الجرافين هو أحد أقوى المواد التي اكتشفت على وجه الأرض ، يتألف الجرافين من ذرات كربون مرتبة ومترابطة بحيث تشكل طبقة بسمك ذرة واحدة فقط .

الترابط بين ذرات الجرافين يكون فائق القوة بحيث يمكن لغشاء رقيق منه حمل فيل ضخم دون أن يتمزق. وعلى الرغم من قوة الجرافين فهو مرن للغاية ويمكن تمديده بنسبة 20 في المائة دون أي ضرر.

الجرافين المادة التي ستغير مستقبلنا

الجرافين وطرق تحضيره منزلياً

مشكلة الجرافين أن إنتاجه ضئيل للغاية ويتطلب الكثير من الوقت، تقنيات مثل تقشير الجرافيت وترسيب البخار الكيميائي على رقاقة معدنية تتطلب الكثير من الجهد والتكلفة لإنتاج القليل من الجرافين فقط . حال هذا دون استخدام هذه التقنية الثورية بكثافة، لكن يبدو أن هذا الواقع في طريقه للتغير.

مشكلة كبيرة

ثلث المواد الغذائية في العالم يتم التخلص منها بسبب فسادها ، النفايات البلاستيكية أيضاً مشكلة مستعصية حيث تتطلب مئات السنين لتتحلل، تحويل المخلفات التي تحتوي الكربون مثل المخلفات العضوية والبلاستيكية إلى جرافين يشكل طفرة كبيرة في عمليات التخلص من القمامة .

جيمس تور العالم الكيميائي بجامعة رايس قدم طريقة جديدة يمكنها تحويل كميات كبيرة هائلة من أي مصدر كربون تقريبًا إلى رقائق جرافين ذات قيمة عالية.

عملية سريعة ورخيصة

وفقاً لتور فإن تقنية “ومضة الجرافين” أو “الجرافين فلاش Flash Graphene” يمكنها تحويل طن من الفحم أو نفايات الطعام أو البلاستيك إلى جرافين بجزء ضئيل من التكلفة للطرق الحالية.

لقد أثبتنا بالفعل أن أي مادة صلبة قائمة على الكربون ، بما في ذلك النفايات البلاستيكية المختلطة والإطارات المطاطية ، يمكن تحويلها إلى الجرافين.

جيمس تور – جامعة رايس

كما ورد في مجلة Nature ، يتم تصنيع الجرافين فلاش في 10 مللي ثانية عن طريق تسخين المواد التي تحتوي على الكربون إلى 2700 درجة مئوية تقريباً حيث يتم تكسير جميع الروابط الكربونية ثم تعاود التشكل مكونة الجرافين.

يمكن أن يكون مصدر المواد المستخدمة أي شيء تقريبًا يحتوى الكربون.

وقال تور إن نفايات الطعام والنفايات البلاستيكية ونشارة الخشب والفحم بأنواعه هي المرشح الرئيسي. وقال ‘بالنظر إلى أن سعر الجرافين التجاري الحالي يتراوح بين 67 ألف دولار و 200 ألف دولار للطن ، فإن احتمالات هذه العملية تبدو رائعة’.

سيناريو بيئي رابح باستخدام الجرافين

وقال تور إن تركيز أقل من 0.1٪ من الجرافين فلاش في الأسمنت المستخدم لربط الخرسانة يمكن أن يقلل من تأثيره البيئي الهائل بمقدار الثلث.

إنتاج الأسمنت ينبعث منه حوالي 8٪ من ثاني أكسيد الكربون من صنع الإنسان كل عام. و من خلال تعزيز الخرسانة باستخدام الجرافين ، يمكن استخدام قدر أقل من الخرسانة للبناء ، وستكون تكلفة التصنيع أقل .

أيضاً يمكن غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان التي قد تنبعث من النفايات في مدافن النفايات ليتم تحويلها إلى جرافين وإضافة ذلك الجرافين إلى الخرسانة ، مما يقلل من كمية ثاني أكسيد الكربون المتولدة في صناعة الخرسانة.

وقال الكاتب المشارك رزبه شاهسافاري ، وهو أستاذ مساعد في الهندسة المدنية والبيئية وعلوم المواد والهندسة النانوية في رايس ورئيس سي كريت تكنولوجيز ، ‘إن تحويل القمامة إلى الكنز أمر أساسي للاقتصاد الدائري’. ‘هنا ، يعمل الجرافين كقالب ثنائي الأبعاد وعامل تقوية يتحكم في ترطيب الأسمنت وتحسين متانته لاحقاً.’

في الماضي كان الجرافين مكلفًا للغاية في هذه التطبيقات ، لكن عملية الفلاش ستقلل من السعر بشكل كبير بينما تساعد في إدارة النفايات بشكل أفضل ، فبهذه الطريقة يتم تثبيت الكربون ولن يدخل الهواء مرة أخرى.

إن عملية الجرافين فلاش يمكن أن تحول هذا الكربون الصلب إلى جرافين للخرسانة والإسفلت والمباني والسيارات والملابس وأكثر من ذلك.

جرافين أكثر كفاءة

والأفضل من ذلك ، أن العملية تنتج الجرافين ‘turbostratic’ ، في طبقات غير متلاصقه بحيث يسهل فصلها.

‘من الصعب للغاية تفكيك الجرافين المكدس من العمليات الأخرى ، مثل تقشير الجرافيت.’ ‘تلتصق الطبقات بقوة معًا. لكن الجرافين المصنوع بهذه التقنية الجديدة أسهل بكثير في العمل لأن الالتصاق بين الطبقات أقل بكثير. يمكن تفكيكها في محلول أو عند مزج المركبات. هذا مهم ، لأنه يمكننا الآن جعل كل من هذه الطبقات أحادية الذرة تتفاعل مع مركب مضيف’.

جيمس تور

ووفقًا للباحثين الذين يختبرون بالفعل الخرسانة والبلاستيك المحسن من الجرافين ، فإن المركبات السائبة من الجرافين مع البلاستيك والمعادن والخشب الرقائقي والخرسانة ومواد البناء الأخرى ستكون سوقًا رئيسيًا للجرافين فلاش.

كيف يتكون الجرافين ؟

تحدث عملية الفلاش في مفاعل مصمم خصيصًا يقوم بتسخين المواد بسرعة وتصدر جميع العناصر غير كربونية كغاز. وقال تور: ‘عندما يتم تصنيع هذه العملية ، فإن عناصر مثل الأكسجين والنيتروجين الخارجين من مفاعل الفلاش يمكن محاصرتها جميعًا كجزيئات صغيرة لأنها لها قيمة’.

وقال إن عملية الفلاش تنتج القليل جدًا من الحرارة الزائدة ، وتوجه كل طاقاتها تقريبًا إلى الهدف. وقال تور ‘يمكنك وضع إصبعك على الحاوية مباشرة بعد ثوانٍ قليلة’. ‘ضع في اعتبارك أن هذا أكثر سخونة بثلاثة أضعاف من أفران ترسيب البخار الكيميائي التي استخدمناها سابقًا في صناعة الجرافين، ولكن في عملية الفلاش تتركز الحرارة في مادة الكربون ولا توجد في محيط المفاعل.

وقال ‘كل الطاقة الزائدة تخرج كضوء ، في ومضة ساطعة للغاية ، ولأنه لا يوجد أي مذيبات ، فهي عملية نظيفة للغاية’.

أكدت عمليات المحاكاة على مستوى الذرة أن درجة الحرارة هي مفتاح التكوين السريع للمادة. فهي بمثابة تسريع بشكل أساسي للعملية الجيولوجية البطيئة التي يتطور بها الكربون إلى حالته الجرافيتية، تسارع كبير بسبب ارتفاع الحرارة ، يتم إيقافه أيضًا في اللحظة المناسبة ، في مرحلة تكون الجرافين.

يأمل تور في إنتاج كيلوغرام يوميًا من الجرافين فلاش في غضون عامين ، بدءًا من مشروع تموله مؤخرًا وزارة الطاقة لتحويل الفحم الأمريكي. وقال ‘هذا يمكن أن يوفر منفذا للفحم على نطاق واسع بتحويله بطريقة غير مكلفة إلى مواد بناء ذات قيمة أعلى بكثير’.

مصادر
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200127134751.htm
https://international.ucam.edu/university-news/graphenano-and-ucam-demonstrate-effectiveness-graphene-applied-concrete