به گزارش ستاد اختصاصی گسترش فناوری نانو، در شرایطی که آلودگی ناشی از پسماندهای پلاستیکی به یکی از جدی‌ترین مشکلاتهای زیست‌محیطی جهان تبدیل شده و حجم انبوهی از زباله‌های پلاستیکی هر ساله داخل طبیعت می‌شود، گروهی از پژوهشگران هندی موفق شده‌اند روشی نوآورانه برای تبدیل این تهدید زیست‌محیطی به یک زمان فناورانه اراعه کنند.

این محققان توانسته‌اند پلاستیک‌های متداول پلی‌اتیلن سنگین یا HDPE را به گرافن باکیفیت تبدیل کنند؛ ماده‌ای پیشرفته که از آن به‌گفتن یکی از با اهمیت ترین مواد راهبردی قرن بیست‌ویکم یاد می‌شود.

این پژوهش توسط محققان مؤسسه ملی هومی بابا (Homi Bhabha National Institute) و مرکز تحقیقات اتمی بابا (Bhabha Atomic Research Centre) انجام شده و نتایج آن مشخص می کند زباله‌های پلاستیکی می‌توانند به مواد ارزشمندی برای ساخت سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی نسل آینده تبدیل شوند.

گرافن به علت برخورداری از استحکام مکانیکی بسیار، رسانایی الکتریکی بالا، سطح اختصاصی گسترده و ویژگی‌های بی همتا فیزیکی و شیمیایی، یکی از پرکاربردترین نانومواد در صنایع پیشرفته به حساب می اید. با این حال، تشکیل این ماده طبق معمولً نیازمند فرایندهای پیچیده، تجهیزات گران‌قیمت و منفعت گیری از مواد شیمیایی خطرناک است. همین قضیه علتشده گسترش راه حلهای کم‌هزینه و سازگار با محیط زیست برای تشکیل گرافن به یکی از محورهای مهم تحقیقات جهانی تبدیل شود.

پژوهشگران هندی در این مطالعه از فناوری موسوم به «گرمایش ناگهانی ژولی» یا Flash Joule Heating منفعت گرفته‌اند. در این روش، یک تخلیه سریع انرژی الکتریکی از طریق خازن‌ها، دمای ماده اولیه را تنها در چند هزارم ثانیه به بیشتر از ۲۵۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رساند. این جهش حرارتی بسیار سریع علتمی‌شود زنجیره‌های پلیمری پلاستیک تجزیه شده و اتم‌های کربن حاضر در آن‌ها در قالب ساختارهای گرافنی بازآرایی شوند.

یکی از با اهمیت ترین مزیت‌های این فناوری، انجام هم‌زمان مرحله های کربنیزه‌شدن و گرافیتی‌شدن در یک فرایند واحد است. برخلاف تعداد بسیاری از راه حلهای رایج تشکیل گرافن، در این فناوری نیازی به منفعت گیری از کوره‌های صنعتی، کاتالیست‌های فلزی یا حلال‌های شیمیایی وجود ندارد. به همین علت، مصرف انرژی افت یافته و آثار زیست‌محیطی فرایند نیز به حداقل می‌رسد.

پلی‌اتیلن سنگین یا HDPE یکی از پرمصرف‌ترین انواع پلاستیک در جهان است که در تشکیل بطری‌ها، ظروف بسته‌بندی، لوله‌ها و تعداد بسیاری از محصولات مصرفی مورد منفعت گیری قرار می‌گیرد. این ماده به علت پایداری شیمیایی بالا و ساختار مولکولی مقاوم، به‌سختی در طبیعت تجزیه می‌شود و سهم قابل توجهی در آلودگی‌های زیست‌محیطی و شکل‌گیری ریزپلاستیک‌ها دارد.

