Ένα «θαυματουργό» υλικό θα μπορούσε σύντομα να παράγεται σε μεγάλες ποσότητες. Ερευνητές στο Rice University αναφέρουν σε δημοσίευση τους στο Περιοδικό Nature ότι μπορούν να αξιοποιήσουν σχεδόν οποιαδήποτε πηγή στερεού άνθρακα, από υπολείμματα τροφών μέχρι ελαστικά αυτοκινήτων και να τη μετατρέψουν σε γραφένιο.
Το γραφένιο ένα υλικό που αποτελείται από φύλλα ατόμων άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιείται σε πλαστικά υψηλής αντοχής και εύκαμπτα ηλεκτρονικά. Οι τρέχουσες τεχνικές παραγωγής αποδίδουν ελάχιστες ποσότητες γραφενίου τέλειας δομής, αν και είναι δυνατή η παραγωγή γραφενίου σε μεγάλες ποσότητες, ωστόσο όχι της ποιότητας που είναι απαραίτητη για εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας. Ήδη, η νέα μέθοδος παράγει καθημερινά ποσότητες που ανέρχονται σε γραμμάρια, σχεδόν καθαρού γραφενίου στο εργαστήριο, και οι ερευνητές προσπαθούν να κλιμακώσουν την παραγωγή σε κιλά ημερησίως.
«Αυτή η εργασία είναι πρωτοποριακή από επιστημονική και πρακτική άποψη», λέει ο Ray Baughman, χημικός στο Texas University στο Dallas, καθώς υπόσχεται γραφένιο αρκετά φθηνό και σε μεγάλες ποσότητες όπως η ενίσχυση της ασφάλτου ή των βαφών. Ήδη η ομάδα στο Rice University έχει ιδρύσει μια εταιρεία, την Universal Matter, για την εμπορευματοποίηση της διαδικασίας μετατροπής των πηγών στερεού άνθρακα σε γραφένιο.
Με λεπτά φύλλα ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε εξαγωνικά μοτίβα, το γραφένιο είναι ισχυρότερο από τον χάλυβα, άγει τον ηλεκτρισμό και τη θερμότητα καλύτερα από τον χαλκό και μπορεί να χρησιμεύσει ως αδιαπερατό φράγμα σε διάφορες χημικές διεργασίες. Αλλά από την ανακάλυψή του το 2004, το γραφένιο υψηλής ποιότητας -σε φύλλα μεμονωμένων ή πολλαπλών στρώσεων- παρέμεινε ακριβό για να κατασκευαστεί και να επιτευχθεί η υψηλή καθαρότητα που είναι απαραίτητη σε εφαρμογές βιομηχανικής κλίμακας.
Αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα για την κατασκευή μικροσκοπικών συσκευών, όπως τρανζίστορ και δίοδοι εκπομπής φωτός (LED). Αλλά οι τρέχουσες τεχνικές, που παράγουν το γραφένιο με απόθεση μέσω ατμού, είναι πολύ δαπανηρές για εφαρμογές μεγάλου όγκου. Και οι εναλλακτικές μέθοδοι παραγωγής υψηλότερης απόδοσης, όπως η απόσπαση στρώματος γραφενίου από την επιφάνεια τεμαχίων γραφίτη, παράγουν γραφένιο με έως και 50 στρώσεις, μέγεθος που δεν είναι ιδανικό για τις περισσότερες εφαρμογές.
Το 2014, ο James Tour, ένας χημικός στο Rice University, και οι συνάδελφοί του, ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να φτιάξουν μια πιο καθαρή μορφή γραφενίου - κάθε κομμάτι με πάχος μόλις λίγων στρωμάτων - διαπερνώντας με laser μια μορφή άμορφου άνθρακα που ονομάζεται αιθάλη (carbon black). Σύντομοι παλμοί θέρμαιναν τον άνθρακα σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 3000 βαθμών Kelvin, σπάζοντας τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων άνθρακα. Καθώς ο άνθρακας ψυχόταν, τα άτομα συνενώνονταν σε γραφένιο. Ωστόσο, η μέθοδος χρησιμοποιούσε μεγάλες ποσότητες ενέργειας για την παραγωγή μικροσκοπικών ποσοτήτων.
