Уголь может быть использован для создания разнообразных полезных устройств

Смола, обычный материал, который уплотняет швы на наших крышах и дорогах, имеет неожиданную и недооцененную функциональность, по мнению исследовательской группы MIT: Когда-нибудь он может пригодиться в качестве сырья для различных высокотехнологичных устройств, включая системы хранения энергии, термоактивные покрытия и электронные датчики.

И это не просто смола. Профессор Джеффри Гроссман имеет совершенно иной взгляд и на другие ископаемые виды топлива. Вместо того, чтобы использовать эти материалы в качестве дешевого товара для сжигания, герметизации трещин или утилизации, он видит потенциал для самых разнообразных применений, которые используют преимущества высокосложной химии, заложенной в этих древних смесях углеродных соединений, полученных из биомассы.

Способы преобразования углеводородов

Значительным преимуществом таких применений является то, что они обеспечивают способ перепрофилирования материалов, которые в противном случае сгорели бы, увеличивали бы выбросы парниковых газов или утилизировались бы на свалках. По словам Гроссмана, такое использование может привести к "озеленению" угля и других углеродных материалов, в противном случае наносящих вред климату.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

В своих последних исследованиях Гроссман вместе с постдоком Ксинингом Зангом, ученым-исследователем Никола Ферралисом и пятью другими учеными нашел способы использования угля и смолы для получения тонких покрытий с высокой степенью управляемости и воспроизводимости электропроводности, пористости и других свойств. С помощью лазера они смогли изготовить опытные образцы приборов из недорогих, вездесущих материалов, включая суперконденсатор для хранения электричества, гибкий тензодатчик и прозрачный нагреватель.

В работе, описанной в журнале Science Advances, исследуются альтернативные способы использования углеродистых тяжелых углеводородов, образовавшихся за миллионы лет геологической обработки распавшегося растительного вещества под воздействием тепла и давления. Эти материалы, по словам Гроссмана, обеспечивают богатое разнообразие атомных конфигураций с различными химическими и структурными свойствами, несравнимое ни с какими синтетическими, переработанными углеродными наноматериалами.

Чтобы использовать эти свойства материалов, команда использовала процесс, называемый лазерным отжигом, для создания ультратонких слоев углеродистых материалов, осажденных на подложке. Они изготавливали специальные функциональные устройства путем нанесения и травления узоров в слоях, изготовленных из различных углеродных материалов.

В некотором смысле, то, что делала команда - это обратная традиционная переработка ископаемого топлива, при которой сложная смесь углеводородов проходит стадию за стадией разрыва химических связей и выделения различных соединений. В этой работе были использованы различные виды тяжелых углеводородных комплексов в том виде, в котором они существуют, с использованием широкого спектра свойств различных материалов - угля, каменноугольной смолы и мезофазной смолы, большинство из которых являются либо побочными продуктами, которые, как правило, необходимо утилизировать, либо быстро выводимыми из употребления видами топлива.

Благодаря комбинации выбора правильного исходного материала и изменения времени и силы лазерных импульсов, используемых для отжига материала, команда смогла контролировать ряд физических, оптических, электрических, магнитных и других свойств. Сочетая различные материалы, можно было производить сразу целый ряд устройств на одной подложке.

"Мы можем создать все, начиная от графена и заканчивая каким-нибудь богатым ароматическими веществами полимером, - говорит Ферралис, - и со свойствами, которые могут сильно измениться, от тепловых и электрических изоляторов, до тепловых и электрических проводников". Мы можем изменять пористость, так что мы можем не только создавать твердые пленки, но и создавать материалы с высокой пористостью, так что мы действительно можем делать мембраны".

Этот набор свойств материала можно смешивать и подбирать, что, возможно, позволит, например, создать разнообразные углеродистые "чернила" для 3D-печати, говорит он.

"Но вместо того, чтобы менять цвета, - говорит Ферралис, - вы на самом деле меняете тип прекурсора, который вы делаете". Вы добавляете немного больше смолы, немного меньше тона или немного больше других вещей, которые мы выделили на бумаге". Это может дать, например, возможность делать в пределах одной пленки мембрану, электрическое устройство, систему аккумулирования энергии и так далее, по требованию".

Материалами могут быть практически любые виды тяжелых углеводородов, многие из которых существуют в большом изобилии в виде отходов нефтедобычи или химической переработки. "По сути, мы ищем любой материал, тяжелый в ароматическом отношении, то есть тяжелые углеводороды, с которыми люди не знают что делать", - говорит Занг. "Так что мы довольно категоричны в отношении того, что мы можем использовать."

Используя точно рассчитанные по времени и настроенные импульсы лазера с углекислым газом, команда смогла контролировать свойства материала с покрытием, обрабатывая его импульсами, которые могли бы генерировать высокую локальную температуру до 2000 °C, оставляя при этом окружающие участки настолько незатронутыми, что процесс можно было бы проводить даже на мягких подложках, таких как пластмассы, говорят они. 

"У нас есть это высоко гетерогенное, грязное сырье, - говорит Гроссман, - но оно настолько дешевое и богатое полезной химией". Идея заключается в том, чтобы понять это достаточно хорошо, чтобы иметь возможность "применять простые, масштабируемые производственные инструменты, чтобы мы могли воспользоваться этим пониманием и сделать что-то другое для нас". В двух словах он говорит, что "мы находим этот материал, который ранее считался ограниченным в использовании (например, в качестве топлива для сжигания), и, понимая его атомную структуру, мы можем применять принципы проектирования материалов и инженерии, чтобы сделать его полезным в более широком смысле".

Хотя эта начальная работа была сосредоточена на тонких пленках, сырье настолько недорогое, что в конечном итоге такие материалы могут также использоваться для насыпных работ, говорит Ферралис. "Если мы сможем расширить этот процесс до систем насыпных грузов, то это может быть использовано, например, в строительных материалах или в изоляции для домов". Вещи, которые на самом деле требуют много материала". Это может даже дать экономический импульс для угледобывающих регионов, которые в настоящее время страдают от краха угольной энергетики. опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet