پژوهشگران دانشگاه شهر دوبلین (Dublin City University – DCU) در ایرلند نشان دادهاند که میتوان گرافن را از گرافیت موجود در زبالههای الکترونیکی، با استفاده از ابزارهایی بسیار سادهتر از آنچه تصور میشود، تولید کرد. در این روش، یک مخلوطکن معمولی آشپزخانه، روزنامه باطله و آب لولهکشی نقش اصلی را ایفا میکنند؛ رویکردی که میتواند نگاه تازهای به بازیافت مواد ارزشمند موجود در تجهیزات الکترونیکی و همچنین دسترسیپذیرترشدن پژوهشهای مرتبط با گرافن ایجاد کند.
این پژوهش به سرپرستی کانر بولاند (Conor Boland)، دانشمند حوزه مواد در دانشگاه شهر دوبلین، انجام شده و ادامه مسیر تحقیقاتی این گروه برای تولید گرافن با مواد در دسترس و دورریز است. پژوهشگران پیشتر نیز در پروژهای با عنوان «هومترونیکس» (Hometronics) نشان داده بودند که میتوان با استفاده از مغز مداد، آب لولهکشی، صابون و فیلتر قهوه، گرافن تولید کرد. اما در مطالعه جدید، یک گام مهم دیگر برداشته شده است: اینبار نهتنها فرایند تولید، بلکه ماده اولیه نیز از یک منبع دورریز انتخاب شده است.
نقطه آغاز این پژوهش، گرافیت موجود در پخشکنندههای حرارتی تجهیزات الکترونیکی است. این قطعات در تلفنهای همراه، لپتاپها و برخی دیگر از وسایل الکترونیکی به کار میروند و وظیفه آنها انتقال گرما از اجزای حساس دستگاه و کمک به کنترل دماست. با پایان عمر این تجهیزات، این مواد نیز معمولاً همراه با سایر اجزای دستگاه وارد جریان زبالههای الکترونیکی میشوند.
ابعاد این مسئله جهانی است. بر اساس دادههای مورد اشاره پژوهشگران، در سال ۲۰۲۲ حدود ۶۲ میلیون تن زباله الکترونیکی در جهان تولید شد و تنها ۲۲٫۳ درصد از این حجم، جمعآوری و بازیافت صحیح و ثبتشده داشت. در فرایندهای بازیافت زبالههای الکترونیکی، توجه زیادی به فلزاتی مانند مس، طلا و سایر عناصر ارزشمند معطوف است؛ در حالی که گرافیت موجود در این تجهیزات کمتر مورد توجه قرار میگیرد. این در حالی است که از نظر شیمیایی، گرافیت دورریختهشده تفاوتی با گرافیتی ندارد که میتواند بهعنوان ماده اولیه تولید گرافن به کار رود.
گرافن از لایههایی بسیار نازک از اتمهای کربن تشکیل شده است؛ لایههایی که ضخامت آنها در حد یک اتم است و میتوان آنها را مانند دستهای از ورقهای رویهمقرارگرفته تصور کرد. چالش اصلی برای تولید گرافن از گرافیت، جداکردن این لایهها از یکدیگر است. پژوهشگران دانشگاه شهر دوبلین برای این کار از روش «لایهبرداری در فاز مایع» (Liquid-Phase Exfoliation) استفاده کردند؛ روشی که پیشینه آن به پژوهشهای انجامشده در ایرلند بازمیگردد.
در این فرایند، گرافیت درون یک مایع قرار میگیرد و با واردکردن انرژی، لایههای رویهمقرارگرفته از یکدیگر جدا میشوند. نکته قابلتوجه در پژوهش جدید این است که برای تأمین انرژی لازم، به تجهیزات پیچیده صنعتی یا دستگاههای آزمایشگاهی گرانقیمت نیاز نبود و یک مخلوطکن معمولی آشپزخانه این کار را انجام داد. پس از مخلوطشدن، یک صافی آشپزخانه نیز برای جداکردن ذرات درشت گرافیتی که هنوز لایهبرداری نشده بودند، به کار گرفته شد.
اما جداکردن لایههای گرافن تنها بخشی از مسئله است. زمانی که این لایهها از یکدیگر جدا میشوند، تمایل دارند دوباره روی هم قرار بگیرند و ساختار اولیه گرافیت را شکل دهند. در فرایندهای معمول، پژوهشگران برای جلوگیری از این اتفاق از حلالهای تخصصی یا مواد شیمیایی پایدارکننده استفاده میکنند؛ موادی که میتوانند هزینه و پیچیدگی فرایند را افزایش دهند.
راهحل پژوهشگران اینبار از یک ماده بسیار ساده و در دسترس به دست آمد: روزنامه باطله.
