گرافن پتانسیل عظیمی برای حضور داشتن به عنوان یک ماده بسیار پایدار را دارد و میتواند بهبود پایداری صنایع مختلف کمک کند. در سالهای اخیر، آشکار شدهاست که میتوان گرافن را با مواد مختلف تلفیق کرد تا آنها با محیطزیست سازگارتر شوند. با این حال، روشهای سبز تولید گرافن نیز در دسترس هستند. در حالی که گرافن پتانسیل زیادی دارد و موجب شدهاست تا ویژگیهای بسیاری از مواد مورد استفاده فعلی بهبود یابد، برخی از صنایع در استفاده از آن کند عمل کردهاند. مزیت پایداری اضافهشده که گرافن میتواند در بخشهای مختلف صنعت ایجاد کند، میتواند به گرافن کمک کند که به راحتی و به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد.
این مقاله، بررسی میکند که چگونه گرافن میتواند مواد پایدارتری ایجاد کند و چگونه شرکتها، در حال توسعه روشهایی هستند که میتوانند گرافن را به روشی سبز و پایدار تولید کنند.
ایجاد مواد پایدار
تلفیق مستقیم گرافن در مواد مختلف، پتانسیل پایداری گرافن را برجسته میسازد. هنگامی که به عنوان یک افزودنی مورد استفاده قرار میگیرد، ویژگیهای فیزیکی مختلف گرافن باعث میشود مقدار مواد کاربردی کاهش یابد. این بدان دلیل است که بهکارگیری گرافن، ویژگیهای فیزیکی ماده میزبان را افزایش میدهد، بنابراین برای انجام عملکرد مشابه به مواد کمتری نیاز است. این امر باعث ایجاد یک ماده پایدارتر میشود، زیرا مقدار کمتری از آن استفاده میشود، بنابراین آلایندگی کربن مورد نیاز برای تولید و تلفیق مواد در کاربرد مورد نظر کمتر خواهد بود.
یک مثال کلیدی در این زمینه، سیمان و بتن است. سیمان به بتن اضافه میشود تا مواد را کنار هم نگه دارد، اما میتوان گرافن را به سیمان (و بتن) اضافه کرد تا مقدار کلی مواد مورد نیاز برای انجام همان عملکردهای ساختاری کاهش یابد.
بتن مسئول حدود ۸ درصد از انتشار CO2 در جهان است. با این حال، افزودن تقریباً ۰.۰۳ درصد وزنی (wt%) گرافن به بتن، آلایندگی کربن را بین 25 تا 33 درصد و انتشار جهانی کربن را به میزان 2 درصد کاهش میدهد. چندین شرکت گرافن در سراسر جهان در حال فعالیت بر روی سیمان و بتن تقویت شده با گرافن هستند.
گرافن همچنین میتواند به آسفالت اضافه شود تا مقدار مواد مورد نیاز در حین تولید را کاهش دهند. علاوه بر این، ویژگیهای فیزیکی بهبود یافته آسفالت به این معنی است که در برابر سایش مقاومت بیشتری دارد. آسفالت تقویتشده با گرافن نه تنها به مواد کمتری نیاز دارد، بلکه نیاز به جایگزینی کمتری نیز دارد، بنابراین آلایندگی کربن در سراسر جهان را به میزان زیادی بهبود میبخشد. این کار بر روی جادهها کارآزمایی شدهاست و احتمالاً به مکانهای بیشتری گسترش پیدا خواهد کرد.
پلاستیک حوزه دیگری است که با استفاده از گرافن میتواند پایدارتر شود. بازیافت برای استفاده دوباره پلاستیکها در سراسر جهان انجام میشود، اما گاهی اوقات مشکلات قابل توجهی وجود دارد؛ چرا که پلاستیکهای بازیافتی ویژگیهای مکانیکی بدتری نسبت به پلاستیک اصلی دارند که این امر استفاده از آنها را محدود میکند.
