طفرة في الإنتاج الصناعي للأنابيب النانوية

تمت مشاركة هذا الاكتشاف من قبل فريق من جامعة رايس وفريق من الباحثين في التخنيون

كشف علماء جامعة رايس عن طريقة للإنتاج الصناعي لألياف أنابيب الكربون النانوية النقية، وهي طريقة يمكن أن تؤدي إلى تقدم ثوري في علوم المواد، وتوزيع الطاقة، والإلكترونيات النانوية. وتعد هذه الطريقة نتيجة ناجحة لأبحاث استمرت تسع سنوات واستندت إلى عمليات استخدمتها شركات الكيماويات لعقود من الزمن في إنتاج المواد البلاستيكية. ونُشر البحث في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.

ويقول ماتيو باسكوالي، أستاذ الكيمياء والهندسة الجزيئية الحيوية: "إن صناعة البلاستيك تبلغ قيمتها 300 مليار دولار في الولايات المتحدة وحدها، وذلك بفضل الإنتاجية العالية لطرق معالجة السوائل المستخدمة فيها".

"إن الأسباب التي تجعل محلات البقالة تستخدم الأكياس البلاستيكية بدلاً من الأكياس الورقية ولماذا تكون القمصان المصنوعة من البوليستر أرخص من القمصان القطنية تكمن في حقيقة أن البوليمرات يمكن صهرها أو إذابتها وأنه يمكن معالجتها كسوائل. إن معالجة الأنابيب النانوية كسوائل تعزز إمكانية استخدام طرق المعالجة السائلة التي تم تطويرها بالفعل في الماضي للبوليمرات."

وتعتمد العملية الجديدة على اكتشاف نفس الجامعة عام 2003 الذي جعل من الممكن إذابة كميات كبيرة من الأنابيب النانوية النقية في مذيبات شديدة الحموضة مثل حمض الكبريتيك. ووجد فريق البحث أن الأنابيب النانوية الموجودة في هذه المذيبات ترتب نفسها، على غرار معكرونة السباغيتي في عبواتها، لتشكل بلورات سائلة قابلة للمعالجة إلى ألياف مفردة رفيعة بحجم شعرة الإنسان.

"من هذا البحث تم تطوير عملية صناعية مناسبة للأنابيب النانوية تتوافق مع الطرق المستخدمة اليوم لصنع الكيفلار (Kevlar، اسم تجاري لألياف الأراميد القوية والمقاومة المستخدمة في إنتاج الملابس الواقية، والسترات الواقية، والملابس الواقية، وقال أحد الباحثين: "الإطارات والألياف الضوئية وغيرها) من البوليمرات الشبيهة بالقضبان، باستثناء أن الحمض ليس مذيباً حقيقياً".

"يُظهر بحثنا الحالي أن لدينا مذيبًا حقيقيًا للأنابيب النانوية - حمض الكلوروسلفوريك - وهو الهدف الذي حددناه لأنفسنا عندما بدأنا هذا المشروع قبل تسع سنوات." كاستمرار مباشر للاختراق الذي تم تحقيقه في عام 2003 باستخدام المذيبات الحمضية، بدأ الفريق في إجراء فحص منهجي لكيفية تصرف الأنابيب النانوية في أنواع وتركيزات مختلفة من الأحماض. من خلال فحص سلوك الأنابيب النانوية في الأحماض ومقارنتها بمعرفة الأدبيات حول البوليمرات والغرويات الشبيهة بالقضبان، طور الفريق الأدوات النظرية والعملية التي ستحتاجها الشركات الكيميائية للمعالجة الصناعية للأنابيب النانوية.

يوضح الباحث الرئيسي: "قام ياشي تالمون وزملاؤه من التخنيون بالخطوة الحاسمة المطلوبة لتقديم دليل مباشر على أن الأنابيب النانوية تذوب بشكل مستقل في حمض الكلوروسلفوريك". "ولتحقيق هذه الغاية، طُلب منهم تطوير أساليب تجريبية متطورة لمراقبة الحلول المجمدة بسرعة بشكل مباشر."

