يُكلّف الجرافين عادةً 200,000 ألف دولار للطن. والآن، يستطيع العلماء تصنيعه من النفايات. – بيغ ثينك

تُجسّد التكنولوجيا الحديثة التي طُوّرت في جامعة رايس فكرة أن ما يُعدّ نفايات بالنسبة لشخص ما قد يكون كنزًا بالنسبة لآخر، إلى أقصى حد. فقشور الموز، وبقايا القهوة، والعبوات البلاستيكية ذات الاستخدام الواحد، والفحم - كل هذه المواد وغيرها الكثير - تُحوّل إلى واحدة من أثمن المواد على الإطلاق: الجرافين. وقد طوّر الكيميائي جيمس تور وفريقه عملية سريعة قادرة على تحويل كميات هائلة من النفايات إلى رقائق من الجرافين.

قال تور في جامعة رايس: "هذا أمرٌ بالغ الأهمية". خبر صحفى"يتخلص العالم من 30% إلى 40% من إجمالي الطعام بسبب تلفه، وتُعدّ النفايات البلاستيكية مصدر قلق عالمي. لقد أثبتنا بالفعل إمكانية تحويل أي مادة صلبة قائمة على الكربون، بما في ذلك النفايات البلاستيكية المختلطة وإطارات السيارات المطاطية، إلى غرافين."

رسم توضيحي للجرافين.المصدر: ماكس بيكسل / المجال العام

تكمن قيمة الجرافين بشكل أساسي في قوته الهائلة وتعدد استخداماته الصناعية. تتكون هذه المادة من طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض بست روابط كيميائية، مما يُشكل شبكة تشبه شبكة سلك الدجاج.

لا تقتصر فوائد الجرافين على التجارب العلمية فحسب، بفضل تفاعليته العالية وقوته، بل يمكن إضافته إلى مختلف المواد الأخرى لتعزيز قوتها أو تخفيف وزنها، كالخرسانة والمعادن. وهو من أكثر المواد توصيلًا للحرارة، ما يجعله ذا قيمة كبيرة في استخدامه كمشتت حراري، على سبيل المثال، في مصابيح LED أو الهواتف الذكية. كما يمكن استخدامه في تقنيات البطاريات، والدهانات، وأجهزة الاستشعار، وغيرها الكثير - فعدد تطبيقاته يفوق الوصف في هذه المقالة.

على الرغم من فوائده الكبيرة، لم يدخل الجرافين بعدُ في حياتنا اليومية. ويعود جزء من السبب إلى تكلفته الباهظة. فإنتاج الجرافين بكميات كبيرة أمرٌ صعب، إذ يقول تور: "يتراوح سعر الجرافين التجاري حاليًا بين 67,000 و200,000 دولار للطن". وتشمل التقنيات الشائعة التقشير، حيث تُفصل طبقات الجرافين عن الجرافيت، أو الترسيب الكيميائي للبخار، حيث يُبخر غاز الميثان (CH4) بوجود ركيزة نحاسية تلتقط ذرات الكربون في الميثان، مُرتبةً إياها على شكل جرافين.

التقنية الجديدة، التي تسمى فلاش جول للتدفئةهذه الطريقة أبسط بكثير وأرخص، ولا تعتمد على أي مذيبات خطرة أو إضافات كيميائية. ببساطة، يتم تعريض مادة كربونية لحرارة 2,760 درجة مئوية (5,000 درجة فهرنهايت) لمدة 10 مللي ثانية فقط. يؤدي ذلك إلى كسر جميع الروابط الكيميائية في المادة. تتحول جميع الذرات باستثناء الكربون إلى غاز، والذي يتسرب في هذا الجهاز التجريبي، ولكن يمكن جمعه في التطبيقات الصناعية. أما الكربون، فيعيد تجميع نفسه على شكل رقائق من الجرافين.

علاوة على ذلك، تُنتج هذه التقنية ما يُعرف بالجرافين التوربوستاتيكي. بينما تُنتج عمليات أخرى ما يُعرف بالجرافين المكدس AB، حيث يقع نصف ذرات إحدى طبقات الجرافين فوق ذرات طبقة أخرى. ينتج عن ذلك رابطة أقوى بين الطبقتين، مما يجعل فصلهما أكثر صعوبة. أما الجرافين التوربوستاتيكي فلا يوجد فيه هذا الترتيب بين الطبقات، لذا يسهل فصلها عن بعضها.

يُعدّ استخدام رقائق الجرافين كمكوّن في الخرسانة الاستخدامَ الأبرز لما أطلق عليه الباحثون اسم "الجرافين الوميضي". يقول تور: "بتقوية الخرسانة بالجرافين، يُمكننا استخدام كميات أقل منها في البناء، ما يُقلّل من تكلفة تصنيعها ونقلها. في جوهر الأمر، نحن نحتجز غازات الدفيئة، مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان، التي كانت ستُطلقها نفايات الطعام في مكبات النفايات. نُحوّل هذه الكربونات إلى جرافين، ثم نضيفه إلى الخرسانة، ما يُقلّل من كمية ثاني أكسيد الكربون المُتولّدة في صناعة الخرسانة. إنه وضع بيئي مُربح للجميع باستخدام الجرافين."

يُعدّ الخرسانة أحد التطبيقات الرئيسية لهذه المادة، وهو تطبيقٌ مُجدٍ اقتصاديًا وبيئيًا، ولكن توجد تطبيقات أخرى كثيرة أيضًا. ومع نضوج هذه الطريقة وغيرها من طرق إنتاج الجرافين بكميات كبيرة، يُمكننا أن نأمل في مستقبلٍ تتميّز فيه المواد والتقنيات بمزيدٍ من القوة، وخفة الوزن، والتطور، وانخفاض الأثر البيئي.