مصدر الصورة: statnano.com
هل يمكننا صنع الجرافيت من الفحم؟ يبدأ الباحثون بإيجاد كربون صلب جديد – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي
Can we make graphite from coal? Researchers start by finding new carbon solid
(Ohio University – بواسطة: جامعة اوهايو)
ملخص المقالة:
للجرافيت العديد من الاستخدامات ومن تطبيقاته المزدهرة أنودات بطاريات أيونات الليثيوم، البالغة الأهمية لصناعة السيارات الكهربائية. وقد قدم باحثو جامعة أوهايو دليلاً على مادة صلبة كربونية جديدة أطلقوا عليها اسم “الجرافيت غير المتبلور” المتكون عند درجات حرارة عالية جدا تصل الى 3000 درجة كلفن. وأظهروا من خلال المحاكاة الديناميكية الجزيئية من البداية والتعلم الآلي أن شبكات الكربون النقية لديها ميل طاغ للتحول إلى بنية ذات طبقات في نافذة كثافة ودرجة حرارة كبيرة مع حدوث طبقات حتى بالنسبة لتكوينات البداية العشوائية.
( المقالة )
مع زيادة شهية العالم للمواد القائمة على الكربون مثل الجرافيت، قدم باحثو جامعة أوهايو دليلاً هذا الأسبوع على مادة صلبة كربونية جديدة أطلقوا عليها اسم “الجرافيت غير المتبلور”.
الجرافيت غير المتبلور (الأصفر) الذي تم الحصول عليه بعد المعالجة الحرارية عند درجة حرارة عالية (3000 كلفن) من تكوين أولي عشوائي (رمادي). المصدر: جامعة أوهايو.
وبدأ البروفيسور المتميز والفيزيائي ديفيد درابولد وبروفيسور الهندسة الميكانيكية المهندس جايسون تريميبال بالسؤال: “هل يمكننا صنع الجرافيت من الفحم؟”
“الجرافيت مادة كربونية مهمة لها العديد من الاستخدامات. ومن التطبيقات المزدهرة للجرافيت أنودات البطاريات في بطاريات أيونات الليثيوم، وهو أمر بالغ الأهمية لصناعة السيارات الكهربائية – حيث يحتاج “طراز تيسلا اس” (Tesla Model S) في المتوسط إلى 54 كجم من الجرافيت. ومثل هذه الأقطاب الكهربائية هي الأفضل إذا كانت مصنوعة من مواد كربون نقية، والتي أصبح الحصول عليها أكثر صعوبة بسبب الطلب التكنولوجي المتصاعد، كتبا في ورقتهما العلمية بعنوان “محاكاة من البداية للجرافيت غير المتبلور” (Ab initio simulation of amorphous graphite Ab initio simulation of amorphous graphite) ، التي نُشرت اليوم (10 يونيو 2022) في مجلة “رسائل المراجعة الفيزيائية” (Physical Review Letters).
وتعني كلمة “Ab initio” “من البداية”1 ، ويتبع عملهما مسارات جديدة لأشكال تركيبية من الجرافيت من مادة كربونية تحدث بشكل طبيعي. وما وجداه، مع العديد من الحسابات المختلفة، كان عبارة عن مادة ذات طبقات تتكون عند درجات حرارة عالية جدًا (حوالي 3000 درجة كلفن).
وتبقى طبقاتها معًا بسبب تكوين غاز الإلكترون بين الطبقات، لكنها ليست الطبقات المثالية من السداسيات التي تشكل الجرافين المثالي. وتحتوي هذه المادة الجديدة على الكثير من الأشكال السداسية، ولكنها تحتوي أيضًا على خماسيات وسباعيات. ويقلل اضطراب الحلقة من التوصيل الكهربائي للمادة الجديدة مقارنة بالجرافين، لكن الموصلية لا تزال عالية في المناطق التي يهيمن عليها بشكل كبير السداسيات.
ليس كل السداسيات
“في الكيمياء، تسمى عملية تحويل المواد الكربونية إلى بنية جرافيتية طبقية عن طريق المعالجة الحرارية عند درجة حرارة عالية الجرفتة (graphitization). وفي هذه الرسالة، نظهر من خلال المحاكاة الديناميكية الجزيئية من البداية والتعلم الآلي أن شبكات الكربون النقية لديها ميل طاغ للتحول إلى بنية ذات طبقات في نافذة كثافة ودرجة حرارة كبيرة مع حدوث طبقات حتى بالنسبة لتكوينات البداية العشوائية.
