by Chamalki Madhusha

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləriBio-məhsullu azotla zənginləşdirilmiş qrafen nanotsitoplastlarının həlledicisiz mexaniki-kimyəvi sintezi, yüksək elektrik keçiriciliyi ilə təkmilləşdirilmiş dispersiyanı birləşdirərək davamlı inkişaf etmiş materiallar üçün. Müəllif: Şəkil Madhusha və digərlərindən götürülmüşdür, ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2025).

Qrafen tez-tez möcüzəvi bir material kimi təsvir olunur. O, möhkəm, elektrik keçirici, istilik baxımından səmərəli və olduqca çox yönlüdür. Lakin on ildən çoxdur ki, davam edən həyəcana baxmayaraq, bir çox qrafen əsaslı texnologiyalar hələ də laboratoriyadan kənara çıxmaqda çətinlik çəkir.

Əsas çətinliklərdən biri qrafenin adi həlledicilərdə asanlıqla həll olmamasıdır və bu da tədqiqatçıları onu istifadəyə yararlı hala gətirmək üçün sərt, çoxmərhələli funksionallaşdırma/modifikasiya proseslərinə etibar etməyə məcbur edir.

Yaşıl kimya və nanomaterialların kəsişməsində çalışan bir tədqiqatçı olaraq, tez-tez özümə sadə bir sual verirəm: Ətraf mühitə baha başa gələn proseslərə etibar etmədən qabaqcıl materiallar dizayn edə bilərikmi?

ACS Sustainable Chemistry & Engineering jurnalında dərc olunmuş bu yaxınlarda apardığımız araşdırmada , həmkarlarımla birlikdə azotla zənginləşdirilmiş qrafen nanotsitoplastlarının həlledicisiz, bio-mənşəli mexanokimyəvi yanaşma ilə necə istehsal oluna biləcəyini araşdırdıq və bu da funksionallaşdırılmış qrafen materialları üçün daha dayanıqlı bir yol təqdim etdi.

Qrafenin funksionallaşdırılması niyə problemdir

Təmiz qrafen artıq təsirli xüsusiyyətlərə malikdir, lakin ağıllı örtüklər, öz-özünə bərpa olunan polimerlər və keçirici kompozitlər kimi bir çox qabaqcıl tətbiqlər daha yaxşı dispersiya əldə etmək üçün qrafenin kimyəvi cəhətdən modifikasiya edilməsini tələb edir. Məşhur strategiyalardan biri qrafenin elektron quruluşunu dəyişdirən və həlledicilər/polimer matrisləri ilə qarşılıqlı təsirini yaxşılaşdıran azot aşqarlanmasıdır.

Lakin, ənənəvi azotla dopinqləmə üsulları çox vaxt ciddi çatışmazlıqlarla müşayiət olunur. Onlar aşağıdakılara əsaslana bilər:

• Zəhərli azot prekursorları
• Turşu ilə yuyulma ilə əlaqəli sərt təmizləmə addımları
• Yüksək temperaturda tavlama sonrası mərhələlər (çox vaxt 600 °C-dən yuxarı)
• Əhəmiyyətli kimyəvi tullantılar yaradan çoxmərhələli proseslər

Bu yanaşmalar yüksək keyfiyyətli materiallar istehsal edə bilsə də, onların ətraf mühitə təsirini əsaslandırmaq çətindir, xüsusən də davamlılıq material istehsalında getdikcə daha çox prioritetə ​​çevrildikdə.

Həlledicisiz alternativ: Mexanokimya

İşimizdə kimyəvi reaksiyaları hərəkətə gətirmək üçün mexaniki qüvvələrdən (kəsişmə, zərbə, sürtünmə) istifadə edən bir texnika olan mexanokimyaya müraciət etdik. Mexanokimya yaşıl kimyada diqqət çəkib, çünki o, həllediciləri aradan qaldıra, enerji tələbatını azalda və emalı və miqyasını artırmağı sadələşdirə bilir.

