Πού είναι το υπέροχο υλικό που υποσχεθήκαμε;

By | March 1, 2024

O grafeno pode significar dispositivos sem bateria ou materiais compósitos mais potentes e resistentes.  <i>(Εικόνα: Getty)</i>” bad-src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/N6yOWYKBr.0QU4tT.Luoqw–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTk2MDtoPTY0MA–/https://media.zenfs_don_27/en ee3bf56cea1afc718c2450750ead4f46″ src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/N6yOWYKBr.0QU4tT.Luoqw–/YXBwaWQ9aGlnaGjtpTY.F. /this_is_local_london_627/ee3bf56cea1afc718c2450750ead4f46 “/></div>
</div>
</div>
<p><figcaption class=Γραφένιο θα μπορούσε να σημαίνει συσκευές χωρίς μπαταρίες ή πιο ισχυρά και ανθεκτικά σύνθετα υλικά. (Εικόνα: Getty)

Το γραφένιο θεωρείται μια από τις σημαντικότερες εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών από την ανακάλυψή του. Αυτό το «θαυματουργό υλικό» έχει διαφημιστεί σε μεγάλο βαθμό και δεν έχει ακόμη αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητές του. Τώρα μπορούμε να δούμε πιο συγκεκριμένες και ρεαλιστικές εφαρμογές να φτάνουν στην αγορά – και όχι αυτές τις αλλόκοτες υποσχέσεις, όπως ο διαστημικός ανελκυστήρας. Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να μειώσουμε τις εκπομπές άνθρακα από την παραγωγή τσιμέντου κατά 20% και να φτιάξουμε φθηνότερες, πιο ισχυρές μπαταρίες EV χρησιμοποιώντας γραφένιο; Αρχίζει τελικά το γραφένιο να εκπληρώνει την υπόσχεσή του;

Το γραφένιο είναι ένα εξαγωνικό δίκτυο κηρήθρας που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα. Είναι μια φυσική μορφή άνθρακα με μήκος μοριακού δεσμού 0,142 νανόμετρα και κάθε άτομο συνδέεται με τρία άλλα γύρω του με πολύ στενούς δεσμούς. Το γραφένιο είναι ουσιαστικά απλώς δισδιάστατο και αν στοιβάζουμε πολλά στρώματα το ένα πάνω στο άλλο, μπορούμε να το μετατρέψουμε σε γραφίτη.

Το «θαυματουργό υλικό», όπως αποκαλείται συχνά το γραφένιο, είναι ένα από τα λεπτότερα υλικά που γνωρίζουμε και η ελαφρύτερη ένωση που έχει ανακαλυφθεί ποτέ (με βάρος περίπου 0,77 mg/m²). Το γραφένιο είναι επίσης μία από τις ισχυρότερες ενώσεις (μεταξύ 100-300 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα), καθώς και ένας από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας και ηλεκτρισμού σε θερμοκρασία δωματίου (έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα 70% υψηλότερη από τον χαλκό). Μπορείτε να δείτε γιατί τόσοι πολλοί άνθρωποι το χαιρέτησαν ως την επόμενη τεχνολογική επανάσταση.

Η έρευνα για το γραφένιο ξεκίνησε το 1947 από τον φυσικό Philip R. Wallace, αλλά ανακαλύφθηκε μόνο από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, το 2004 από τους Geim και Novoselov. Χρησιμοποίησαν κολλητική ταινία για να ξεφλουδίσουν τις νιφάδες από ένα κομμάτι γραφίτη, διαχωρίζοντας τα στρώματα μέχρι να αποκτήσουν πάχος μόνο ενός ατόμου. Η ανακάλυψη ήταν τόσο επαναστατική που τους απονεμήθηκε το Νόμπελ το 2010.

Αν και έχει όλα τα χαρακτηριστικά για να είναι ένα εξαιρετικό υλικό θεωρητικά, η κατασκευή γραφενίου χωρίς ελαττώματα είναι συνήθως πολύ ακριβή. Η τιμή του μπορεί να ποικίλλει πολύ ανάλογα με τις συνθήκες κατασκευής και οι μέθοδοι μαζικής παραγωγής αυτού του υλικού δεν ήταν οικονομικές. Αυτό είναι κάτι που συμβαίνει συχνά με τις εργαστηριακές ανακαλύψεις. Η κυκλοφορία του στην αγορά και η παραγωγή του φθηνά και σε μεγάλη κλίμακα μπορεί να είναι εξαιρετικά δύσκολη.

Αν και οι καλύτερες φυσικές ιδιότητες του γραφενίου μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποφλοίωσης που προτείνουν οι Geim και Novoselov, δεν είναι ο πιο αποτελεσματικός και βιώσιμος τρόπος για την παραγωγή τόνων γραφενίου. Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) είναι μία από τις κύριες διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γραφενίου. Αυτή η διαδικασία αποτελείται από τη σύνθεση γραφενίου σε ένα υπόστρωμα, συνήθως ένα φύλλο χαλκού, αλλά εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση η παραγωγή μακριών φύλλων αυτού του υλικού σε κλίμακα.