والطبقات المسطحة عبارة عن جرافين غير متبلور: ذرات كربون متناسقة طوبولوجيًا ثلاثية الأبعاد مرتبة في مسطحات بها خماسيات وسداسيات وسباعيات من الكربون”، قال البوفيسور المتميز درابولد، أستاذ الفيزياء والفلك في كلية الآداب والعلوم بجامعة أوهايو.
وأضاف: “نظرًا لأن هذه المرحلة مضطربة طوبولوجيًا، فإن ‘سجل التراص‘ المعتاد للجرافيت يتم احترامه إحصائيًا فقط”. وأضاف: “لوحظت الطبقات بدون تصحيحات ‘فان دير والاس‘ (Van der Waals) لقوى الكثافة الوظيفية تقديرات الكثافة المحلية2 (Local-Density approximations – LDA) ودالة ارتباط التبادل “بيرديو-بورك-ايرنزرهوف”3(Perdew-Burke-Ernzerhof – PBE) ، ونناقش تكوين غاز إلكترون غير محدد في صالات العرض (الفراغات بين المستويات) ونبين أن التماسك بين المستويات يرجع جزئيًا إلى هذا الانخفاض المنخفض. كثافة غاز الإلكترون. تنخفض الموصلية الإلكترونية داخل المستوى بشكل كبير بالنسبة إلى الجرافين.
ويتوقع الباحثون أن يؤدي إعلانهم إلى تحفيز التجارب والدراسات التي تتناول وجود الجرافيت غير المتبلور، والذي قد يكون قابلاً للاختبار من التقشير و / أو المجسات الهيكلية السطحية التجريبية.
ويعمل البروفيسور ترمبلي، أستاذ الهندسة الميكانيكية ومدير معهد الطاقة المستدامة والبيئة في كلية “روس” للهندسة والتكنولوجيا في جامعة أوهايو، جزئيًا على الاستخدامات الخضراء للفحم. وتعاون في البحث هو والبوفيسور درابولد – جنبًا إلى جنب مع طلاب الدكتوراه في الفيزياء راجندرا ثابا، تشينونسو أوجوومادو وكيشور نيبال. والبروفيسور درابولد هو أيضًا جزء من معهد الظواهر النانوية والكمومية في جامعة اوهايو، وقد نشر سلسلة من الأوراق حول نظرية الكربون غير المتبلور والجرافين غير المتبلور. كما أكد على العمل الممتاز لطلاب الدراسات العليا في إجراء هذا البحث.
مصدر الصورة: statnano.com
تماسك مدهش بين المستويات
قال البروفيسور درابولد: “السؤال الذي قادنا إلى هذا هو ما إذا كان بإمكاننا صنع الجرافيت من الفحم. لا تقدم هذه الورقة إجابة كاملة عن هذا السؤال، لكنها تُظهر أن للكربون ميلًا ساحقًا إلى التطبق – مثل الجرافيت، ولكن مع العديد من “العيوب” مثل الخماسيات والسباعيات (حلقات من خمس وسبع ذرات الكربون)، والتي تتلاءم بشكل طبيعي تمامًا في الشبكة. ونقدم دليلًا على وجود الجرافيت غير المتبلور، ونصف عملية تكوينه.
وقد تم الاشتباه من التجارب أن “الجرفتة” تحدث بالقرب من 3000 كلفن، لكن تفاصيل عملية التكوين وطبيعة الاضطراب في المستويات غير معروفة”.
وقد توقع عمل باحثي جامعة أوهايو أيضًا لمرحلة جديدة من الكربون. وقال البروفيسور درابولد: “حتى فعلنا هذا، لم يكن واضحًا على الإطلاق أن طبقات الجرافين غير المتبلور (المستويات بما في ذلك الخماسيات والسباعيات) ستلتصق ببعضها البعض في هيكل متعدد الطبقات. أجد ذلك مفاجئًا للغاية، ومن المحتمل أن يبحث التجريبيون عن هذه الأشياء الآن بعد توقع وجودها”.
وتابع: “الكربون هو عنصر المعجزة – يمكنك صنع الحياة، الماس، الجرافيت، كرات بوكي، الأنابيب النانوية، الجرافين، والآن هذا. وهناك الكثير من الفيزياء الأساسية المثيرة للاهتمام في هذا أيضًا، على سبيل المثال كيف ولماذا ترتبط المستويات، هذا في حد ذاته أمر مثير للدهشة لأسباب فنية”.
