نانومواد کربنی با ضایعات ماهی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما؛ نانومواد مبتنی بر کربن به لطف سمیت کم، پایداری شیمیایی و خواص الکتریکی و نوری قابل توجه، کاربرد‌های بیشتری در تجهیزات الکترونیکی، تبدیل و ذخیره انرژی، کاتالیز و زیست‌پزشکی دارند. "نانو پیاز‌های کربنی" (CNOs) یقینا از این قاعده مستثنی نیستند. نخستین بار در سال ۱۹۸۰ گزارش شد که نانو پیاز‌های کربنی، نانوساختار‌هایی متشکل از پوسته‌های متحدالمرکز فولرن هستند که به قفس‌هایی درون قفس‌های دیگر شباهت دارند. آن‌ها کیفیت‌های جذاب متعددی را مانند رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا ارائه می‌دهند.
روش‌های مرسوم برای تولید نانو پیاز‌های کربنی، مشکلات جدی دارند. برخی از آن‌ها به شرایط تولید دشواری مانند دمای بالا یا خلاء نیاز دارند؛ در حالی که برخی دیگر نیازمند زمان و انرژی زیادی هستند. برخی از روش‌ها می‌توانند این محدودیت‌ها را دور بزنند، اما در عوض به کاتالیزور‌های پیچیده، منابع کربن پرهزینه و شرایط اسیدی یا بازی خطرناک نیاز دارند. این امر، توانایی نانو پیاز‌های کربنی را تا اندازه زیادی محدود می‌کند.
گروهی از پژوهشگران "موسسه فناوری ناگویا" (Nitech) در ژاپن، راهی ساده و راحت برای تبدیل کردن ضایعات ماهی به نانو پیاز‌های کربنی با کیفیت بالا یافته‌اند. آن‌ها یک روش تولید ابداع کرده‌اند که در آن، فلس‌های استخراج‌شده از ضایعات ماهی پس از تمیز کردن، در عرض چند ثانیه از طریق "پیرولیز مایکروویو" (Microwave Pyrolysis) به نانو پیاز‌های کربنی تبدیل می‌شوند.
اما چگونه می‌توان فلس‌های ماهی را به این راحتی به نانو پیاز‌های کربنی تبدیل کرد؟ اگرچه دلیل دقیق آن کاملا مشخص نیست، اما پژوهشگران بر این باور هستند که این امر به کلاژن موجود در فلس‌های ماهی مربوط می‌شود که می‌تواند تشعشعات مایکروویو کافی را برای افزایش سریع دما جذب کند. این فرآیند به تجزیه حرارتی یا پیرولیز می‌انجامد و گاز‌های خاصی را تولید می‌کند که از تولید نانو پیاز‌های کربنی پشتیبانی می‌کنند. نکته قابل توجه در مورد روش مذکور این است که به کاتالیزور‌های پیچیده، شرایط سخت و زمان انتظار طولانی نیاز ندارد. فلس‌های ماهی را می‌توان در کمتر از ۱۰ ثانیه به نانو پیاز‌های کربنی تبدیل کرد.
به علاوه، این فرآیند می‌تواند نانو پیاز‌های کربنی با بلورینگی بسیار بالا تولید کند. دستیابی به این امر در فرآیند‌هایی که از ضایعات زیست‌توده به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند، بسیار دشوار است. نتیجه این کار در تضاد کامل با سطح نانو پیاز‌های کربنی است که با روش‌های مرسوم تهیه می‌شوند و تولید آن‌ها باید از طریق مراحل اضافی صورت بگیرد.
این عملکرد خودکار، پیامد‌های مهمی را برای کاربرد نانو پیاز‌های کربنی دارد. زمانی که سطح نانو پیاز‌های کربنی عملکردی نداشته باشد، نانوساختار‌ها به دلیل یک تعامل جذاب تمایل دارند به هم بچسبند. این امر، پراکندگی آن‌ها را در حلال‌ها دشوار می‌کند که در هر برنامه‌ای که به فرآیند‌های مبتنی بر راه حل نیاز دارد، ضروری است. با وجود این، از آنجا که فرآیند پیشنهادی به تولید نانو پیاز‌های کربنی اصلاح‌شده می‌پردازد، امکان پراکندگی در حلال‌های مختلف را فراهم می‌کند.
یکی دیگر از مزیت‌های مرتبط با عملکرد و بلورینگی بالا، ویژگی‌های نوری استثنایی است. دکتر "تاکاشی شیرای" (Takashi Shirai)، از پژوهشگران این پروژه گفت: نانو پیاز‌های کربنی، تابش نور مرئی با بازدهی ۴۰ درصد را نشان می‌دهند. این مقدار که پیشتر هرگز به دست نیامده بود، حدود ۱۰ برابر بیشتر از عملکرد نانو پیاز‌های کربنی پیشین است که از طریق روش‌های مرسوم تولید شده‌اند.
این گروه پژوهشی برای نمایش برخی از کاربرد‌های عملی نانو پیاز‌های کربنی خود، استفاده از آن‌ها را در لامپ‌های LED و لایه‌های نازک ساطع‌کننده نور آبی نشان دادند. نانو پیاز‌های کربنی، انتشار بسیار پایداری را هم در دستگاه‌های جامد و هم زمانی که در حلال‌های مختلف از جمله آب، اتانول و ایزوپروپانول پراکنده شدند، تولید کردند.
شیرای ادامه داد: خواص نوری پایدار می‌توانند به ما کمک کنند تا لایه‌های انعطاف‌پذیر تابشی و دستگاه‌های LED را بسازیم. این یافته‌ها، روزنه‌های جدیدی را برای توسعه نمایشگر‌های نسل بعدی و نورپردازی حالت جامد خواهند گشود.
روش تولید پیشنهادی، سازگار با محیط زیست است و راه ساده‌ای را برای تبدیل کردن ضایعات ماهی به مواد بی‌نهایت سودمند ارائه می‌دهد. پژوهشگران باور دارند که پژوهش آن‌ها به تحقق چندین هدف سازمان ملل در جهت توسعه پایدار کمک می‌کند. علاوه بر این، اگر نانو پیاز‌های کربنی به نسل بعدی نورپردازی LED و نمایشگر‌های QLED راه پیدا کنند، می‌توانند هزینه‌های ساخت خود را کاهش دهند.
این پژوهش، در مجله "Green Chemistry" به چاپ رسید.