بر پایه آمارهای جهانی، سالانه بیشتر از ۴۰۰ میلیون تن پلاستیک در جهان تشکیل می‌شود، اما تنها قسمت کوچکی از آن‌ها به‌طور مؤثر بازیافت خواهد شد. در تعداد بسیاری از موارد نیز کیفیت مواد بازیافتی افت اشکار می‌کند و قیمت اقتصادی آن‌ها کم شدن می‌کند. از این رو، تبدیل پلاستیک‌های دورریختنی به مواد گسترش یافتهای همانند گرافن می‌تواند مثالای موفق از «بازیافت قیمت‌افزا» یا Upcycling باشد؛ رویکردی که به جای افت قیمت مواد، آن‌ها را به محصولاتی با قیمت افزوده زیاد بالاتر تبدیل می‌کند.

نتایج آزمایش‌های انجام‌شده مشخص می کند گرافن تولیدشده از این روش از کیفیت ساختاری زیاد بالایی برخوردار است. بازدید‌های طیف‌سنجی رامان وجود ساختارهای گرافنی منظم و مقدار زیاد پایین نقص‌های ساختاری را قبول کرده است. این چنین آزمایش‌های مکمل شامل طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری نیز راه اندازی موفق ساختارهای موسوم به «گرافن توربوستراتیک» را نشان داده‌اند.

گرافن توربوستراتیک نوعی ساختار اختصاصی از گرافن است که در آن لایه‌ها نسبت به یکدیگر دارای چرخش زاویه‌ای می باشند و فاصله بین لایه‌ها افزایش می‌یابد. این ویژگی علتمی‌شود یون‌ها راحت‌تر در بین لایه‌ها حرکت کنند و در نتیجه کارکرد الکتروشیمیایی ماده بهبود یابد. به همین علت این نوع گرافن برای منفعت گیری در ابرخازن‌ها و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی زیاد مورد قیمت برداشت می‌شود.

برای برسی کاربرد عملی این ماده، پژوهشگران الکترودهای انعطاف‌پذیری تشکیل کردند که در آن‌ها از نانولوله‌های کربنی عاملی‌سازی‌شده به‌گفتن جمع‌کننده جریان و از گرافن تولیدشده از پلاستیک HDPE به‌گفتن ماده فعال منفعت گیری شد. مسئله قابل دقت این است که در ساخت این الکترودها از هیچ افزودنی رسانای اضافی منفعت گیری نشده است؛ موضوعی که نشان‌دهنده رسانایی ذاتی بالای گرافن تولیدشده است.

آزمایش‌های الکتروشیمیایی نتایج امیدوارکننده‌ای را به همراه داشت. الکترودهای ساخته‌شده توانستند ظرفیت اختصاصی قابل توجهی را در محیط‌های اسیدی و قلیایی از خود نشان دهند. این کارکرد حاکی از توانایی بالای ماده در ذخیره‌سازی و آزادسازی سریع انرژی است؛ ویژگی‌ای که برای کاربرد در ابرخازن‌های نسل آینده اهمیت بسیاری دارد.

پژوهشگران اعتقاد دارند این فناوری می‌تواند پلی بین مدیریت پسماندهای پلاستیکی و گسترش مواد پیشرفته انرژی باشد. در صورتی که این روش در مقیاس صنعتی گسترش یابد، نه‌تنها می‌تواند بخشی از بحران جهانی زباله‌های پلاستیکی را افت دهد، بلکه منبعی ارزان و پایدار برای تشکیل گرافن مورد نیاز صنایع انرژی، الکترونیک و فناوری‌های پیشرفته فراهم خواهد کرد.

این دستاورد بار دیگر مشخص می کند که فناوری نانو و مهندسی مواد می‌توانند راه‌حل‌هایی نوآورانه برای برخی از بزرگ‌ترین چالش‌های زیست‌محیطی و انرژی جهان اراعه دهند؛ راه‌حل‌هایی که در آن یک زباله کم‌قیمت به ماده‌ای راهبردی برای آینده تبدیل می‌شود.