دانشمندان کور کربنی با مساحت یک زمین فوتبال در یک قاشق چای‌خوری ساختند
دانشمندان سال‌ها است که از عکس‌العمل‌های هایپرگلیک برای تولید سوخت موشک‌ها بهره می‌برند. این واکنش‌ها بین دو ماده شیمیایی، معمولا یک سوخت و یک اکسیدکننده، رخ می‌دهد و انرژی بسیار بالایی آزاد می‌کند که در صورت کنترل صحیح می‌تواند نیروی محرک موشک‌ها را تامین نماید. یکی از رایج‌ترین ترکیبات در این حوزه، ترکیب هیدرازین به عنوان سوخت با نیتروژن تتروکسید به عنوان اکسیدکننده است.
به گزارش نیوآتلس، در دانشگاه کور، نیکولاس چالمپس، محقق فوق‌دکتری، از این واکنش‌های هایپرگولیک به روش متفاوتی استفاده کرد. او در حال توسعه موادی بود که با ترکیب مواد شیمیایی گوناگون، انرژی قدرت‌مندی آزاد می‌سازند.
امانوئل جیانلیس، استاد دانشگاه کور، با ایده‌ای که این روش می‌تواند تخلخل کربن را افزایش دهد و سطح آن را برای ذخیره انرژی و جذب دی‌اکسید کربن بهینه نماید، همکاری با چالمپس را برای یک مطالعه جدید آغاز کرد.
چالمپس، نویسنده اصلی این مطالعه، بیان کرد من سعی داشتم بفهمم چگونه می‌توان این واکنش‌های ناشناخته را برای سنتز نانوساختار‌های کربنی کنترل کرد و پس از تنظیم پارامتر‌های مختلف، فهمیدم که دستیابی به تخلخل بسیار بالا امکان‌پذیر است. تا آن زمان، این واکنش‌ها تنها در سیستم‌های موشکی، هواپیما و کاوشگر‌های فضایی برای نیروی محرک و هیدرولیک به کار می‌رفتند.
پنج حلقه کربنی کلید موفقیت
این دو محقق با حمایت گروه‌ی از دانشمندان دیگر، موفق به تشکیل کربنی شدند که دارای مساحت شگفت‌انگیز ۴۸۰۰ مترمربع در هر گرم است که معادل یک زمین فوتبال است که روی یک قاشق چای‌خوری قرار گرفته باشد. محققان در مطالعه خود که در مجله ACS منتشر شده، نوشتند تا آنجا که ما می‌دانیم، این بیش‌ترین مقدار گزارش‌شده در مقالات تا کنون است.
کلید موفقیت این ماده به این واقعیت برمی‌گردد که واکنش هایپرگلیک لوله‌های کربنی تشکیل می‌دهد که دارای غلظت بالایی از حلقه‌های مولکولی ساخته شده از پنج اتم کربن به جای شش اتم معمول هستند. این امر باعث تغییر زوایای پیوند‌ها در سطح مولکولی شده و پایداری لوله‌ها را افزایش می‌دهد.
در این واکنش، لوله‌ها خود را در امتداد قالبی که توسط محققان طراحی شده بود، جمع کردند تا شکل ساختار را بسازند. در نهایت، ساختار حاصل با هیدروکسید پتاسیم پوشانده شد که ساختار‌های کمتر پایدار را از بین برد و هزاران منافذ می‌کروسکوپی را ایجاد کرد.
پس از تشکیل این ماده، محققان آن را آزمایش کردند تا می‌زان جذب دی‌اکسید کربن از جو را بسنجند. نتیجه نشان داد که تنها در دو دقیقه، ۹۹ درصد از کل ظرفیت جذب پر شده است که بازده‌ی محصولات کربن فعال جاری را تقریبا دو برابر می‌کند. همچنین مشخص شد که توانایی ذخیره انرژی این ماده چهار برابر کربن‌های فعال تجاری موجود است و چگالی انرژی حجمی آن ۶۰ وات‌ساعت بر لیتر می‌باشد.
چالمپس اظهار کرد این رویکرد یک استراتژی جایگزین برای طراحی و سنتز مواد مبتنی بر کربن به‌اختصاص در کاربرد‌هایی که نیاز به کارایی فضایی دارند، ارائه می‌دهد.