امکان تبدیل زغال‌سنگ به نانولوله‌کربنی

به گزارش می‌متالز، در دنیایی که هر سال در حال گرم‌تر شدن است، زغال سنگ اغلب می‌تواند «آدم بد داستان» به نظر برسد. اما ما می‌توانیم با زغال سنگ غیر از سوزاندن کار‌های دیگری نیز انجام دهیم. تیمی در دانشگاه اوهایو از سیستم Bridges-۲ مرکز ابر محاسبات پیتسبورگ برای انجام یک سری شبیه‌سازی استفاده کردند تا نشان دهد چگونه زغال‌سنگ ممکن است در نهایت به مواد با ارزش مانند گرافیت و نانولوله‌های کربنی تبدیل شود.

اما چرا این موضوع مهم است؟

این روز‌ها دیدگاه منفی نسبت به زغال سنگ وجود دارد. دانشمندان حوزه آب و هوا افزایش متوسط دمای جهانی بین ۲ تا ۱۰ درجه فارنهایت را تا سال ۲۱۰۰ پیش‌بینی می‌کنند. امکان تغییرات شدید در الگو‌های آب و هوا، رشد محصولات کشاورزی را دچار مشکل کرده و سطح آب دریا‌ها را افزایش می‌دهد که همه این‌ها به دلیل استفاده زیاد ما از سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ است؛ بنابراین باید راهی برای کاهش سوازندن زغال‌سنگ پیدا کرد.

دیوید درابولد، استاد برجسته فیزیک در دانشگاه اوهایو، می‌گوید: «روش این کار این است که این ماده را به ترکیبات دیگر تبدیل کرد. شما نمی‌خواهید آن را بسوزانید. اما آیا می‌توانید از آن مصالح ساختمانی بسازید، موادی با ارزش بالا، مانند گرافیت یا نانولوله‌های کربنی؟»

از نظر تئوری، اگر زغال سنگ را در دمای بالا تحت فشار کافی قرار دهید، می‌توانید آن را به گرافیت تبدیل کنید.

دیوید درابولد و تیمش در دانشگاه اوهایو برای کشف چگونگی تبدیل زغال سنگ به مواد ارزشمندی مانند گرافیت، تصمیم گرفتند این مواد را در نرم افزار‌های کامپیوتری شبیه‌سازی کنند. برای بازسازی مجازی تبدیل شیمیایی، آن‌ها به کامپیوتر تحقیقاتی پیشرفته Bridges-۲ روی آوردند. Bridges-۲ ابررایانه برتر مرکز ابرکامپیوتر پیتسبورگ است که توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی می‌شود.

گرافیت خالص مجموعه‌ای از صفحات است که از حلقه‌های شش کربنی تشکیل شده است. نوع خاصی از پیوند شیمیایی به نام پیوند‌های آروماتیک این کربن‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد.

در پیوند‌های آروماتیک، الکترون‌های پی در بالا و زیر حلقه‌ها شناور هستند. این ابر‌های الکترونی “لغزنده” باعث می‌شوند که ورق‌ها به راحتی از کنار یکدیگر بلغزند.

پیوند‌های آروماتیک دارای مزیت دیگری هستند که در فناوری الکترونیکی مهم است. الکترون‌های پی به راحتی از حلقه‌ای به حلقه دیگر و از صفحه‌ای به صفحه دیگر حرکت می‌کنند. این باعث می‌شود گرافیت رسانای الکتریسیته باشد، حتی اگر فلز نباشد. این ماده، گزینه‌ای ایده‌آل برای آند باتری است.

در مقایسه، زغال سنگ از نظر شیمیایی نامرتب است. برخلاف ماهیت کاملاً دوبعدی یک ورق گرافیتی، دارای اتصالات سه‌بعدی است. همچنین حاوی هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و سایر اتم‌هایی است که ممکن است تشکیل گرافیت را مختل کنند.

برای شروع مطالعات خود، محققان زغال سنگی را در نظر گرفتند که فقط از اتم‌های کربن در موقعیت‌های تصادفی تشکیل شده بود. با قرار دادن این زغال سنگ ساده شده در معرض فشار و دمای بالا، حدود ۳۰۰۰ کلوین یا تقریباً ۵۰۰۰ فارنهایت، آن‌ها می‌توانند اولین گام را در مطالعه تبدیل آن به گرافیت بردارند. چینونسو اوگومادو، دانشجوی دکترای فیزیک در دانشگاه اوهایو در گروه درابولد، می‌گوید: «در مقایسه با سایر سیستم‌هایی که ما داریم، Bridges سریع‌ترین و دقیق‌ترین ابزار است. سیستم‌های خانگی ما حدود دو هفته طول می‌کشد تا ۱۶۰ اتم را شبیه‌سازی کنند. با Bridges، ما می‌توانیم با استفاده از تئوری تابعی چگالی، ۴۰۰ اتم را طی شش تا هفت روز اجرا کنیم.»

در ابتدا، دانشمندان اوهایو شبیه‌سازی‌های خود را با استفاده از اصول اولیه فیزیکی و شیمیایی از طریق نظریه تابعی چگالی انجام دادند. این رویکرد دقیق، اما محاسباتی سنگین به محاسبات موازی زیادی نیاز داشت. در ادامه آن‌ها محاسبات خود را به یک ابزار نرم‌افزاری جدید، GAP (پتانسیل تقریب گاوسی) که توسط پژوهشگران دانشگاه کمبریج و دانشگاه آکسفورد در انگلستان طراحی شده بود، تغییر دادند. GAP از نوعی هوش مصنوعی به نام یادگیری ماشینی استفاده می‌کند تا اساساً همان محاسبات را با سرعت بیشتری انجام دهد. راجندرا تاپا و اوگومادو، دانشجویان فارغ‌التحصیل، کار محاسباتی اولیه را رهبری کردند.

نتایج آن‌ها پیچیده‌تر و ساده‌تر از آن چیزی بود که تیم انتظار داشت. لایه‌ها شکل گرفتند. اما اتم‌های کربن به‌طور کامل حلقه‌های ساده و شش کربنی ایجاد نکردند. کسری از حلقه‌ها دارای پنج کربن بودند. دیگر ورق‌ها هفت کربن داشتند.

حلقه‌های غیر شش کربنی چین و چروک جالبی را به وجود آوردند. در حالی که حلقه‌های شش کربنی مسطح هستند، حلقه‌های کربنی پنج و هفت عضوی به هم می‌ریزند.

در یک سری دیگر از شبیه‌سازی‌ها، شرایط موجود باعث شد که ورق‌ها خم شوند. آن‌ها به جای ورقه‌ها، نانولوله‌های کربنی آمورف تو در تو (CNTs) را تشکیل دادند، مجموعه‌ای از لوله‌های تک لایه اتمی، داخل یکدیگر که به نانولوله‌کربنی شهرت دارد.

منبع: خبرگزاری صدا و سیما