فناوری الهام گرفته از سوخت موشک یک زمین فوتبال دی‌اکسید کربن را در یک قاشق چای‌خوری به دام می‌اندازد
محققان دانشگاه کرنل از یک واکنش شیمیایی که معمولاً در روشن کردن سوخت موشک استفاده می‌شود، بهره برده‌اند تا کربن نانوپوروسی با بالاترین سطح سطحی تا کنون، یعنی ۴۸۰۰ متر مربع در هر گرم، بسازند.
برابر با فشردن سطحی به اندازه‌ی یک زمین فوتبال در یک قاشق چای‌خوری، این ماده نوآورانه پتانسیل انقلابی برای فناوری‌های جذب دی‌اکسید کربن و ذخیره انرژی فراهم می‌کند.
مطالعه به معرفی یک تکنیک سنتز نوآورانه می‌پردازد که بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختاری، تخلخل بی‌سابقه‌ای را به دست آورده‌است. خواص برجسته‌ي ماده می‌تواند کاربردهایی نظیر جذب آلاینده‌ها، ذخیره انرژی و کاتالیز را متحول کند.
پیشرفت الهام گرفته از موشک
تیم به رهبری امانوئل جیانلیس، استاد مهندسی علم مواد در کرنل، از واکنش‌های هایپرگولیک الهام گرفته‌اند—واکنش‌های شیمیایی انرژی‌زای خود به خودی که به طور سنتی در پیشران‌های هوافضا استفاده می‌شوند.
«داشتن سطح بیشتر برای هر واحد جرم بسیار مهم است، اما می‌توانید به جایی برسید که ماده‌ای باقی نمانده و فقط هوا باشد.» جیانلیس توضیح داد. «بنابراین چالش این است که چقدر از این تخلخل می‌توانید معرفی کنید و همچنان ساختاری باقی بگذارید، با بازده کافی برای انجام چیزی مفید.»
محقق فوق‌دکترا نیکلاس چالپیس، تلاش را هدایت کرد، و شیمی هایپرگولیک را برای سنتز نانوساختارهای کربنی بهینه‌سازی کرد. با تنظیم دقیق پارامترهای واکنش، چالپیس روش جدیدی برای تولید تخلخل فوق‌العاده در مواد کربنی کشف کرد که یک جدایی چشمگیر از روش‌های سنتی سنتز محسوب می‌شود.
سنتز با سوکروز و یک عامل قالب‌سازی برای شکل‌دهی به ساختار کربن آغاز می‌شود. هنگامی که با مواد شیمیایی خاص مخلوط می‌شود، واکنش هایپرگولیک به طور خود به خودی شعلور می‌شود و لوله‌های کربنی با فراوانی منحصر به فرد حلقه‌های پنج‌عضوی کربن شکل می‌دهد، بر خلاف حلقه‌های شش‌عضوی معمولی.
سپس، ماده تحت درمان با پتاسیم هیدروکسید قرار می‌گیرد که ساختارهای با ثبات کمتر را به صورت انتخابی حذف کرده و شبکه‌ای پیچیده از منافذ میکروسکوپی را می‌تراشد.
«وقتی این واکنش بسیار سریع را انجام می‌دهید، وضعیتی کامل ایجاد می‌کند که سیستم نمی‌تواند به حالت کم انرژی‌ترین خود برسد، که به طور طبیعی انجام می‌دهد.» جیانلیس گفت. «به دلیل سرعت واکنش‌های هایپرگولیک، می‌توانید ماده را در یک پیکربندی متاستابل بگیرید که نمی‌توانید از گرمایش کند یک واکنش معمولی به دست آورید.»
عملکرد بی‌نظیر
کربن نانوپوروس قابلیت‌های فوق‌العاده‌ای دارد. ماده می‌تواند دی‌اکسید کربن را تقریبا با دو برابر ظرفیت کربن‌های فعال سنتی جذب کند. در مدت فقط دو دقیقه ۹۹% ظرفیت آن را جذب می‌کند که آن را به یکی از سریع‌ترین جذب‌کننده‌ها در ثبت می‌سازد.
با چگالی انرژی حجمی ۶۰ وات ساعت بر لیتر، این ماده از کربن‌های فعال موجود در بازار چهار برابر پیشی می‌گیرد و آن را برای ابرخازن‌ها ایده‌آل می‌سازد.
این رویکرد جدید می‌تواند طراحی و کاربرد مواد کربنی را در زمینه‌هایی که به راه‌حل‌های فضایی کارآمد نیاز دارند، مانند جذب‌کننده‌ها، کاتالیزورها و دستگاه‌های ذخیره انرژی، بازتعریف کند.
چالپیس در حال حاضر به تحقیق در شیمی هایپرگولیک برای توسعه آلیاژهای نانوذره و الکتروکاتالیزورهایی با ویژگی‌های بهبود یافته می‌پردازد و دامنه فناوری را بیشتر گسترش می‌دهد.
«این رویکرد استراتژی جایگزین برای طراحی و سنتز مواد کربنی مناسب برای جذب‌کننده‌ها، پشتیبانی‌های کاتالیستی و مواد فعال برای ابرخازن‌ها ارائه می‌دهد، به‌ویژه در کاربردهایی که به کارآیی فضایی نیاز دارند.» چالپیس گفت.
با ادغام شیمی هوافضا با علم مواد، این تیم نه تنها معیاری جدید برای کربن نانوپوروس ایجاد کردند بلکه بنیانی برای پیشرفت‌های پایداری و کارآیی گذاشتند.
مطالعه در ACS Nano منتشر شده است.