آنها روزنامههای قدیمی را در آب لولهکشی شستوشو داده و نرم کردند و سپس آن را به یک مایع سرشار از الیاف تبدیل کردند. سلولز موجود در روزنامه در این فرایند مانند یک مانع موقت میان ورقههای تازه جداشده گرافن عمل کرد و مانع از آن شد که این ورقهها بهسرعت دوباره روی یکدیگر قرار گیرند.
تفاوت حضور و نبود سلولز بسیار چشمگیر بود. در نمونهای که سلولز روزنامه در آن وجود نداشت، ماده پردازششده تنها چند دقیقه پس از پایان فرایند از آب جدا و تهنشین شد. اما زمانی که سلولز به مخلوط افزوده شد، سوسپانسیون حاصل برای چند ساعت قابل استفاده باقی ماند و حتی با یک تکان ساده میتوانست دوباره در آب پخش شود.
این ویژگی از نظر پژوهشی اهمیت دارد؛ زیرا نشان میدهد میتوان برای حفظ پراکندگی ورقههای گرافنی، بهجای تکیه بر برخی مواد شیمیایی تخصصی، از یک ماده دورریز و کمهزینه مانند کاغذ روزنامه استفاده کرد. در نتیجه، هم ماده اولیه و هم بخشی از مواد مورد نیاز برای فرایند از منابع ساده و در دسترس تأمین میشوند.
بخش مهم دیگری از پژوهش به آزمایش واقعی روی زباله الکترونیکی اختصاص داشت. از آنجا که مقدار گرافیت موجود در یک تلفن همراه معمولی چندان زیاد نیست، بیشتر آزمایشها با یک نمونه تجاری از ماده گرافیتی مورد استفاده در پخشکنندههای حرارتی انجام شد. با این حال، پژوهشگران برای بررسی امکان استفاده از زباله واقعی، یک تلفن همراه دورریختهشده را نیز باز کردند و گرافیت موجود در آن را بازیابی کردند. نتایج نشان داد که گرافیت استخراجشده از این دستگاه نیز میتواند با همین فرایند به ورقههای نازک کربنی تبدیل شود.
البته سادگی فرایند تولید به این معنا نیست که همه مراحل پژوهش را میتوان در آشپزخانه انجام داد. برای اطمینان از اینکه محصول نهایی واقعاً گرافن است و بررسی دقیق ساختار و ویژگیهای آن، پژوهشگران همچنان به تجهیزات پیشرفته مشخصهیابی در دانشگاه شهر دوبلین نیاز داشتند. به بیان دیگر، ساخت ماده میتواند با ابزارهایی ساده انجام شود، اما تأیید علمی و دقیق ویژگیهای محصول همچنان به امکانات تخصصی آزمایشگاهی نیاز دارد.
کانر بولاند درباره این ویژگی پژوهش تأکید کرده است که برای اثبات تولید گرافن، تجهیزات علمی پیشرفته مورد نیاز بود، اما بخش مربوط به ساخت خود ماده میتواند بسیار ساده و دسترسپذیر باشد. همین تفاوت، ایده اصلی پژوهش را شکل میدهد: لازم نیست هر آزمایشگاهی برای آغاز پژوهش در حوزه گرافن به مجموعهای از تجهیزات بسیار گرانقیمت دسترسی داشته باشد.
پژوهشگران تأکید میکنند که هدف این روش، جایگزینکردن آن با خطوط تولید صنعتی گرافن نیست. تولید گرافن در مقیاس صنعتی به فرایندها، تجهیزات و کنترلهای بسیار متفاوتی نیاز دارد. ارزش اصلی این رویکرد در جای دیگری است: کاهش موانع ورود به پژوهشهای گرافنی برای آزمایشگاههایی با بودجه محدود، مراکز آموزشی، مدارس و پروژههای «علم شهروندی» (Citizen Science).
در چنین مدلی، میتوان بخش اولیه تولید ماده را با هزینه بسیار پایین و با استفاده از مواد دورریز در یک محیط آموزشی یا پژوهشی انجام داد و سپس نمونه تولیدشده را برای بررسیهای دقیقتر در اختیار دانشگاهها یا مراکز مجهز قرار داد. این رویکرد علاوه بر کاهش هزینه، میتواند دانشآموزان و پژوهشگران تازهکار را با مفاهیم مهمی مانند بازیافت مواد، علم مواد، نانومواد و اقتصاد چرخشی آشنا کند.
اهمیت دیگر این پژوهش به خود زبالههای الکترونیکی بازمیگردد. تلفنهای همراه، لپتاپها و دیگر تجهیزات الکترونیکی تنها مجموعهای از فلزات ارزشمند نیستند؛ مواد کربنی مانند گرافیت نیز میتوانند بخشی از ارزش پنهان این پسماندها باشند. تبدیل چنین موادی به گرافن، چشماندازی را مطرح میکند که در آن زباله الکترونیکی نه صرفاً یک مشکل زیستمحیطی، بلکه منبعی برای تولید مواد پیشرفته باشد.