آیا می توان زغال سنگ را به نانولوله کربنی تبدیل کرد؟

 در دنیایی که هر سال در حال گرم تر شدن است، زغال سنگ اغلب می تواند «آدم بد داستان» به نظر برسد. اما ما می توانیم با زغال سنگ غیر از سوزاندن کارهای دیگری نیز انجام دهیم. تیمی در دانشگاه اوهایو از سیستم Bridges-۲ مرکز ابر محاسبات پیتسبورگ برای انجام یک سری شبیه سازی استفاده کردند تا نشان می دهد چگونه زغال سنگ ممکن است در نهایت به مواد با ارزش مانند گرافیت و نانولوله های کربنی تبدیل شود.

اما چرا این موضوع مهم است؟

این روزها دیدگاه منفی نسبت به زغال سنگ وجود دارد. دانشمندان حوزه آب و هوا افزایش متوسط دمای جهانی بین ۲ تا ۱۰ درجه فارنهایت را تا سال ۲۱۰۰ پیش بینی می کنند. امکان تغییرات شدید در الگوهای آب و هوا، رشد محصولات کشاورزی را دچار مشکل کرده و سطح آب دریاها را افزایش می دهد که همه اینها به دلیل استفاده زیاد ما از سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ است. بنابراین باید راهی برای کاهش سوازندن زغال سنگ پیدا کرد.

دیوید درابولد، استاد برجسته فیزیک در دانشگاه اوهایو، می گوید: «روش این کار این است که این ماده را به ترکیبات دیگر تبدیل کرد. شما نمی خواهید آن را بسوزانید. اما آیا می توانید از آن مصالح ساختمانی بسازید، موادی با ارزش بالا، مانند گرافیت یا نانولوله های کربنی؟»

از نظر تئوری، اگر زغال سنگ را در دمای بالا تحت فشار کافی قرار دهید، می توانید آن را به گرافیت تبدیل کنید.

دیوید درابولد و تیمش در دانشگاه اوهایو برای کشف چگونگی تبدیل زغال سنگ به مواد ارزشمندی مانند گرافیت، تصمیم گرفتند این مواد را در نرم افزارهای کامپیوتری شبیه سازی کنند. برای بازسازی مجازی تبدیل شیمیایی، آن ها به کامپیوتر تحقیقاتی پیشرفته Bridges-۲ روی آوردند. Bridges-۲ ابررایانه برتر مرکز ابرکامپیوتر پیتسبورگ است که توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی می شود.

گرافیت خالص مجموعه ای از صفحات است که از حلقه های شش کربنی تشکیل شده است. نوع خاصی از پیوند شیمیایی به نام پیوندهای آروماتیک این کربن ها را در کنار هم نگه می دارد.

در پیوندهای آروماتیک، الکترون های پی در بالا و زیر حلقه ها شناور هستند. این ابرهای الکترونی “لغزنده” باعث می شوند که ورق ها به راحتی از کنار یکدیگر بلغزند.

پیوندهای آروماتیک دارای مزیت دیگری هستند که در فناوری الکترونیکی مهم است. الکترون های پی به راحتی از حلقه ای به حلقه دیگر و از صفحه ای به صفحه دیگر حرکت می کنند. این باعث می شود گرافیت رسانای الکتریسیته باشد، حتی اگر فلز نباشد. این ماده، گزینه ای ایده آل برای آند باتری است.

در مقایسه، زغال سنگ از نظر شیمیایی نامرتب است. برخلاف ماهیت کاملاً دوبعدی یک ورق گرافیتی، دارای اتصالات سه بعدی است. همچنین حاوی هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و سایر اتم هایی است که ممکن است تشکیل گرافیت را مختل کنند.

برای شروع مطالعات خود، محققان زغال سنگی را در نظر گرفتند که فقط از اتم های کربن در موقعیت های تصادفی تشکیل شده بود. با قرار دادن این زغال سنگ ساده شده در معرض فشار و دمای بالا، حدود ۳۰۰۰ کلوین یا تقریباً ۵۰۰۰ فارنهایت، آن ها می توانند اولین گام را در مطالعه تبدیل آن به گرافیت بردارند. چینونسو اوگومادو، دانشجوی دکترای فیزیک در دانشگاه اوهایو در گروه درابولد، می گوید: «در مقایسه با سایر سیستم هایی که ما داریم، Bridges سریع ترین و دقیق ترین ابزار است. سیستم های خانگی ما حدود دو هفته طول می کشد تا ۱۶۰ اتم را شبیه سازی کنند. با Bridges، ما می توانیم با استفاده از تئوری تابعی چگالی، ۴۰۰ اتم را طی شش تا هفت روز اجرا کنیم.»

در ابتدا، دانشمندان اوهایو شبیه سازی های خود را با استفاده از اصول اولیه فیزیکی و شیمیایی از طریق نظریه تابعی چگالی انجام دادند. این رویکرد دقیق اما محاسباتی سنگین به محاسبات موازی زیادی نیاز داشت. در ادامه آن ها محاسبات خود را به یک ابزار نرم افزاری جدید، GAP (پتانسیل تقریب گاوسی) که توسط پژوهشگران دانشگاه کمبریج و دانشگاه آکسفورد در انگلستان طراحی شده بود، تغییر دادند. GAP از نوعی هوش مصنوعی به نام یادگیری ماشینی استفاده می کند تا اساساً همان محاسبات را با سرعت بیشتری انجام دهد. راجندرا تاپا و اوگومادو، دانشجویان فارغ التحصیل، کار محاسباتی اولیه را رهبری کردند.

نتایج آن ها پیچیده تر و ساده تر از آن چیزی بود که تیم انتظار داشت. لایه ها شکل گرفتند. اما اتم های کربن به طور کامل حلقه های ساده و شش کربنی ایجاد نکردند. کسری از حلقه ها دارای پنج کربن بودند. دیگر ورق ها هفت کربن داشتند.

حلقه های غیر شش کربنی چین و چروک جالبی را به وجود آوردند. در حالی که حلقه های شش کربنی مسطح هستند، حلقه های کربنی پنج و هفت عضوی به هم می ریزند.

در یک سری دیگر از شبیه سازی ها، شرایط موجود باعث شد که ورق ها خم شوند. آن ها به جای ورقه ها، نانولوله های کربنی آمورف تو در تو (CNTs) را تشکیل دادند، مجموعه ای از لوله های تک لایه اتمی، داخل یکدیگر که به نانولوله کربنی شهرت دارد.