تعدادی از شرکتها (مانند محصولات TLC) گرافن را با پلاستیکهای مختلف تلفیق میکنند تا کامپوزیتهایی با ویژگیهای مکانیکی بسیار قوی ایجاد کنند. استفاده از گرافن در این حوزه با ایجاد پلاستیکهای با دوامتر (بدون افزایش قابل توجه هزینه) میتواند پایداری صنعت پلاستیک را بهبود بخشد، بنابراین در مقایسه با وضعیت کنونی پلاستیکهای کمتری به محل دفن زباله (و اقیانوسها و اکو سیستمهای محلی) وارد میشود.
فرآیندهای پایدار تولید گرافن
علاوه بر تولید سایر مواد پایدار، از برخی فرآیندهای بسیار سبز میتوان برای تولید گرافن استفاده کرد. روش اول به یکی از معضلات ذکر شده در زمینه پلاستیکهای محیط پیرامون ارتباط دارد. اولین روش، فرآیند «فلش گرافن» است که توسط جیمز تور ایجاد شده و به وسیله شرکت یونیورسال متر (Universal Matter) تجارتی شدهاست. این روش همه پسماندهای آلی چه پلاستیکها، چه پسماند خانگی و یا سایر مواد مبتنی بر کربن را شامل میشود و آنها را به گرافن عاری از آلودگی تبدیل میکند.
در «روش فلاش» که به عنوان «حرارت ژول فلش (FJH)» شناخته میشود، از یک پالس ولتاژ بالا برای بالا بردن دمای مواد استفاده میشود که همه چیز غیر از کربن را تصعید میکند. سپس کربن اضافی به طور طبیعی صفحات گرافن را تشکیل میدهد. این روش ضمن تولید مقدار زیادی گرافن، پتانسیل بسیاری برای کاهش قابل توجه پسماندهای خانگی فراهم میکند (زیرا این فرآیند بسیار مقیاسپذیر است).
این گرافن میتواند در برخی از مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد که موجب فرآیند بسیار سبزی میشود که پسماندهای روزمره را به محصولات نهایی پایدار تبدیل میکند (و سپس احتمالاً زمانی که محصول فرسوده شد، دوباره به گرافن تبدیل میشود و فرآیند چرخهای ایجاد میکند).
گرافنسیآر (GCR; GrapheneCR) نیز گرافن را از بیوچار (biochar) به وجود میآورد و میزان آلایندگی کربن این فرآیند بخودی خود منفی است. استفاده از بیوچار به جای مواد دیگر (مانند گرافیت) به این معنی است که این فرآیند در طولانیمدت بسیار پایدارتر است؛ چون نیازی به استخراج و اثرات زیستمحیطی که به همراه میآورد نیست.
استفاده از بیوچار برای ایجاد گرافن همچنین مقادیر زیادی آب تولید میکند که میتواند در سایر محصولات مورد استفاده قرار گیرد. محصولات جانبی بیوچار که به گرافن تبدیل نمیشوند، میتوانند در محیطهای کشاورزی مورد استفاده قرار گیرند و دوباره به زمین منتقل شوند.
تقریباً همه چیز در فرآیند GCR، از انرژی سبزی که برای تأمین برق مورد استفاده قرار میگیرد، استفاده از مواد بیوچار، محصولات جانبی که به زمین برمیگردند، تا استفاده نهایی از گرافن در محصولات سبزتر، یک فرآیند تقریباً چرخهای را ایجاد کردهاست.
آینده گرافن پایدار
گرافن پتانسیل بسیاری به عنوان یک ماده پایدار دارد، که شامل روشهای پایدار ساخت گرافن از منابع طبیعی یا پسماند و همچنین بهکارگیری گرافن به منظور کاهش استفاده از مواد (و کاهش اثر کربن این مواد در فرآیند) میشود. بسیاری از مردم تصور میکنند گرافن اغلب در کاربردهایی با فناوری پیشرفته استفاده میشود، اما این کاربردهای بنیادین هستند که میتوانند از گرافن به عنوان افزودنی استفاده کنند و بازار گرافن را به پیش ببرند.
گرافن میتواند به عنوان افزودنی برای بهبود ویژگیهای فیزیکی و خصوصیات سبز مواد مورد استفاده قرار گیرد. این احتمالاً به این معنا خواهد بود که تمرکز بر جنبههای پایدار گرافن به رشد جهانی و نفوذ بازار در جامعهای متمرکز بر رویکرد سبز کمک خواهد کرد.