افزایش ۶ برابری تولید گرافن با روش نوین ارتعاشی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، تیمی از محققان دانشگاه بیرمنگام، روشی مبتنی بر ارتعاش برای تولید گرافن و سایر مواد دوبعدی (۲ D) ابداع کرده‌اند که نرخ تولید را تا شش برابر افزایش می‌دهد و قادر است تا غلظت‌های ۱۰۰۰ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر را نیز پوشش دهد. این دستاورد، رویکردی پایدار محسوب می‌شود که در دمای اتاق و بدون نیاز به حلال‌های سمی عمل می‌کند.

محققان در این مطالعه از سیستمی مبتنی بر میکسر‌های آکوستیک تشدیدی بهره برده‌اند. این دستگاه، پراکنده‌های مورد نظر را با فرکانس‌های ۶۰ هرتز و شتابی تا ۱۰۰ g به ارتعاش درمی‌آورد. این فرآیند، چگالی انرژی را دو مرتبه پایین‌تر از روش‌های رایج مانند برش‌دهی برشی (shear exfoliation) اعمال می‌کند.

با استفاده از میکروسکوپ الکترونی و مدل‌سازی محاسباتی چندفازی، تیم تحقیقاتی دریافته است که حرکت ارتعاشی باعث می‌شود ذرات گرافیت در لبه‌ها خم شده، سپس دچار شکستگی شوند و در نهایت، ورقه‌های نازک از آنها جدا شود. در فاز مایع، نیرو‌های مکانیکی بر انرژی پیوند بین لایه‌ها غلبه کرده و جدایش مولکولی به ورقه‌های گرافنی با ضخامت اتمی را تسهیل می‌کنند.

مزایای روش جدید نسبت به روش‌های سنتی

برخلاف روش‌های سنتی استخراج در فاز مایع، مانند میکسر‌های برشی و امواج فراصوت (sonication) که به غلظت مواد جامد و گرانروی (rheology) مخلوط حساس هستند، روش استخراج ارتعاشی، بازدهی یکنواخت را در طیف وسیعی از غلظت‌ها حفظ می‌کند.

دکتر جیسون استافورد، رهبر تیم تحقیقاتی از دانشکده مهندسی مکانیک، در این باره می‌گوید: «کار ما راه جدیدی برای ساخت مواد دوبعدی نشان می‌دهد که بر مشکلات ظرفیت تولید روش‌های کنونی غلبه می‌کند و همزمان، شیوه‌های تولید پایدار را نیز در خود جای داده است.»

اولین مراحل تولید گرافن در پنج دقیقه مشاهده شد و تحلیل‌های طیف‌سنجی تأیید کردند که این رویکرد، هیچ‌گونه نقص ساختاری به نانورقه‌های گرافنی وارد نمی‌کند.

کاربرد برای سایر مواد دوبعدی

این تکنیک با موفقیت برای مواد لایه‌ای دیگر از جمله هگزاگونال بورون نیترید (h-BN)، مولبیدن دیسولفید (MoS₂) و تنگستن دیسولفید (WS₂) نیز به کار گرفته شد. اگرچه این مواد به دلیل انرژی پیوندی بیشتر نسبت به گرافیت، چالش‌هایی را ایجاد می‌کنند، اما محققان فرصت‌های بهینه‌سازی را از طریق طراحی حلال، افزودن مواد پخش‌کننده (dispersing agents)، ویژگی‌های ظرف واکنش و تنظیم سطح شتاب شناسایی کرده‌اند.

پایداری و هزینه پایین

محققان با استفاده از آب و اسید تانیک به جای حلال‌های سمی، بر پایداری و هزینه پایین این روش تأکید کرده‌اند. دکتر استافورد افزود: «با ایجاد مسیر‌های سنتز جایگزین و پایدارتر برای این مواد هیجان‌انگیز، فرصتی برای کاهش موانع ورود به مرحله صنعتی داریم. این امر به تسهیل دستگاه‌های الکترونیکی، کامپوزیت‌ها و کاتالیزور‌های آینده کمک می‌کند و همچنین از پیامد‌های زیست‌محیطی ناخواسته در مقیاس تولید جلوگیری می‌نماید.»

ثبت اختراع و جست‌و‌جو برای شرکای تجاری

یک تقاضانامه ثبت اختراع از طریق University of Birmingham Enterprise برای این روش با توان تولید بالا برای پردازش مواد دوبعدی و نانومواد ثبت شده است. تیم تحقیقاتی در حال حاضر به دنبال شرکای تجاری برای اعطای مجوز و توسعه بیشتر این فناوری است.