الکتریسیته زباله را به گرافنی باکیفیت بالا تبدیل می‌کند

یک ماده شگفت‌انگیز به زودی می‌تواند به یک کالای در دسترس عموم تبدیل شود. محققان دانشگاه Rice ، این هفته در گزارشی که در مقاله Nature منتشر شد اعلام کردند که می‌توانند تقریبا از هر منبع کربن جامدی، اعم از ضایعات مواد غذایی تا لاستیک اتومبیل را تخریب کرده و آن‌ها را به صفحات گرافنی از اتم‌های کربن که در پلاستیک‌های تقویت شده و الکترونیک‌های انعطاف‌پذیر استفاده می‌شوند، تبدیل کنند. روش‌های فعلی مقادیر کمی از گرافن با کیفیت بالا و یا مقادیر زیادی از گرافن بی کیفیت را تولید می‌کنند. اما این روش جدید در مقیاس آزمایشگاهی می‌تواند روزانه چند گرم گرافن تا حدودی خالص تولید کند که محققان اکنون در حال افزایش آن تا مقیاس چند کیلوگرم در روز هستند.

رای باغمن[1]، شیمیدان دانشگاه تگزاس در دالاس، همانگونه که وعده داده بود گرافن به اندازه کافی برای استفاده در آسفالت و رنگ ارزان است، می‌گوید: “ این کار در حال پیش روی از نقطه نظر علمی به عملی می‌باشد. ای کاش قبلا به آن فکر کرده بودم. “همچنین گروه رایس، شرکت Universal Matter را برای تجاری سازی فرآیند تبدیل زباله به گرافن را پیدا کرده‌اند.

گرافن با ضخامتی به اندازه‌ی یک لایه اتم کربن و ساختاری شش ضلعی، از فولاد سخت‌تر و همچنین هدایت الکتریکی و حرارتی آن از مس نیز بهتر است که می‌تواند به عنوان یک عایق غیرقابل نفوذ نیز استفاده شود. اما از زمان پیدایش و کشف آن در سال 2004، دستیابی به گرافنی با کیفیت که تک لایه و یا چند لایه باشد، در مقیاس صنعتی بسیار پر هزینه بود. این امر مشکلی برای ساخت ابزارهای خرد مانند ترانزیستورها و یا دیودها ایجاد نمی‌کرد اما روش‌های حاضر که گرافن را از طریق لایه نشانی بخار تهیه می‌کنند، برای کاربردهای با حجم بالا بسیار هزینه‌بر هستند و نیز روش‌های مشابه دیگر مانند استخراج گرافن از تکه‌های گرافیت و تولید فلیک‌های فشرده تا 50 لایه از گرافن برای بیشتر کاربردها مناسب نیستند.

در سال 2014، جیمز تور[2]، شیمیدان دانشگاه رایس و همکارانش دریافتند که می‌توان گرافنی با تعداد لایه‌های کم و با کیفیت بالا را از طریق تخریب یک کربن آمورف که از آن تحت عنوان کربن سیاه[3] یاد می‌شود، به وسیله لیزر، بدست آورد. پالس‌های کوچک، کربن را تا دمای بالاتر از 3000 درجه کلوین برده و باعث تخریب پیوندهای بین اتم‌های کربن می‌شود. با سرد کردن، کربن به گرافن تبدیل می‌شود اما روش ذکر شده، مقادیر بسیار زیادی انرژی برای تهیه مقدار کمی از این ماده را مصرف می‌کند. پس از آن، لوانگ خو‌آن دوی[4]، یکی از فارغ التحصیلان تور دانست که محققان دیگر توانسته‌اند نانو ذرات فلزی را به وسیله تخریب این مواد به وسیله لیزر و الکتریسیته در حرارت مورد نظر تولید کنند. بنابراین دوی، یک خط از کربن سیاه را داخل یک ویال شیشه‌ای قرار داد و آن را به مدت 200 میلی ثانیه و با ولتاژ 400 ولت تخریب کرد. در ابتدا وی ماده مفیدی بدست نیاورد اما بعد از پیچاندن آن، فلاش زرد و سفید رنگی که نشان می‌داد دمای ویال به 3000 درجه کلوین رسیده است، مشاهده کرد. تست‌های شیمیایی تایید کردند که او موفق به تولید گرافن شده است.

دستاورد وی یک نوع از گرافن ایده‌آل برای مصارف عمده بود که از آن به عنوان گرافن توربو استاتیک[5] یاد می‌شود. لایه‌های این ماده در زوایای مختلف بر روی یکدیگر قرار گرفته بودند و در آب یا حلال‌های دیگر ، بدون انباشت و برهمکنش با هم، به صورت سوسپانسیون باقی می‌مانند که می‌توان از آن برای تهیه انواع کامپوزیت‌ها استفاده کرد.

مونیکا کراسیون[6]، فیزیکدان مواد در دانشگاه اکستر در این‌باره می‌گوید: “این کار این ماده را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد.” در سال 2018، او و همکارانش نشان دادند که افزودن گرافن به بتن می‌تواند مقاومت فشاری آن را بیشتر از دو برابر کند. گروه تور نیز به نتیجه مشابهی دست پیدا کرد. زمانی که تنها 05/0 درصد وزنی از این گرافن به بتن اضافه می‌شود، مقاومت فشاری آن 25 درصد افزایش پیدا می‌کند. گرافن افزوده شده به پلی دی متیل سیلوکسان[7]، یک پلاستیک رایج، مقاومت آن را تا 250 درصد افزایش می‌دهد. یک تحقیق دیگر اعلام کرد که این ماده می‌تواند استحکام آسفالت و رنگ را بهبود بخشد.

این کاربردها مستلزم داشتن گرافن با کیفیت بالا در مقیاس تناژ می‌باشد. خوشبختانه نقطه شروع برای تولید گرافن توربو استاتیک می‌تواند بسیار ارزان بوده و به وفور از آن تهیه شود. بر اساس این منطق، هر ماده آلی شامل پسماندهای قهوه و غذا، لاستیک‌های کهنه و بطری‌های پلاستیکی را می‌تواند به این ماده با ارزش تبدیل کرد. دوی می‌گوید: “ما زباله را به گرافن تبدیل می‌کنیم.”

[1]Ray Baughman

[2] James Tour

[3] Carbon Black

[4] Luong Xuan Duy

[5] Turbo Static Graphene

[6] Monica Craciun

[7] Polydimethyl siloxane

محصولات مرتبط

فهرست