تشترك المواد البلاستيكية ونفايات الطعام والإطارات والفحم في شيء واحد:إنها تحتوي على الكثير من الكربون. عندما تتحلل هذه العناصر أو تحترق ، فإنها تطلق هذا الكربون في الغلاف الجوي كثاني أكسيد الكربون أو الميثان. تساهم هذه الغازات التي تحبس الحرارة في ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض. لكن العلماء في تكساس اكتشفوا طريقة لتحويل أي شيء به الكربون - حتى القمامة - إلى الجرافين (GRA-feen). هذه العملية تحافظ على الكربون خارج الغلاف الجوي. علاوة على ذلك ، يمكن إضافة الجرافين إلى مواد أخرى لجعلها "أكثر خضرة".
نشر الفريق النتائج التي توصلوا إليها في 27 كانون الثاني (يناير) في Nature .
يتكون الجرافين من طبقة مسطحة من ذرات الكربون بسمك ذرة واحدة فقط. ترتبط كل ذرة بثلاث ذرات كربون أخرى. هذا يخلق شبكة تشبه قرص العسل. ورقة واحدة من الجرافين هي أنحف مادة على وجه الأرض. وهو أيضًا الأقوى.
قام العلماء باختبار الجرافين لاستخدامه في جميع أنواع المواد. وتشمل هذه الأقمشة وصبغ الشعر والإلكترونيات والأبراج الشاهقة. وسوف يقوي الجرافين المواد الموجودة ، كما يلاحظ جيمس تور. وهو كيميائي عضوي ومتخصص في تكنولوجيا النانو في جامعة رايس في هيوستن ، تكساس. وقاد عالم الفيزياء التطبيقية والجولات دوي لونج ، الذي يعمل أيضًا في رايس ، الدراسة الجديدة.
على الرغم من أن الجرافين يمتلك إمكانات هائلة ، إلا أنه واجه بعض المشكلات. ثبت أنه من الصعب تحقيق أكثر من مجرد مبلغ ضئيل في وقت واحد. تميل الطرق المعتادة إلى إنشاء طبقات متعددة من الجرافين يصعب فصلها. ويمكن أن يكون المنتج النهائي مكلفًا للغاية - ما يصل إلى 200000 دولار للطن. هذا هو السبب في أن الكيميائيين كانوا يبحثون عن طريقة رخيصة لإنتاج كميات كبيرة من الجرافين أحادي الطبقة.
وميض من الإلهام
استخدم لونج الليزر لصنع الجرافين من قبل. لقد قام بصعق المواد الغنية بالكربون لتسخينها بسرعة - ولفترة وجيزة. تسبب وميض الحرارة هذا في إعادة ترتيب ذرات الكربون إلى طبقات من الجرافين. سرعان ما اكتشف لونج أن "أي شيء [بالكربون] يمكن تحويله إلى جرافين إذا تم تسخينه بدرجة كافية وبسرعة كافية." كانت تلك خطوة أولى مهمة.
ثم رفع ورقة بحثية في معمل آخر. لقد استخدمت عملية تسمى تسخين الفلاش جول لتكوين جزيئات بمقياس مليار جزء من المتر. (الجول هو وحدة للطاقة.) هذا الفلاش يعالج المواد شديدة الحرارة بالكهرباء ، وليس الليزر.
جعلت هاتان الملاحظتان لونج يتساءل:هل يمكن أن يحول التسخين الوامض للجول النفايات اليومية إلى جرافين؟ لمعرفة ذلك ، قام بإجراء تجربة.
بدأ لونج بمواد غنية جدًا بالكربون. يسمى أسود الكربون ، وهو ما تبقى بعد حرق الأخشاب أو البترول الثقيل (اللزج). وضع لونج بعض مسحوق أسود الكربون داخل أنبوب مصنوع من الكوارتز. ثم حشو صوفًا نحاسيًا في كل طرف لضغط المسحوق معًا. قام بدس براغي نحاسية في كل طرف من طرفي الأنبوب. هذه بمثابة أقطاب كهربائية لمكثف. (هذا جهاز يشبه البطارية.) تم توصيل الأقطاب الكهربائية ببقية الإعداد. هذه القوة الموردة بأمان.
ثم قلب لونج المفتاح لتشغيل الكهرباء. في الحال ، وميض أسود الكربون بلون أبيض شديد العمى. وعندما سكب لونج الكربون من الأنبوب ، لم يعد مسحوقًا. بدلا من ذلك ، خرجت في مجموعات.
الشرح:كيف تختلف البطاريات والمكثفات
قام بفحصهم عن كثب. أعادت الذرات ترتيب نفسها في نمط قرص العسل. كان الجرافين! الأكثر إثارة:لم يكن بها الكثير من الطبقات المكدسة بإحكام. تم ترتيب الطبقات العديدة بشكل فضفاض. عندما خلطهم لونج بالماء وخافض للتوتر السطحي (Sur-FAK-tunt) ، انفصلوا بسهولة. (تساعد المادة الخافضة للتوتر السطحي على اختلاط المواد بالماء.)