Στη συνέχεια, ο Luong Xuan Duy, ένας από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Tour, διάβασε ότι άλλοι ερευνητές είχαν δημιουργήσει μεταλλικά νανοσωματίδια διαπερνώντας ένα υλικό με ηλεκτρισμό, δημιουργώντας την ίδια σύντομη έκρηξη θερμότητας με το laser. Έτσι, ο Duy έβαλε μια μικρή ποσότητα αιθάλης σε ένα γυάλινο φιαλίδιο και τη διαπέρασε με 400 βολτ για έως και 200 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Στην αρχή δεν προέκυψε κάποιο σημαντικό αποτέλεσμα. Αλλά μετά από τροποποιήσεις των παραμέτρων, είδε μια κιτρινωπή λευκή λάμψη, που καταδείκνυε ότι η θερμοκρασία στο φιαλίδιο ήταν περίπου 3000 βαθμούς Kelvin. Χημικές δοκιμές αποκάλυψαν ότι είχε παραχθεί γραφένιο.
Ήταν ένας τύπος γραφενίου ιδανικός για μαζικές χρήσεις: μία μορφή γραφενίου με την ονομασία «turbostratic graphene», με ανώτερες ιδιότητες σε σχέση με το γραφένιο που παράγεται με τις επικρατούσες μεθόδους παραγωγής. «Αυτό είναι καλό», λέει ο Duy. Στο νερό ή σε άλλους διαλύτες, αυτή η μορφή γραφενίου παραμένει αιωρούμενη αντί να συσσωρεύεται, επιτρέποντας σε κάθε τεμάχιο πολλαπλών στρώσεων να αλληλεπιδρά με το σύνθετο υλικό στο οποίο έχει προστεθεί.
«Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα ένα πολύ χρήσιμο υλικό με ευρείες εφαρμογές», λέει η Monica Craciun, φυσικός στο Exeter University. Το 2018, η ίδια και οι συνάδελφοι της ανέφεραν ότι η προσθήκη γραφενίου σε σκυρόδεμα, υπερδιπλασίασε την αντοχή του σε θλίψη.
Η ομάδα του Tour κατέληξε στο ίδιο σχεδόν αποτέλεσμα. Όταν προσέθεσε στο σκυρόδεμα μόλις 0,05% κατά βάρος γραφένιο που παρήχθη μέσω της μεθόδου διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος, η αντοχή σε θλίψη αυξήθηκε κατά 25%. Το γραφένιο που προστέθηκε στο πολυδιμεθυλοσιλοξάνιο, ένα κοινό τύπο σιλικόνης, αύξησε την αντοχή της κατά 250%. Άλλες έρευνες δείχνουν ότι μπορεί να βελτιώσει την ανθεκτικότητα της ασφάλτου και των χρωμάτων που χρησιμοποιούνται σε βαφές..
Αυτές οι εφαρμογές θα απαιτούσαν γραφένιο υψηλής ποιότητας σε μεγάλες ποσότητες. Ευτυχώς, το σημείο εκκίνησης για τη συγκεκριμένη μορφή γραφενίου δύσκολα θα μπορούσε να είναι φθηνότερο ή πιο άφθονο. Σχεδόν οποιαδήποτε οργανική ύλη, συμπεριλαμβανομένων των υπολειμμάτων καφέ, των υπολειμμάτων τροφών, των παλαιών ελαστικών και των πλαστικών μπουκαλιών, μπορεί με τη νέα αυτή μέθοδο να μετατραπεί στη συγκεκριμένη μορφή γραφενίου. «Μετατρέπουμε τα απορρίμματα σε γραφένιο», εξηγεί ο Duy.
Με πληροφορίες από science.org
