تكنولوجيا الأنابيب النانوية الكربونية لعالم أكثر ذكاءً وأمانًا
29 Nov 2019
غالبًا ما تأتي الأشياء القوية في عبوات صغيرة والجزيئات النانوية هي من أصغرها. يزداد الطلب على الأنابيب النانوية الكربونية والمواد التي تعتمد على الجرافين نظرًا للدور المتخصص للغاية والقيمة التي تضيفها في مجالات التطبيقات المتنوعة للغاية، بما في ذلك الإلكترونيات والملابس الذكية وحماية البيئة، لا سيما مياهنا.
بالنظر إلى كشطها وميلها إلى التكتل، يصعب تقسيم الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين إلى سلاسل قابلة لإعادة الاستخدام. ومع ذلك، بمجرد تحقيق ذلك، فإنها توفر خصائص كهربائية وحرارية وميكانيكية استثنائية. جلسنا معالدكتور سيلفيا جراسيلي، رئيسة تجانس تكنولوجيا المعالجة في GEA إيطاليا لمعرفة كيف تساعد تقنية GEA في جلب هذه المواد المثيرة إلى السوق وما هو سبب الطلب عليها، والذي من المتوقع أن يصل إلى مبيعات تقدر بنحو 2.86 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2025.
ما هي أنابيب الكربون النانوية والجرافين وكيف يتم استخدامها؟
سيلفيا جراسيلي:إذا رجعنا خطوة إلى الوراء، سنجد أن كلمة "نانو" هي كلمة يونانية تعني "قزم". "النانومتر" هو جزء من المليار من المتر - أي ما يعادل جزء من ألف من عرض شعرة الإنسان، مما يعني أن هذه الجسيمات غير مرئية للعين المجردة. الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن لوح من الجرافين، وهي أساسًا شبكة شعرية سداسية من الكربون، متطورة في شكل أسطوانة وهي إما أحادية أو مزدوجة الجدران. الجرافين هو طبقة واحدة ثنائية الأبعاد من الجرافيت تتكون من طبقة ذرية مفردة أو أحادية من ذرات الكربون مرتبة في نمط سداسي. الجرافين هو العنصر الهيكلي الأساسي للأنابيب النانوية الكربونية وهو المادة الأكثر متانة المعروفة للإنسان؛ كما أنها مرنة للغاية وطيِّعة. ونظرًا لأن سمكه يبلغ ذرة واحدة فقط، فهو شفاف تقريبًا وهو موصل كهربائي وحراري ممتاز.
ومع قوة شد أعلى 50 مرة من الفولاذ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) قوية للغاية، ولكنها خفيفة الوزن أيضًا. تشترك الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين في العديد من الخصائص نفسها (مثل التوصيل الكهربائي والحراري الجيد)، وبالتالي تتنافسان مع بعضهما البعض ليتم استخدامهما في العديد من الأشياء في نفس التطبيقات - كالأجهزة الإلكترونية، مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة - والتي قد تشمل في مكوناتها الأنابيب النانوية الكربونية أو الجرافين، أو مزيج من الاثنين معا. توفر هذه المواد النانوية أيضًا تقوية هيكلية في السيارات والطائرات والدراجات وحتى مضارب التنس. وقد أثبتت خصائص امتصاصها الممتازة فعاليتها في تنظيف تسرب الزيت. كذلك، فهي تُظهر هامش تقدم في تقسيم المواد البلاستيكية الدقيقة إلى مكونات أكثر أمانًا للبيئة.
ما هو دور GEA في إنتاج CNTs؟
سيلفيا جراسيلي: على الرغم من أن العالم قد عرف بالأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والجرافين لعدة سنوات، إلا أنه لم يعتد على إمكاناتهما. هذا يرجع جزئيًا إلى كونها آكلة، ولديها ميل للتكتلات والتشابك، ونتيجة لذلك يصعب تحطيمها وإعادة هيكلتها. ولتحقيق ذلك، حصلت شركة GEA على براءة اختراع لعملية مقترنة بتكوين فريدلمجانساتها، والتي تستخدم ضغطًا عاليًا لتحطيم الجزيئات النانوية دون الإضرار بها، وبالتوازي مع ذلك، تضمن عدم توقف العمل أثناء الإنتاج.