Toplu freze prosesindən istifadə edərək, ətraf mühit şəraitində qrafiti birbaşa bio-mənbəli azot mənbəyi (amin turşuları) ilə funksionallaşdırdıq. Materialları sobalarda qızdırmaq və ya həlledicilərdə geri qaytarmaq əvəzinə, mexaniki qüvvələrin birbaşa bərk vəziyyətdə rabitələri qırmasına və yenidən formalaşmasına imkan verdik.

Nəticədə, həlledicilər/toksik reagentlər və nəzarət edilən atmosfer olmadan azotla aşqarlanmış qrafen nanotrombositləri (N-GNP) əldə edildi. Əhəmiyyətli olan odur ki, nəticədə yaranan N-GNP-lər yüksək elektrik keçiriciliyi ilə yaxşı dispersiyanı birləşdirərək qrafen emalındakı iki əsas problemi eyni vaxtda həll etdi.

Yalnız performansı deyil, davamlılığı ölçmək

Prosesin nə dərəcədə ekoloji cəhətdən təmiz olduğunu qiymətləndirmək üçün yalnız materialın nə edə biləcəyini deyil, həm də necə hazırlandığını araşdırdıq. Buraya həm keyfiyyət, o cümlədən yaşıl kimya prinsipləri, həm də tullantıların əmələ gəlməsi (E-amil) və ümumi enerji tələbatı da daxil olmaqla kəmiyyət göstəriciləri daxil idi.

Proses yüksək material məhsuldarlığına (təxminən 80%) nail oldu ki, bu da bərk cisim sintezi yolu ilə fərqlənir. Daha da əhəmiyyətlisi, metod, bir çox yayılmış qrafen funksionallaşdırma strategiyaları ilə müqayisədə məhsul vahidi başına nə qədər tullantı əmələ gəldiyini ölçən standart yaşıl kimya metrikası olan E-faktorunun əhəmiyyətli dərəcədə aşağı olduğunu göstərdi.

Həlledicilərin və tavlama sonrası mərhələlərin çıxarılması ilə ümumi enerji istehlakı da azaldılmışdır. Bu amillər ümumilikdə proses dizayn seçimlərinin, son məhsul oxşar görünsə belə, qabaqcıl materialların dayanıqlığına necə güclü təsir göstərə biləcəyini nümayiş etdirir.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Azotla zənginləşdirilmiş qrafeni xüsusi edən nədir?

Azot atomları qrafen qəfəsinə bir neçə konfiqurasiyada inteqrasiya oluna bilər və elektronların materialdan necə keçdiyini incə şəkildə dəyişdirə bilər. Bu, elektrik keçiriciliyini artıra, kimyəvi reaktivliyi yaxşılaşdıra və ətrafdakı polimerlərlə qarşılıqlı təsirləri gücləndirə bilər.

Tədqiqatımızda, N-GNP-lər azotun daxil edilməsindən funksional faydalar əldə edərkən yüksək struktur keyfiyyətini qoruyub saxlamışdır. Nanodoldurucu kimi istifadə edildikdə, kompozit sistemlərdə elektrik, istilik və mexaniki xüsusiyyətləri yaxşılaşdırmaq üçün güclü potensial göstərmişdir.

Davamlılığı artırmaqla yanaşı, performansın qorunmasının bu tarazlığı çox vacibdir. Yaşıl kimya material funksionallığından güzəştə getmək demək deyil; əksinə, əvvəldən daha ağıllı dizaynı təşviq etməlidir.

Daha ağıllı, özünü bərpa edən materialların yaradılması

Bu işin xüsusilə maraqlı nəticələrindən biri N-GNP-lərin vitrimerlerlə uyğunluğudur; termosetlərin mexaniki möhkəmliyini termoplastiklərin təkrar emal qabiliyyəti ilə birləşdirən polimerlər sinfi.

Vitrimer matrislərinə daxil edildikdə , azotla zənginləşdirilmiş qrafen nanotsitoplastentləri çoxfunksiyalı doldurucu kimi çıxış edə bilər. Onlar elektriklə tetiklenen öz-özünə sağalmanı təmin edir, mexaniki möhkəmliyi artırır və elektrik/istilik keçiriciliyini yaxşılaşdırır; bütün bunlar materialın daxili şəbəkə sabitliyini qoruyarkən baş verir.

