيل في جميع محاولات اليوم الأول؛ إلا أن الطلاء ذو الطبقتين والثلاثة طبقات أظهر توصيلًا للكهرباء في يومه الثاني. فالجرافيت كما تم توضيحه سابقًا، تعرَّض لعواملٍ أدت لضعف فاعليته، إلا أنه على الرغم من ذلك أظهر توصيلًا طفيفًا نتيجة عامل الوقت الذي أعانه على تمرير التيار. ولم يُظهر الفحم ما يخالف هذا التحليل أبدًا، فعند مقارنةِ سطوع المصباح في الطلاء ذو الطبقتين نجد أن سطوعه ازداد بعد مرور الـ 24 ساعة، وانخفضت مقاومته بنسبة 96% تقريبًا في حين ارتفعت شدة التيار بما يقارب الضعفين. وبالمثل، أظهر الطلاء ذو الثلاثة طبقات في يومه الأول سطوعًا أقل مما أظهره لنا في يومه الثاني، بانخفاض مقاومته بنسبة 95.4%، وارتفاع شدة التيار المار فيه إلى الضعف أيضًا

وأظهرت الأبحاث ما يوافق هذه البيانات، فوفقًا للموقع الرسمي لبوابة الأبحاث فإنه كلما قلت رطوبة الطلاء المكوّن من مواد موصِّلة للكهرباء، ومال إلى الجفاف، كلما كانت قابليته للالتصاق بالشحنات المارة به ونقلها أكبر. (2016) كما قام المدير التنفيذي لشركة Bare Conductive، أحد أشهر مصنِّعي الطلاء الموصِّل للكهرباء بجواب هذا السؤال بشكل مفصَّل في مقابلة له فقال: " إن هذا الطلاء السائل يتشكَّل كجزيئات كربون فائقة الصغر متباعدة نسبيًا بسبب حالتها الفيزيائية، وعندما يجف السائل على السطح مهما كان ذلك السطح؛ فإن الجزيئات تتقارب من بعضها البعض جاعلةً الكهرباء يمر عبرها بكفاءة تتناسب طرديًا مع مقدار اقتراب الجزيئات (2018)

3 .بزيادة سمك طبقة الطلاء، تزداد كفاءته في التوصيل الكهربائي:

أظهرت بيانات التجربة أنه في كل من طلائي الجرافيت والفحم، تفوق الطلاء المكون من ثلاث طبقات -وهو الأكثر سمكًا- في التوصيل الكهربائي على كل من الطلاء ذو الطبقتين، والطلاء ذو الطبقة الواحدة، فنلاحظ أن التيار المقاس في طلاء الرصاص ذو الثلاث طبقات كان أكبر بخمس أضعاف منه في الطلاء ذو الطبقتين، وكذلك لوحظ ارتفاع في توصيل التيار الكهربائي عند الفحم بازدياد سمك طبقاته في اليومين، فقد كانت النسبة بين شدة تيار الطلاء ذو الثلاث طبقات والطلاء ذو الطبقتين هي 1.3-1.4 لصالح الطلاء ذو الثلاث طبقات. وهو الأمر الذي أكَّدت صحته شركة Bare Conductive المصنّعة للأصباغ الموصلة للكهرباء في مقالها المنشور عام 2021م، حيث يذكر المقال أن موصّلية التيار تعتمد على الطريقة التي تم وضعه فيها، وأنه بزيادة سمك الطبقات عن 50 ميكروميتر، تقل مقاومة الطلاء عن القيمة المعتادة له والبالغة 55 أوم. والسبب في ذلك يعود إلى أن الطلاء الأسمك يزيد من احتمالية وجود مسارات كافية لتمرّ الالكترونات من خلالها، وذلك يسمح بمرور التيار الكهربائي بشكل أفضل، وذلك حسب مك فريدن (2019)

لا تتفق نتائج التجربة مع الفرضية التي تنصّ على أنّ محلول الجرافيت هو الأفضل في التوصيل الكهربائي، حيث أظهرت النتائج أنّ محلول الفحم كانت له الأفضلية في توصيل التيار الكهربائي، بشدة تيار أعلى، ومقاومة كهربائية أقلّ، وسطوع أعلى من المصباح

- طحن كل من الجرافيت والفحم إلى مساحيق بشكل متساوي

- وضع الأقطاب الكهربائية على مسافات متساوية عند قياس المقاومة والتيار الكهربائي للحصول على قراءات دقيقة

- زيادة طبقات الطلاء للحصول على نتائج أفضل

1. ميشيل، ر.(أكتوبر ٢٦، ٢٠١٤). متآصلات الكربون. تم الاسترجاع في: مارس ١٩، ٢٠٢١م. من:

https://arabian-chemistry.com/تآصلات-الكربون/

2. محمود، م. (فبراير ٢٧، ٢٠٢٠). ما هي الصيغة الكيميائية للفحم النباتي؟ تم الاسترجاع في: مارس ١٩، ٢٠٢١م. من :

https://ask-chemistry.com/2169

3. BiteSize educational institution. (n.d). Giant covalent molecules: Graphite and Diamond. Retrieved March 19, 2021, from https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zgq8b82/rev...

4. McFadden, C. (2019, July 12). The pros and cons of conductive ink technology. Retrieved March 19, 2021, from https://interestingengineering.com/what-is-conduc...

5. Bare Conductive Team. (2021, February 2). What is electric paint: The composition and application of conductive paints. Retrieved March 19, 2021, from https://www.bareconductive.com/blogs/blog/what-is...

6. Romeo, C. (2018, February 05). These electric wires are made with paint - so you can do things like draw a working light switch onto the wall. Retrieved March 19, 2021, from https://www.businessinsider.com/bare-conductive-p...

7. Ukrainian Biofuel Suppliers. (2015, June 18). Physical properties of charcoal. Retrieved March 19, 2021, from http://ukrfuel.com/news-physical-properties-of-ch...