شکل- آرم دانشگاه رایس از گرافن ایجاد شده با لیزر بر روی یک قطعه از چوب کاج. دانشمندان دانشگاه رایس از لیزر صنعتی CO2 برای گرم کردن چوب استفاده کرده و سطح آن را به گرافن با رسانایی بالا تبدیل کرده اند. از این مواد می توان به عنوان قطعات الکترونیکی زیستی تجزیه پذیر[۱] استفاده کرد.
دانشمندان دانشگاه رایس (هوستون، تگزاس) با تبدیل سطح چوب به گرافن، چوب را به یک رسانای برق تبدیل کرده اند. جیمز تور و همکارانش، از شیمیدانان دانشگاه رایس با استفاده از لیزر حکاکی دی اکسید کربن، یک لایه نازک از گرافن را با القای لیزری (LIG[2]) بر روی یک قطعه چوب کاج، ایجاد کردند. گرافن ایجاد شده با القای لیزری در سال ۲۰۱۴ در دانشگاه رایس کشف شد.
در آزمایش های قبلی، LIG با گرم کردن سطح ورقه ای از پلی آمید[۳] با استفاده از لیزر ساخته می شد. در حال حاضر به جای یک ورق صاف از اتم های کربن شش ضلعی، LIG از یک سری ورقه های گرافن با یک لبه متصل به سطح زیرین و لبه های شیمیایی فعال در معرض هوا تشکیل شده است.
آقای تور می گوید که هر پلی آمیدی، LIG تولید نمی کند و برخی از چوب ها نسبت به بقیه ترجیح داده می شوند. این تیم تحقیقاتی تحت هدایت دانشجویان فارغ التحصیل دانشگاه رایس، روکان یی و یی چان، آزمایش هایی را بر روی چوب توس و بلوط انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که به دلیل وجود ساختار لیگنوسلولوز[۴] در چوب کاج، گرافن با کیفیت بالاتری نسبت به چوب هایی با مقدار لیگنین[۵] پایین تر ساخته می شود.
این فرآیند با یک لیزر صنعتی استاندارد CO2 در دما و فشار اتاق و در محیطی از گاز بی اثر آرگون یا هیدروژن انجام می شود. بدون اکسیژن، گرمای ناشی از لیزر چوب کاج را نمی سوزاند، اما سطح را به ورقه هایی چین خورده از فوم گرافن[۶] متصل به سطح چوب تبدیل می کند. با تغییر توان لیزر، ساختار شیمیایی و مقاومت حرارتی LIG نیز تغییر می کند. با تنظیم توان، این لیزر بالاترین کیفیت P-LIG را نتیجه می دهد که P بیانگر Pine (چوب کاج) است.
این آزمایشگاه کشف خودش را یک گام به جلو پیش برد و P-LIG را به الکترودی برای شکافتن آب به هیدروژن و اکسیژن و همچنین ساخت سوپرخازن ها برای ذخیره انرژی تبدیل کرد. برای مورد اول، آنها لایه هایی از کبالت و فسفر یا نیکل و آهن را بر روی P-LIG لایه نشانی کردند تا یک جفت الکتروکاتالیزور با مساحت زیاد که مؤثر و پایدار نیز هستند، ایجاد کنند.
آقای تور می گوید: نشاندن پلی آنیلین[۷] روی P-LIG آن را تبدیل به یک ابرخازن ذخیره انرژی می کند که معیارهای عملکردی قابل استفاده دارد.
آقای روکان یی می گوید: “کاربردهای کشف نشده بسیاری وجود دارد. به عنوان مثال ما می توانیم از P-LIG برای جمع آوری انرژی خورشیدی برای فتوسنتز استفاده کنیم. ما بر این باور هستیم که این کشف سبب می شود دانشمندان به مسئله مهندسی منابع طبیعی اطرافمان در جهت کارکرد بهتر، فکر کنند.”
جیمز تور، مزیت این روش را در تجدید پذیر بودن این قطعات الکترونیکی می داند و اشاره می کند که “گرافن یک ورق نازک از یک ماده معدنی طبیعی یعنی گرافیت است، بنابراین به جای اینکه زمین را پر از قطعات الکترونیکی کنیم، یک سری مواد به دست آمده از چوب را به زمین باز می گردانیم.”
در آزمایش های قبلی، LIG با گرم کردن سطح ورقه ای از پلی آمید[۳] با استفاده از لیزر ساخته می شد. در حال حاضر به جای یک ورق صاف از اتم های کربن شش ضلعی، LIG از یک سری ورقه های گرافن با یک لبه متصل به سطح زیرین و لبه های شیمیایی فعال در معرض هوا تشکیل شده است.
آقای تور می گوید که هر پلی آمیدی، LIG تولید نمی کند و برخی از چوب ها نسبت به بقیه ترجیح داده می شوند. این تیم تحقیقاتی تحت هدایت دانشجویان فارغ التحصیل دانشگاه رایس، روکان یی و یی چان، آزمایش هایی را بر روی چوب توس و بلوط انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که به دلیل وجود ساختار لیگنوسلولوز[۴] در چوب کاج، گرافن با کیفیت بالاتری نسبت به چوب هایی با مقدار لیگنین[۵] پایین تر ساخته می شود.
این فرآیند با یک لیزر صنعتی استاندارد CO2 در دما و فشار اتاق و در محیطی از گاز بی اثر آرگون یا هیدروژن انجام می شود. بدون اکسیژن، گرمای ناشی از لیزر چوب کاج را نمی سوزاند، اما سطح را به ورقه هایی چین خورده از فوم گرافن[۶] متصل به سطح چوب تبدیل می کند. با تغییر توان لیزر، ساختار شیمیایی و مقاومت حرارتی LIG نیز تغییر می کند. با تنظیم توان، این لیزر بالاترین کیفیت P-LIG را نتیجه می دهد که P بیانگر Pine (چوب کاج) است.
این آزمایشگاه کشف خودش را یک گام به جلو پیش برد و P-LIG را به الکترودی برای شکافتن آب به هیدروژن و اکسیژن و همچنین ساخت سوپرخازن ها برای ذخیره انرژی تبدیل کرد. برای مورد اول، آنها لایه هایی از کبالت و فسفر یا نیکل و آهن را بر روی P-LIG لایه نشانی کردند تا یک جفت الکتروکاتالیزور با مساحت زیاد که مؤثر و پایدار نیز هستند، ایجاد کنند.
آقای تور می گوید: نشاندن پلی آنیلین[۷] روی P-LIG آن را تبدیل به یک ابرخازن ذخیره انرژی می کند که معیارهای عملکردی قابل استفاده دارد.
آقای روکان یی می گوید: “کاربردهای کشف نشده بسیاری وجود دارد. به عنوان مثال ما می توانیم از P-LIG برای جمع آوری انرژی خورشیدی برای فتوسنتز استفاده کنیم. ما بر این باور هستیم که این کشف سبب می شود دانشمندان به مسئله مهندسی منابع طبیعی اطرافمان در جهت کارکرد بهتر، فکر کنند.”
جیمز تور، مزیت این روش را در تجدید پذیر بودن این قطعات الکترونیکی می داند و اشاره می کند که “گرافن یک ورق نازک از یک ماده معدنی طبیعی یعنی گرافیت است، بنابراین به جای اینکه زمین را پر از قطعات الکترونیکی کنیم، یک سری مواد به دست آمده از چوب را به زمین باز می گردانیم.”
Reference:
۱٫ Ruquan Ye et al., Advanced Materials (۲۰۱۷); doi: 10.1002/adma.20170221
Source: http://www.laserfocusworld.com/articles/2017/07/rice-university-chemists-make-conductive-laser-induced-graphene-from-wood.html
Source: http://www.laserfocusworld.com/articles/2017/07/rice-university-chemists-make-conductive-laser-induced-graphene-from-wood.html
[۱] Biodegradable Electronics
[۲] Laser –Induced Graphene
[۳] Polyimide
[۴] Lignocellulose Structure
[۵] Lignin
[۶] Graphene Foam
[۷] Polyaniline