Химики научились за доли секунды изготовлять высококачественный графен буквально из мусора. Это радикально снижает себестоимость удивительного двумерного материала, обещающего революцию во многих областях, от строительства до электроники и медицины.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature группой во главе с Джеймсом Тором (James Tour) из Университета Райса.
Сегодня килограмм двумерного углерода (графена) можно купить по цене от 67 до 200 долларов США (от 4200 до 12600 рублей по текущему курсу). Это в буквальном смысле дорогое удовольствие. Подобные расценки мешают массовому внедрению удивительного материала. Команда Тора нашла удивительно простой выход из положения.
Их метод сводится к мгновенному нагреву практически любого органического материала до 2700 °C. Эта температура выдерживается 10 миллисекунд. При этом углерод превращается в графен, а все остальные компоненты улетучиваются в виде газа. Последний можно улавливать, чтобы не загрязнять окружающую среду.
Сырьём для производства графена может послужить биомасса, в том числе пищевые отходы и просроченная пища. Тур отмечает, что 30-40% всех произведённых продуктов питания отправляется в мусор, так как их не успевают купить до истечения срока годности. Теперь эти горы органики можно превращать в ценный материал. Не стоит также забывать об огромных массах отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности.
Подойдёт и пластиковый мусор, причём его не обязательно сортировать: годятся любые популярные полимеры. Бумага тоже может пойти в дело. В общем и целом, большинство обывателей могло бы просто вывалить в реактор содержимое своего мусорного ведра.
Если используется сырьё с высоким содержанием углерода (сажа, антрацит и так далее), то 80-90% исходного вещества превращается в графен. Биомасса или бытовой мусор, разумеется, не так эффективны, зато дёшевы.
К слову, графен получается практически чистым (более 99% углерода). К тому же он имеет удивительно мало дефектов двумерной решётки. Наконец, взаимное расположение двумерных слоёв позволяет легко отделять их друг от друга.
Отметим, что в предложенном химиками процессе не используется никаких растворителей или иных реактивов, так что полученный продукт не требуется очищать. К тому же особая конструкция реактора позволяет почти всю энергию тратить на нагрев сырья, а не стенок камеры.
"Вы можете положить палец прямо на контейнер уже через несколько секунд", – говорит Тор.
В итоге на синтез одного килограмма графена тратится всего два киловатт-часа электроэнергии. В Москве такие грандиозные энергозатраты обошлись бы примерно в 11 рублей.
Среди множества возможных применений графена авторы особо выделяют строительную отрасль. В частности, около 8% выбросов углекислого газа приходится на производство цемента. По мысли исследователей, добавление в последний всего лишь 0,1% графена поможет на треть уменьшит потребность человечества в бетоне за счёт того, что он станет куда более прочным. Таким образом можно снизить выбросы парниковых газов. Да и сам графен, добавленный в строительные материалы, – это углерод, который в ближайшем будущем не попадёт в атмосферу.
Команда уже начала эксперименты с бетоном и пластиком с добавкой графена.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о создании графена в кухонном блендере. Также мы рассказывали о выращивании углеродных нанотрубок с помощью реактивов из арсенала домохозяйки.
