دانشمندان موشکی سال‌ها است که از چیزی به نام عکس العمل‌های هایپرگلیک(hypergolic) به گفتن سوخت برای طیف وسیعی از فضاپیماها منفعت گیری می‌کنند. این عکس العمل‌ها بین دو ماده شیمیایی که طبق معمول یک سوخت و یک اکسیدکننده است، صورت می‌گیرد که آنقدر شدید می باشند که اگر به درستی هدایت شوند، می‌توانند نیروی محرکه پرتاب موشک را تشکیل کنند. به گفتن مثال، یکی از رایج‌ترین ترکیبات در دنیای پیشرانه‌های هایپرگلیک، مخلوط کردن هیدرازین سوخت با اکسید کننده نیتروژن تتروکسید است.

به نقل از نیواطلس، در دانشگاه کرنل، نیکولاس چالمپس(Nikolaos Chalmpes)، محقق فوق دکتری، از عکس العمل‌های هایپرگولیک به روشای متفاوت منفعت گیری کرد. او در حال تشکیل مواد از نیروهای قدرتمندی می بود که با ترکیب مواد شیمیایی گوناگون آزاد خواهد شد.

امانوئل جیانلیس(Emmanuel Giannelis)، استاد دانشگاه کرنل، با فکر این که این چنین روشی امکان پذیر به افزایش تخلخل کربن پشتیبانی کند، و سطح آن را افزایش داده و آن را در ذخیره انرژی و جذب دی اکسید کربن بهتر کند، کار با چالمپس را بر روی یک مطالعه تازه اغاز کرد.

چالمپس، نویسنده مهم این مطالعه می‌گوید: من در تلاش بودم تا بفهمم چطور می‌توان این عکس العمل‌های ناشناخته را برای سنتز نانوساختارهای کربنی گوناگون مهار و کنترل کرد و بعد از تنظیم پارامترهای گوناگون، فهمید شدم که امکان پذیر بتوانیم به تخلخل بسیار بالا دست یابیم. تا آن زمان، این عکس العمل‌ها فقط در سیستم‌های موشکی و هواپیما، و کاوشگرهای فضای عمیق برای نیروی محرکه و هیدرولیک منفعت گیری می‌شدند.

این دو، با پشتیبانی گروهی از دانشمندان دیگر، موفق شدند. آنها کربنی تشکیل کردند که دارای مساحت شگفت انگیز ۴۸۰۰ متر مربع در هر گرم است که به حرف های آنها تقریبا معادل یک زمین فوتبال است که روی یک قاشق چای خوری قرار بگیرد. محققان در مطالعه خود که در مجله ACS Nano انتشار شده است، نوشتند: تا جایی که ما می‌دانیم، این بیشترین مقدار گزارش شده در مقالات تا کنون است.

پنج حلقه کربنی

کلید پیروزی این ماده به این حقیقت برمی‌گردد که عکس العمل هایپرگلیک لوله‌های کربنی تشکیل می‌کند که دارای غلظت بالایی از حلقه‌های مولکولی ساخته شده از پنج اتم کربن به جای شش اتم معمول می باشند. این علتتحول زوایای پیوندها در سطح مولکولی شده و به پایداری لوله‌ها می‌افزاید.

در این عکس العمل، لوله‌ها خود را در امتداد قالبی که توسط محققان تشکیل شده می بود جمع کردند تا شکل ساختار را بسازند. در نهایت، ساختار حاصل با هیدروکسید پتاسیم پوشانده شد که ساختارهای کمتر پایدار را از بین ببرد و هزاران منافذ میکروسکوپی به جای بگذارد.

بعد از تشکیل این ماده، محققان آن را آزمایش کردند تا ببینند چه مقدار دی‌اکسیدکربن را می‌تواند از جو جدا کند. نتیجه این می بود که تنها در دو دقیقه توانست ۹۹ درصد از کل ظرفیت خود را دریافت کند، این نوشته، بازدهی محصولات کربن فعال جاری را تقریبا دو برابر می‌کند. این چنین نشان داده شد که توانایی ذخیره انرژی را چهار برابر زیاد تر نسبت به کربن‌های فعال تجاری حاضر دارد و چگالی انرژی حجمی آن ۶۰ وات ساعت بر لیتر است.

چالمپس می‌گوید: این رویکرد یک استراتژی جانشین برای طراحی و سنتز مواد مبتنی بر کربن به‌ اختصاصی در کاربردهایی که نیاز به کارایی فضایی دارند، اراعه می‌کند.