تتضمن بداية العملية تبديد المسحوق في خليط يحتوي على المياه في غالبه. بعدها، يدخل المجانس الذي يكسر التكتلات ويفصلها ثم يضع الأنابيب النانوية، واحدة تلو الأخرى، لإنشاء بنية خطية. كنتيجة لذلك، تتم زيادة مساحة السطح مما يعزز زيادة النقل أو العزل، في مجال الإلكترونيات، على سبيل المثال. هذه هي الطريقة الأكثر فاعلية لتشتيت المجموعات وتفكيكها لجدران مفردة، مما يسمح بعملية تصنيع قوية وقابلة للتطوير توفر منتجات عالية الجودة ومتماسكة، وستتضمن الخطوة التالية دمجهما في السوائل أو الراتنجات.
توفر سلسلة GEA Ariete من المجانسات الضغط العالي المطلوب للحصول على كل من الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والجرافين بشكل فعال للاستخدام على نطاق صناعي.
هل هذه المواد آمنة؟
سيلفيا جراسيلي:لا خطر على المستخدمين النهائيين من الأنابيب النانوية الكربونية أو الجرافين المدمجين في منتجات مثل الإلكترونيات أو المضمنين في الملابس. على الرغم من ذلك، يجب معالجة جزيئات الكربون بعناية وعدم استنشاقها إذا كانت في شكل مسحوق. ومن خلال ربط المزيد من المعالجات الفردية، يمكن تقليل مناولة هذه المساحيق أو التوقف عن مناولتها. ففي رابطة الاتحاد الأوروبي التي دامت من 2006 إلى 2010، استكشفت GEA و 22 شريكًا كيفية تصنيع الجسيمات النانوية بشكل أكثر أمانًا وتطويرها بشكل أكبر. أظهرت إحدى النتائج الرئيسية في عملهم أنه يمكنهم باستخدام تقنية التجفيف بالرذاذ من GEA تحسين المناولة الآمنة لهذه المساحيق إلى حد كبير لأن خطوة المعالجة هذه تحول الجسيمات النانوية إلى جسيمات دقيقة أكبر، والتي، نظرًا لحجمها، لا تصبح محمولة في الهواء. وتبقى محتفظةً بخصائصها الفريدة بعدها أيضًا.
بالإضافة إلى مراقبة العملية لعدة سنوات مع العملاء، قمنا أيضًا بالشراكة مع المعهد الإيطالي للتكنولوجيا، الذي يُجري تجارب باستخدام إحدى وحداتنا المختبرية، لمواصلة تطوير الاستخدام الآمن للأنابيب النانوية الكربونية والجرافين في تطبيقات متنوعة. نتيجة لذلك، يمكن تطبيق خبراتنا الفعالة للغاية وذات الفائدة الكبيرة لعملائنا بشكل مباشر.
ما هي الدوافع الرئيسية وراء زيادة استخدام الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين؟
سيلفيا جراسيلي:لكلاهما قيمة عالية بالفعل وستزداد هذه القيمة مع مرور الوقت، خاصة بالنظر إلى الزيادة في الإنتاج على النطاق الصناعي، مما يجعلهما أكثر قابلية للنمو من الناحية التجارية. ومن العوامل المهمة أيضًا التركيز الهائل على البيئة والنتائج الإيجابية للغاية التي تحققت باستخدام هذه التكنولوجيا لتنظيف الزيت من الماء وتحطيم المواد البلاستيكية، على الرغم من أن هذه التطبيقات لا تزال في المراحل التكوينية.
يتم استخدامهما بشكل متزايد في الطلاءات والمواد المركبة في صناعة البلاستيك والبناء والسيارات والبطاريات والطاقة والفضاء والصناعات المعدنية. على سبيل المثال، الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية أرق عشرة أضعاف، وتوفر قدرة توصيل أعلى بنحو 100 ضعف مقارنة بأقطاب الكربون غير المتبلورة. ومن المتوقع أيضًا أن يؤدي الطلب المتزايد على بطاريات الأيون ليثيوم ذات قدرة التوصيل العالية في السيارات الكهربائية إلى فتح طرق جديدة لنمو سوق الأنابيب النانوية الكربونية. وبالطبع فإنالاستخدام المتزايد للإلكترونيات والأجهزة المختلفة سيزيد الطلب باستمرار على هذه المواد نظرًا لأن هيكلها وخصائصها مثالية للتطبيقات التي تنطوي على النقل الفعال للبيانات حيث تتوقع الشركات والمستهلكون أن يتم هذا النقل بسرعة البرق.