Ωστόσο, ένα παράδειγμα μιας συνεργασίας που προσπαθεί να ξεπεράσει αυτό το όριο είναι η κοινοπραξία που δημιουργήθηκε μεταξύ της κινεζικής εταιρείας Hangzhou Cable Co και του Πανεπιστημίου της Νέας Νότιας Ουαλίας, που προσπαθεί να κατασκευάσει καλώδια τροφοδοσίας γραφενίου. Τα καλώδια θα μπορούσαν να μειώσουν τη διαρροή ηλεκτρικής ενέργειας, μειώνοντας το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας και τις εκπομπές άνθρακα, βελτιώνοντας παράλληλα την ποιότητα της μετάδοσης του δικτύου. Η τεχνολογία που αναπτύχθηκε από το πανεπιστήμιο θα μπορούσε, θεωρητικά, να εξοικονομήσει περίπου 275 TWh. Αν και αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον, δεν έχει φύγει ακόμα από το εργαστήριο.

Επειδή το γραφένιο είναι ισχυρό, ελαφρύ και εξαιρετικός αγωγός θερμότητας, μπορεί να είναι ένα εξαιρετικό υλικό για την παραγωγή ψυκτών θερμότητας ή φιλμ απαγωγής θερμότητας. Τα τελευταία smartphone της Huawei, για παράδειγμα, έχουν υιοθετήσει θερμικές μεμβράνες με βάση το γραφένιο και η βρετανική εταιρεία Graphene Lighting παράγει φώτα LED χρησιμοποιώντας γραφένιο ως λύση θερμικής διάχυσης.

Εν τω μεταξύ, η αυστραλιανή εταιρεία First Graphene κοιτάζει τη βιομηχανία τσιμέντου και σκυροδέματος. Το τσιμέντο είναι υπεύθυνο για το 8-10% των εκπομπών CO2, γεγονός που εξηγεί γιατί ήταν στόχος μείωσης του CO2 στο COP26. Σαράντα από τις μεγαλύτερες εταιρείες τσιμέντου και σκυροδέματος στον κόσμο συγκεντρώθηκαν για να επιταχύνουν τη μετάβαση σε πιο πράσινο σκυρόδεμα, δεσμευόμενοι να μειώσουν τις εκπομπές CO2 κατά 25% έως το 2030.

Το κλίνκερ χρησιμοποιείται ως συνδετικό για το τσιμέντο. Σε αυτή τη διαδικασία, χρησιμοποιούνται τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας για κάθε τόνο κλίνκερ που παράγεται, περίπου 800-900 kg CO2 ανά τόνο. Το First Graphene αντιμετωπίζει το τελικό στάδιο λείανσης, όπου το γραφένιο μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας λείανσης τσιμέντου. Το γραφένιο μειώνει τις επιφανειακές ενεργειακές δυνάμεις που προκαλούν συσσωμάτωση ή συσσώρευση φρέσκων σπασμένων σωματιδίων τσιμέντου.

Για να γίνει αυτό, παράγουν γραφένιο από ηλεκτροχημική απολέπιση, στην οποία το γραφένιο λαμβάνεται από γραφίτη όταν εφαρμόζεται τάση σε αυτό. Αντί να χρησιμοποιείτε ταινία για να αφαιρέσετε στρώματα γραφενίου, χρησιμοποιείτε ηλεκτρισμό για να αφαιρέσετε στρώματα γραφενίου. Βασικά, εξαλείφει τα στρώματα γραφενίου ένα κάθε φορά. Μπορούν να παράγουν αιμοπετάλια γραφενίου με μεγέθη μεταξύ 5 και 70 microns, τα οποία στη συνέχεια μπορούν εύκολα να διασκορπιστούν σε υλικά… όπως το σκυρόδεμα.

Προσθέτοντας μόνο μια μικρή ποσότητα του προϊόντος γραφενίου, το PureGRAPH® AQUA (μόλις 0,01% του συνολικού μίγματος σκυροδέματος) στο σκυρόδεμα βελτιώνει την αντοχή σε εφελκυσμό και θλίψη, ενώ παράλληλα μειώνει το βάρος και την πιθανότητα ρωγμών. Στη συνομιλία μου με την εταιρεία εξήγησαν πώς συμβαίνουν αυτές οι βελτιώσεις:

«…Το γραφένιο είναι οπλισμός νανοκλίμακας – σαν μια ράβδος ενίσχυσης από χάλυβα, αλλά σε ατομικό επίπεδο. Το γραφένιο μπορεί να διαπεράσει τη γέλη του τσιμέντου και να αποτρέψει την ανάπτυξη ρωγμών νανοκλίμακας…» -First Graphene

Σύμφωνα με μια μελέτη περίπτωσης που πραγματοποιήθηκε από την εταιρεία, όταν δοκιμάζεται σύμφωνα με τις διεθνείς πρότυπες μεθόδους, το PureGRAPH αυξάνει τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος κατά 34% και την αντοχή σε εφελκυσμό κατά 27%. Επιπλέον, παρατείνει την ωφέλιμη ζωή των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, καθώς αποτρέπει τη διάβρωση και επίσης μειώνει το κλίνκερ κατά 20%. Εδώ παίζει ρόλο η μείωση του CO2, λόγω του τρόπου με τον οποίο βοηθά με το κλίνκερ. Οι εκπομπές CO2 μπορούν να μειωθούν κατά 18%-20%. Ας ελπίσουμε ότι, καθώς ο χρόνος ωριμάζει τις εμπορικές εφαρμογές αυτού του μηχανικού θαύματος, θα δούμε μια σημαντική αλλαγή προς το καλύτερο.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *