یک زمین فوتبال در یک قاشق چایخوری؛
ابداع ماده نوینی با قابلیت جذب دی اکسید کربن و ذخیره انرژی
محققان با استفاده از اصول علم موشک، کربنی با یک سطح رکوردشکن ابداع کرده اند؛ ماده‌ای که میتواند حدود دو برابر بیشتر از مواد کربن فعال فعلی، دی اکسید کربن جذب کند و به طور چشمگیری قابلیت ذخیره انرژی دارد.
به گزارش خبرگزاری آنا به نقل از نیواطلس، آزمایش‌های درسی دوران دبیرستان حاکی از آن بود می‌توان با ترکیب جوش شیرین و سرکه، یک آتشفشان ساخت؛ پس هنگامی که مواد شیمیایی خاصی با یکدیگر تماس پیدا کنند می‌توانند نتایج انفجاری از خود به جا بگذارند.
دانشمندان صنعت موشکی با در نظر گرفتن این اصل در درجات بسیار جدی تر، سال هاست که از چیزی به نام واکنش‌های هایپرگولیک به عنوان سوخت برای طیف وسیعی از فضاپیما‌ها استفاده می‌کنند. این واکنش‌ها بین دو ماده شیمیایی که معمولا یک سوخت و یک اکسیدکننده هستند انجام می‌شود که آنقدر شدیدند که اگر به درستی هدایت شوند، می‌توانند نیروی محرکه ایجاد کنند. مثلا، یکی از رایج‌ترین ترکیبات در دنیای پیشرانه هایپرگولیک، مخلوط کردن هیدرازین با اکسید کننده نیتروژن تتروکسید است.
اکنون محققان دانشگاه کرنل در آمریکا، از واکنش‌های هایپرگولیک به شیوه‌ای متفاوت استفاده کرده اند. آنها در حال ساخت موادی از نیرو‌های قدرتمندی بودند که از ترکیب مواد شیمیایی مختلف آزاد می‌شوند.
آنها با در نظر گرفتن اینکه چنین روشی میتواند به افزایش تخلخل کربن کمک کند به طوری که سطح آن را افزایش داده و آن را در ذخیره انرژی و جذب دی اکسید کربن بهتر کند، کار را بر روی یک مطالعه جدید آغاز کردند.
«نیکولاس چالمپس» مجری این پژوهش گفت: «در تلاش بودم بفهمم چگونه می‌توان این واکنش‌های ناشناخته را برای ساخت نانوساختار‌های کربنی مختلف، مهار و کنترل کرد. پس از تنظیم پارامتر‌های مختلف، دریافتم ممکن است بتوانیم به تخلخل فوق العاده بالا دست یابیم. پیش از این، از این واکنش‌ها فقط در سیستم‌های موشکی و هواپیما، و کاوشگر‌های اعماق فضا برای نیروی محرکه و هیدرولیک استفاده می‌شد.»
این دانشمندان موفق شدند کربنی بسازند که دارای مساحت شگفت انگیز ۴۸۰۰ متر مربع در هر گرم است که به گفته آنها تقریبا معادل اندازه یک زمین فوتبال است که به طور منظم روی یک قاشق چای خوری بسته بندی شده است.
آنها می‌گویند: «تا جایی که می‌دانیم، این میزان مساحت بالاترین میزان گزارش شده در پژوهش‌های انجام شده تا کنون است.»
کلید موفقیت این ماده در این نکته نهفته است که واکنش هایپرگولیک لوله‌های کربنی ایجاد می‌کند که دارای غلظت بالایی از حلقه‌های مولکولی ساخته شده از پنج اتم کربن به جای شش اتم معمول هستند. این باعث تغییر زوایای پیوند‌ها در سطح مولکولی شده و به پایداری لوله‌ها می‌افزاید.
در این واکنش، لوله‌ها خود را در امتداد قالبی که توسط محققان ساخته شده بود جمع کردند تا شکل ساختار را بسازند. در نهایت، ساختار حاصل با هیدروکسید پتاسیم پوشانده شد، که ساختار‌های کمتر پایدار را شسته و هزاران منافذ میکروسکوپی ایجاد می‌کند.
این محققان می‌گویند: «وقتی این واکنش بسیار سریع را انجام می‌دهید، موقعیت عالی ایجاد می‌شود که در آن سیستم بر خلاف حالت معمول خود، نمی‌تواند آرام شود و به پایین‌ترین حالت انرژی خود برود. به دلیل سرعت واکنش‌های هایپرگولیک، می‌توانید مواد را در یک پیکربندی فراپایداری قرار داد که نمی‌توان از حرارت آهسته یک واکنش معمولی بدست آورد.
پس از ایجاد این ماده، محققان آن را آزمایش کردند تا ببینند چه مقدار دی اکسید کربن را میتواند از جو جدا کند. نتیجه این بود که تنها در دو دقیقه توانست ۹۹ درصد از کل ظرفیت خود را پر کند، این میزان بازدهی دو برابر محصولات کربن فعال فعلی است. آزمایش‌ها همچنین نشان دادند این ساختار توانایی ذخیره انرژی چهار برابر کربن‌های فعال تجاری موجود، با چگالی انرژی حجمی ۶۰ وات ساعت بر لیتر را دارد.
دانشمندان دانشگاه کرنل می‌گویند: «این رویکرد یک راهبرد جایگزین برای طراحی و سنتز مواد مبتنی بر کربن مناسب برای جاذب ها، تکیه گاه‌های کاتالیزوری و مواد فعال برای ابرخازن ها، به ویژه در کاربرد‌هایی است که نیاز به کارایی فضایی دارند. علاوه بر این، شرایط آزمایشی منحصربه فرد واکنش‌های هایپرگولیک مسیر دیگری را برای طراحی و سنتز الکتروکاتالیست‌ها با خواص افزایش یافته فراهم می‌کند.»
نتایج این تحقیقات در نشریه ACS Nano منتشر شده است.
انتهای پیام/