نظرًا لصفاتهما الخاصة كغير الموصلات والعوازل، فقد خفضت الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين من بصمة أجهزتنا ومراكزنا التكنولوجية. على سبيل المثال، لم تعد الخوادم بحاجة إلى غرف بأكملها مزودة بمراوح، بل يمكن الآن وضعها بشكل أساسي في صندوق صغير." هذا ما صرحت ب- د. سيلفيا جراسيلي، رئيس تجانس تكنولوجيا المعالجة، GEA إيطاليا
- د. سيلفيا جراسيلي، رئيس تجانس تكنولوجيا المعالجة، GEA إيطاليا
كيف يستخدم عملاء GEA هذه المواد وما هي الصناعات والتطبيقات المعنية؟
سيلفيا جراسيلي: كما ذكرنا سابقًا، نحن نتعاون مع المعهد الإيطالي للتكنولوجيا، الذي يستخدم تقنية تجانس GEA في التجارب لزيادة تطوير الأنابيب النانوية بفعالية وأمان لاستخدامها عبر تطبيقات متنوعة. في الآونة الأخيرة، نشرنا نتائجنا المشتركة حول بناء ركائز الورق النانوية الوظيفية كبديل أكثر استدامة لتلك الركائز المصنوعة من البلاستيك والمعادن. هذه خطوة مهمة ربما لمعالجة الإلكترونيات أو النفايات الإلكترونية، وذلك بجعلها أكثر قابلية لإعادة التدوير وأسهل في إدارتها.
لدينا عملاء في جميع أنحاء أوروبا وآسيا يوفرون المنتجات القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين لاستخدامهما في صناعة الإلكترونيات، بما في ذلك البطاريات. وبفضل خواصها التقنية، تعمل هذه المواد على تسريع نقل البيانات مع تقليل حجم غرف الخوادم والأجهزة أيضًا نظرًا لقدرتها العازلة الهائلة، مما يقلل من نقل الحرارة وبالتالي يقلل من التلف الناتج عن ارتفاع الحرارة. من خلال شراكاتنا، نحن قادرون على تحسين وتصميم معدات وعمليات التجانس الخاصة بنا؛ سيؤدي النجاح في أي من هاتين المهمتين إلى حصول GEA على براءة اختراع مهمة وآلةً أفضل ومنتجًا أفضل للعميل - وهذا فوز لكلا الطرفين.
قام أحد عملائنا في الهندسة الكيميائية بتطوير العديد من المنتجات المعتمدة على الجرافين؛ على سبيل المثال، لدى بعضها خصائص حاجزة للطلاء والدهانات؛ وتعمل بمثابة إضافات الأداء في مواد التشحيم أو تحسن قدرة التوصيل الحراري في المواد المركبة والبلاستيك. لديهم أيضا المنتجات المستخدمة في التعبئة والتغليف، وفي الطباعة والطباعة ثلاثية الأبعاد. قام عميل آخر لشركة GEA بتطوير عملية لدمج الصفائح النانوية الجرافينية في الملابس، بما في ذلك الملابس الرياضية والأحذية؛ نظرًا لأن الجسم ينتج حرارة زائدة في مناطق معينة، يتم توزيع هذه الحرارة حول الملبس، ويتم استخدامها بشكل أكثر كفاءة عن طريق الحفاظ على أجزاء أخرى من الجسم دافئة، مع التقليل من الكهرباء الساكنة والاحتكاك. وكما ذكر سابقًا، يتم استخدام المواد المعتمدة على الجرافين لدعم استعادة انسكاب الزيت، وكذلك معالجة مياه الصرف. وفي الواقع، تسمح هذه التقنية بإعادة استخدام الهيدروكربونات والزيوت الممتصة.
ما الذي يمكن أن تتوقعه الصناعة من GEA عندما يتعلق الأمر بالتجانس وإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والجرافين؟
سيلفيا جراسيلي: ساعدت GEA على خفض التكلفة الإجمالية للملكية عند تعلق الأمر بإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين، من خلال تحسين تصميم ومتانة المجانسات الخاصة بنا. لم يكن هذا إنجازًا سهلًا، نظرًا للمواد التي تسبب التآكل شبه الفوري لصمامات المجانس - في غضون 24 ساعة. اليوم، نحن قادرون على شراكة ودعم العملاء عبر مختلف الصناعات في تطوير وإنتاج هذه المواد بشكل أكثر كفاءة.
يمكننا تزويد العملاء بالاختبارات المعملية والتجريبية، فضلًا عن الخبرة لدعم تطوير المنتج، والتي تشمل تحليل التكلفة والقابلية للتوسع في مركز تكنولوجيا المعالجة الخاص بنا للتجانس في بارما، إيطاليا. يساعد هذا جنبًا إلى جنب مع الدعم لموقع العميل، على تقليل مخاطر استثمار العميل مع ضمان الإطلاق الناجح.