يوضح تالمون: "كان البحث صعبًا للغاية. لم يكن على المجموعة البحثية للعالم ماتيو أن تكون رائدة في الأساليب التجريبية المبتكرة لتحقيق هذا الهدف فحسب، بل كان عليها أيضًا إجراء توسع كبير في النظريات الكلاسيكية المستخدمة في حلول القضبان".

كان على فريق التخنيون تطوير طريقة بحث علمي مبتكرة تسمح لنا بالحصول على صور عالية الدقة للأنابيب النانوية المنتشرة في حمض الكلوروسلفوريك، وهو سائل شديد التآكل، باستخدام مجهر إلكتروني متقدم في درجات حرارة مبردة."

القليل من الاختراقات التكنولوجية ولدت نفس القدر من الحماس الذي أحدثته أنابيب الكربون النانوية. منذ اكتشافها في عام 1991، تم الترويج لأنابيب الكربون النانوية كعلاج للسرطان كحل لأزمة الطاقة العالمية. ويصبح هذا الحماس أكثر إدهاشًا إذا تذكرنا أن العمل باستخدام الأنابيب النانوية أمر معقد للغاية وأن الكيميائيين في جميع أنحاء العالم ناضلوا لسنوات لتصنيعها.

لماذا يوجد الحماس؟ بسيطة وفي صميم الموضوع - أنابيب نانوية كربونية غير عادية. على الرغم من أن لها نفس الأحجام والأشكال مثل العديد من البوليمرات الشبيهة بالقضبان، إلا أن أنابيب الكربون النانوية قادرة على توصيل الكهرباء بشكل مشابه للنحاس، ويمكن أن تظهر كمعادن وأشباه موصلات. ويمكن دمجها مع الأجسام المضادة لتشخيص الأمراض أو تسخينها باستخدام موجات الراديو حتى تتمكن من القضاء على الخلايا السرطانية بطريقة مستهدفة. يتم استخدامها لجعل الترانزستورات أصغر بكثير من تلك المتوفرة اليوم في الرقائق الدقيقة. تزن حوالي سدس وزن الفولاذ ولكنها قادرة على أن تكون أقوى منه بمئة مرة.

يوضح أحد الباحثين: "إن ألياف الكيفلار، وهي ألياف البوليمر المستخدمة في السترات الواقية اليوم، أقوى بعشر مرات من أقوى ألياف الأنابيب النانوية لدينا، ولكننا في الأساس قادرون على جعل أنابيبنا النانوية أقوى بمائة مرة". "إذا تمكنا من تلبية عشرين بالمائة فقط من طاقتنا، فسنحصل على مادة مذهلة، وربما الأقوى على الإطلاق. ويضيف: "اليوم بالفعل، أصبحت الموصلية الكهربائية للأنابيب النانوية جيدة جدًا". "إنها تشبه الموصلية الموجودة في ألياف الكربون الأكثر موصلية المتاحة اليوم، ويمكن أن تكون أعلى بمائتي مرة إذا تمكنا من تطوير طرق تصنيع أفضل للأنابيب النانوية المعدنية."

ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى تحقيق إنجاز نهائي قبل تحقيق الإمكانات الحقيقية لأنابيب الكربون النانوية عالية الجودة. وذلك لأنه باستخدام الطرق الحالية يتم الحصول على خليط من الأنابيب النانوية ذات القطر والطول والبنية الجزيئية المختلفة. ويكافح العلماء في جميع أنحاء العالم لإيجاد عملية تنتج نوعًا واحدًا فقط من الأنابيب النانوية بكميات كبيرة، على غرار نظيراتها المعدنية الموصلة.

يوضح الباحث: "إن إحدى مزايا عمليتنا هي أنه إذا حصلنا على جرام واحد من الأنابيب النانوية المعدنية النظيفة، فيمكننا تحويله إلى جرام واحد من الألياف في غضون أيام قليلة".

الأخبار من جامعة رايس