به گزارش ایسنا، استفاده از یک مخلوط کن آشپزخانه برای ساخت گرافن، تا حدی عجیب به نظر میرسد. بالاخره گرافن همان ماده شگفتانگیزی است که با فناوریهای آیندهنگرانه گره خورده است. بنابراین منطقی است انتظار داشته باشیم تولید آن نیز به تجهیزات به همان اندازه پیشرفته نیاز داشته باشد. در بسیاری از موارد، همین طور است.
به نقل از آیای، تولید گرافن به شکل مایع میتواند به گرافیت خالص شده که برای بسیاری از مردم همان «مغز» مداد است حلالها یا افزودنیهای تخصصی، آب فوق خالص و فرایندهای کاملا کنترل شده نیاز داشته باشد. پژوهش جدید ما این پرسش را مطرح کرد که اگر بخواهیم گرافن را با استفاده از چیزهایی بسازیم که در خانه پیدا میشوند، چه اتفاقی میافتد؟
آیا میتوان از گرافیت موجود در زبالههای الکترونیکی شروع کرد، از روزنامههای قدیمی برای معلق نگه داشتن آن در یک مایع کمک گرفت، همه چیز را با آب معمولی شیر مخلوط کرد و همچنان به گرافنی کاربردی دست یافت؟
گرافن چندین برابر از فولاد مستحکمتر است، اما وزن آن از کاغذ یا آلومینیوم کمتر است. این ماده همچنین رسانای بسیار خوبی برای جریان برق محسوب میشود. از زمان کشف آن، کمی بیش از ۲۰ سال پیش، گرافن در پاوربانکها و باتریها، حسگرهای پزشکی و حتی برای ساخت بتُنهای مستحکمتر به کار رفته است. کاربردهای عملی بسیار بیشتری نیز برای این ماده شگفتانگیز در حال بررسی است.
درون تلفنهای همراه، لپتاپها و دیگر دستگاههای الکترونیکی، ورقههای نازکی از گرافیت وجود دارد که برای انتقال گرما از قطعات استفاده میشوند تا این قطعات بیش از حد داغ نشوند. وقتی یک دستگاه به پایان عمر خود میرسد، این گرافیت نیز معمولا سرنوشت مشابهی پیدا میکند و راهی زبالههای الکترونیکی میشود. اما از نظر شیمیایی، این ماده همچنان گرافیت است و میتواند به خویشاوند شگفتانگیز خود، یعنی گرافن، تبدیل شود.
مقیاس مشکل زبالههای الکترونیکی بسیار عظیم است. در سال ۲۰۲۲ حدود ۶۲ میلیون تُن زباله الکترونیکی در سراسر جهان تولید شد، اما تنها ۲۲.۳ درصد از آن به طور رسمی به عنوان زبالهای که بهدرستی جمعآوری و بازیافت شده، ثبت شده است. فلزات ارزشمند موجود در تجهیزات الکترونیکی طبیعتا توجه زیادی را به خود جلب میکنند، اما این وسایل حاوی موادی کمتر چشمگیر نیز هستند که میتوانند فرصت دیگری برای استفاده پیدا کنند.
گرافیت در اصل از تعداد زیادی ورقه از عنصر کربن تشکیل شده که روی یکدیگر قرار گرفتهاند؛ درست مانند دستهای از کارتها. این ورقهها معمولا تنها یک اتم ضخامت دارند. هر یک از این ورقههای منفرد کربنی، گرافن است.
چالش اصلی، جدا کردن این ورقهها از یکدیگر بدون تخریب آنهاست. ما از فرایندی به نام لایهبرداری در فاز مایع (Liquid-phase exfoliation) استفاده کردیم؛ روشی که در ایرلند ابداع شده است. در این روش، گرافیت را درون یک مایع قرار میدهیم و انرژی کافی به آن وارد میکنیم تا لایههای روی هم قرارگرفته از یکدیگر جدا شوند.
