الحصول على غرافين عالي الجودة من القمامة بلمح البصر

طريقة جديدة منخفضة التكلفة تنتج عدة ميللي غرامات غرافين ذو نوعية عالية، يمكن تطبيقها نظرياً ابتداءً من أي مادة ذات أساس كربوني. باستخدام هذه الطريقة و إنتاج الكربون ثنائي الأبعاد المتآصل بشكل مستمر و على نطاقٍ واسع، فإنه من الممكن إضافة الغرافين إلى الإسمنت و الخلائط لتدعيمها. نتيجة لذلك، من الممكن التقليل من هذه المواد في عمليات البناء و بالتالي تقليص بصمة الكربون الإجمالية لها. بحسب قول جيمس م تور من جامعة رايس و أحد المشرفين على هذا المشروع.

على الرغم من وجود العديد من الطرائق لتحضير الغرافين، كالاصطناع العضوي و الترسيب من البخار الكيميائي و التقشير من الغرافيت، فإما أن هذه الطرائق لا تنتج نوعاً و مردوداً عالياً من الغرافين أو أنها تتطلب معالجة كيميائية قاسية أو تستهلك كماً كبيراً من الطاقة. قام فريق بحث بقيادة تور و بوريس ياكوبسون و روزبة شاهسافاري من ذات الجامعة، باكتشاف إمكانية استخدام طريقة جول الحرارية الومضية و هي طريقة منخفضة التكلفة و ذات استهلاك طاقي منخفض، و ذلك من أجل تحويل الفحم و فضلات الطعام و البلاستيك إلى عدة غرامات من الغرافين عالي النوعية بأقل من ثانية واحدة. (Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-1938-0).

يقول تور أن طالب الدراسات العليا في مخبره دوي لونغ، قرأ مقالاً عن استخدام طريقة جول الحرارية الآنية لتحضير أطوار مختلفة للمواد و قرر تجربتها على أسود الكربون. يتابع تور” كان هناك وميض بسيط” و تبين باستخدام مطيافية رامان لتحليل المادة السوداء الناتجة أن لونغ تمكن من تحويل أسود الكربون إلى غرافين. يتابع تور عن النتيجة، “عرفت مباشرة أهمية ما حصل”. لقد أدرك تور أنه إذا كانت العملية قد نجحت مع أسود الكربون و الذي له بنية مختلفة تماماً عن الغرافين فإن هذه الطريقة من المرجح أن تنجح على أي مادة كربونية أخرى. فقام الفريق بتجريب العملية على شتى أنواع المواد، كقشور الفستق و البطاطا و الإطارات المطاطية و بلاستيك البولي ايتيلن تيرفتالات. يقول تور “ببعض التعديلات، يمكن صناعة أنظف غرافين على الإطلاق”.

العملية تتضمن ضغط المادة الكربونية بشكل طفيف داخل أنبوب من السيراميك أو زجاج الكوارتز بين قطبين كهربائيين. هذه الأداة تخضع إلى تفريغ كهربائي عالي التوتر من مكثف كهربائي و الذي يؤدي إلى تسخين المادة الكربونية إلى أكثر من 3000 درجة كلفن بأقل من ثانية واحدة. العملية تؤدي إلى تحويل الكربون اللابللوري إلى غرافين في حين تخرج جميع المواد الأخرى بشكل مواد غازية طيارة. نظراً إلى أن إنتاج الغرافين يتم بسرعة هائلة فإن هذا لا يترك مجالاً لطبقات الغرافين بالانتظام بالكهرباء الساكنة و بالتالي من السهل استخلاص طبقات الغرافين كل طبقة على حدىً.

في المقال المنشور، يسجل الباحثون أكبر اصطناع للغرافين و هو غرام واحد في الومضة ولكن يقول تور أنهم تمكنوا من تحضير خمسة غرامات في الومضة الواحدة في المخبر و قد حصلوا على دعم مالي من وزارة الطاقة الأمريكية لرفع إنتاج العملية إلى مائة غرام في الومضة الواحدة.

يبين جياشين هوانغ البروفيسور في جامعة نورث وسترن و الذي يدرس معالجة المواد، أن العديد من التطبيقات المحتملة للغرافين تتطلب إنتاجاً بكميات كبيرة و قابلة لإعادة التطبيق و الاستعمال بشكل مستدام، الأمر الذي يشكل تحدي بحد ذاته. فالعديد من تطبيقات الغرافين تعاني من “خيبة أمل تطبيقية” نظراً لتحديات الاصطناع . يقول هوانغ “لقد استطاع فريق جامعة رايس من تجاوزٍ هذه التحديات”. إنه لعمل رائع بالفعل.