Material mühəndisliyi baxımından, bu, həm performansın, həm də dayanıqlığın vacib olduğu təmir edilə bilən örtüklərə, təkrar emal edilə bilən kompozitlərə və daha uzunömürlü struktur materiallarına və tətbiqlərinə qapı açır.

Niyə bu, qrafendən kənarda vacibdir

Tədqiqatımız qrafenə yönəlsə də, daha geniş mesaj qabaqcıl materialların necə hazırlandığını yenidən düşünməklə bağlıdır. Bir çox yüksək performanslı materiallar onilliklər əvvəl, ətraf mühitə təsirin əsas problem olmadığı bir vaxtda hazırlanmış proseslərə əsaslanır.

Mexanokimyəvi , həlledicisiz strategiyalar göstərir ki, bu yolları yenidən nəzərdən keçirmək mümkündür. Yaşıl kimya prinsiplərini material dizaynının erkən mərhələlərində inteqrasiya etməklə tədqiqatçılar tullantıları azalda, enerji istifadəsini azalda və genişmiqyaslı istehsalla daha uyğun proseslər yarada bilərlər.

Elektronika, aerokosmik, enerji saxlama və ya ağıllı örtüklər sahəsində tədqiqatlar aparan sənaye sahələri üçün bu mülahizələr təkcə ətraf mühit səbəbləri ilə deyil, həm də xərc, təhlükəsizlik və tənzimləmə uyğunluğu baxımından getdikcə daha vacib hala gəlir.

İrəliyə baxaraq

İşimiz nanomateriallar innovasiyasını dayanıqlılıq məqsədləri ilə uyğunlaşdırmaq istiqamətində atılan bir addımdır. Gələcək tədqiqatlar bu yaşıl sintez yanaşmasının digər aşqarlara, kompozit sistemlərə və miqyaslana bilən istehsal marşrutlarına necə uyğunlaşdırıla biləcəyini araşdıracaq.

Nəticə etibarilə, məqsəd yalnız daha yaxşı materiallar yaratmaq deyil, həm də materialların hazırlanmasının daha yaxşı yollarını yaratmaqdır. Qabaqcıl funksional materiallara tələbat artmağa davam etdikcə, davamlı sintez strategiyaları gələcəyin texnologiyalarının formalaşmasında əsas rol oynayacaq.

Bu hekayə , tədqiqatçıların dərc olunmuş tədqiqat məqalələrindən əldə etdikləri nəticələri bildirə biləcəyi Science X Dialog -un bir hissəsidir . Science X Dialog haqqında məlumat və necə iştirak etmək barədə məlumat üçün bu səhifəyə daxil olun .

Daha çox məlumat: Çamalki Madhuşa və digərləri, Funksional Vitrimer Kompozitləri üçün Amin Turşusundan Əldə Edilmiş N-Qrafenin Yaşıl Mexanokimyəvi İstehsalı, ACS Davamlı Kimya və Mühəndislik (2025). DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c09378

Jurnal məlumatı: ACS Davamlı Kimya və Mühəndislik 

Çamalki Madhuşa Monaş Universitetində yaşıl kimya, nanomateriallar və qabaqcıl kompozitlərin interfeysi üzərində çalışan doktorluq tədqiqatçısıdır. Onun tədqiqatı funksional qrafen materiallarına davamlı, həlledicisiz marşrutların hazırlanmasına və onları yüksək performanslı qabaqcıl polimer kompozit sistemlərinə çevirməyə yönəlmişdir. Aparıcı 1-ci rüb jurnallarında dərc olunan və bir neçə mükafatla tanınan tədqiqatı davamlılığa əsaslanan material dizaynı və qabaqcıl mühəndislik tətbiqlərini əhatə edir. Onun nəşrlərini Google Scholar -da tapa bilərsiniz .