گرافن در حالت مایع را میتوان به پوششها، جوهرها، غشاها و کامپوزیتهایی تبدیل کرد که کاربردهای بالقوه فراوانی دارند.
به جای استفاده از تجهیزات پیچیده، از یک مخلوط کن ساده آشپزخانه استفاده کردیم و یک صافی آشپزخانه نیز تودههایی را که به خوبی خرد نشده بودند، جدا کرد.
اما ساخت گرافن تنها نیمی از مشکل است. وقتی ورقههای گرافن از یکدیگر جدا میشوند، عادت آزاردهندهای دارند: دوباره به یکدیگر میچسبند.
پژوهشگران معمولا برای جلوگیری از این اتفاق از حلالها یا مواد شیمیایی پایدارکنندهای استفاده میکنند که با دقت انتخاب شدهاند. اما ما به این فکر افتادیم که آیا آب معمولی شیر و روزنامههای دور ریخته شده میتوانند بخشی از این کار را انجام دهند.
روزنامه سرشار از سلولز است؛ مادهای ساختاری که در الیاف گیاهی وجود دارد. ما روزنامههای قدیمی را با آب شیر شستوشو دادیم و نرم کردیم و سپس آنها را در مخلوط کن قرار دادیم تا مایعی سرشار از الیاف به دست آید.
وقتی گرافیت در این مخلوط پردازش شد، مواد به دست آمده از روزنامه مانند یک مانع موقت بین ورقههای گرافن تازه جداشده عمل کردند.
این روش بینقص نبود، اما هدف اصلی هم رسیدن به یک روش بینقص نبود. بدون مواد به دست آمده از روزنامه، ماده پردازش شده ظرف چند دقیقه در آب تهنشین میشد. اما با وجود این مواد، محلول برای چند ساعت قابل استفاده باقی ماند و با یک تکان ساده دوباره مخلوط میشد. نتیجه همچنان گرافن بود.
البته یک مایع سیاه رنگ که از مخلوط کن بیرون آمده، به تنهایی نمیتواند اثبات کند که گرافن ساختهایم. بنابراین همچنان به تجهیزات پیشرفته آزمایشگاهی در دانشگاه شهر دوبلین نیاز داشتیم تا مشخص کنیم چه چیزی تولید کردهایم.
اما نکته جالب این است که برای ساختن گرافن، تقریبا هیچ یک از این تجهیزات پیشرفته لازم نبود؛ و شاید همین بخش، جذابترین قسمت ماجرا باشد.
در یک دانشگاه مجهز، به سادگی میتوان مواد شیمیایی تخصصی، آب تصفیه شده و تجهیزات گران قیمت را امری بدیهی در نظر گرفت. اما گروههای پژوهشی در کشورهای کم در آمد ممکن است با بودجههای محدودتر، زنجیرههای تامین دشوار و انتظارهای طولانی برای دریافت مواد تخصصی رو به رو باشند.
مواد مورد استفاده در این پژوهش عجیب یا کمیاب نیستند: روزنامه، آب شیر و گرافیت. چیزهایی که تقریبا در هر خانهای میتوان نمونهای از آنها پیدا کرد.
این موضوع نگاه متفاوتی به محل انجام پژوهشهای علمی ایجاد میکند.
یک مدرسه، آزمایشگاه اجتماعی یا یک گروه پژوهشی کوچک میتواند بالقوه این فرایند را در محل خود انجام دهد و سپس برای اندازهگیریهای پیشرفتهتر با یک دانشگاه یا مرکز تحقیقاتی مشترک همکاری کند.
بنابراین، هدف ما این نیست که ادعا کنیم بهترین روش جهان برای تولید گرافن را پیدا کردهایم.
اما این وسایل میتوانند پژوهش درباره گرافن را کمی دسترسپذیرتر و انحصاری بودن آن را کمتر کنند و در عین حال به دو جریان معمول زباله فرصت دهند که زندگی دومی پیدا کنند.
انتهای پیام