وجد لونج أن درجة الحرارة الحرجة اللازمة لصنع جرافين فلاش تزيد قليلاً عن 2700 درجة مئوية (حوالي 5000 درجة فهرنهايت). لم يستغرق إجراء هذا التحول الكربوني سوى ومضة كهربائية مدتها 10 مللي ثانية.
هل هي طريقة للتعامل مع تغير المناخ؟
أدى تسخين الجول السريع إلى تحويل أسود الكربون إلى جرافين نقي. لكن هل ستفعل الشيء نفسه مع أي شيء يحتوي على الكربون فيه؟ لمعرفة ذلك ، اختبر Luong الإعداد باستخدام مسحوق الفحم والقهوة. قام كلا الاختبارين بتحويل 80 إلى 90 بالمائة من الكربون إلى جرافين نقي. يقول لونج إن الذرات غير الكربونية تبخرت ببساطة عند درجة حرارة عالية. (لم يلتقط هذا البخار. لكنه يلاحظ أنه يمكن جمعه واستخدامه لأغراض أخرى.)
الشرح:أول أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى
يعتقد لونج أن هذا الجرافين يمكن أن يكون له تأثير كبير على كيفية صنع الأشياء. يقول لونج إنه "يمكن إعادته إلى البلاستيك". هذا من شأنه أن يقوي البلاستيك ، ويقلل من الكمية المطلوبة لأي تطبيق. لاختبار ذلك ، أضاف هو وزملاؤه القليل من الجرافين إلى بوليمر بلاستيكي. ضاعف قوة البوليمر بأكثر من الضعف. وكان ذلك عندما شكل الجرافين المضاف عُشر بالمائة فقط من البوليمر.
لقد أضافوا كمية أقل من الجرافين للأسمنت - فقط عشرين بالمائة من الوزن. بعد ترك الأسمنت يجف لمدة 28 يومًا ، أصبح الآن أقوى بنسبة 25 في المائة على الأقل من الأسمنت الخالي من الجرافين. في جميع هذه المنتجات ، ستؤدي إضافة الجرافين إلى تقليل الكمية الإجمالية للبلاستيك أو الأسمنت التي ستكون مطلوبة لبعض التطبيقات.
علاوة على ذلك ، فإن إضافة الجرافين إلى المنتجات تحبس ذرات الكربون في هذه الأجسام الصلبة. إذا تُركت لتتحلل ، تتحلل القمامة والبضائع المعاد تدويرها إلى غاز الميثان أو ثاني أكسيد الكربون. كلاهما يعمل كغازات دفيئة. من خلال حبس حرارة الشمس بالقرب من الأرض ، تعمل هذه الغازات على تدفئة مناخ الأرض. يجب أن تقلل إضافة الجرافين - وخاصة المصنوع من القمامة - إلى المواد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتساعد على إبطاء معدل الاحترار هذا.
الآن يحتاجون إلى التوسع
خلقت تجربة Luong ما يصل إلى جرام واحد من الجرافين سهل الفصل في ومضة واحدة. هذا أكثر مما تمكنت أي تجربة أخرى من إنتاجه. بعد ذلك ، يخطط لإنتاج الجرافين بكميات أكبر. في النهاية ، يريد أن يجعل العملية تعمل على نطاق واسع. إذا نجح في ذلك ، يمكن أن يحول نفايات الطعام والبلاستيك ، وكذلك الفحم والإطارات المستعملة ، إلى مكون صناعي قيم. في الوقت نفسه ، يمكن أن تقلل من البصمة الكربونية للمجتمع. (هذه هي كمية ثاني أكسيد الكربون والميثان التي تطلقها أفعالنا اليومية في الغلاف الجوي.)
يقول Zhiwei Peng إن هذا الابتكار يمكن أن يعمل مثل اللمسة الذهبية للملك ميداس. إنه باحث في الجرافين بجامعة ماريلاند في كوليدج بارك ولم يشارك في الدراسة الجديدة. "في غمضة عين" ، كما يقول ، يمكنك تحويل "النفايات البلاستيكية المستعملة والأطعمة المهملة إلى" الذهب الأسود "- الجرافين." ويقول إن كل ما سيكلفه صنع جرام واحد هو طاقة كافية لإضاءة لمبة 60 واط لمدة دقيقتين.
يريد Luong أن يعرف المراهقون أن فصول المدارس الثانوية يمكن أن توفر التدريب اللازم لتحقيق اكتشافات كبيرة. لقد ابتكر نظامه الكهربائي العملي بفضل الدروس التي أخذها عندما كان أصغر سناً. وذلك عندما علم ببناء الدوائر. الآن يقول إنه يمكنه استخدام ما تعلمه في ذلك الوقت "لغرض أكبر".
هذا هو واحد في أ سلسلة تقديم أخبار في التكنولوجيا و أصبح الابتكار ممكنًا بسخاء دعم من ال ليملسون التأسيس
