„Mokslininkams pavyko.“ Sukūrė rekordinę medžiagą

Galbūt mokyklos laikais derinant valgomąją sodą ir actą yra tekę kurti „ugnikalnį“ – kai tam tikros cheminės medžiagos liečiasi tarpusavyje, rezultatai gali būti sprogūs.

Šį principą perkėlę į daug rimtesnį lygį, raketų mokslininkai jau daugelį metų naudoja vadinamąsias hipergolines reakcijas – kaip kurą įvairiems kosminiams laivams. Tai dviejų cheminių medžiagų (paprastai kuro ir oksidatoriaus) reakcijos, kurios yra tokios audringos, kad tinkamai nukreiptos gali suteikti varomąją jėgą. Pavyzdžiui, vienas iš labiausiai paplitusių hipergolinių variklių derinių yra kuro hidrazino ir oksidatoriaus azoto tetroksido maišymas.

Cornello universitete (JAV) habilituotas daktaras tyrėjas Nikolaosas Chalmpesas hipergolines reakcijas panaudojo kitaip. Jis kūrė medžiagas iš galingų jėgų, išsiskleidžiančių susijungus įvairioms cheminėms medžiagoms.

Cornello profesorius Emmanuelis Giannelis, manydamas, kad toks metodas gali padėti padidinti anglies akytumą – o tai padidintų jos paviršiaus plotą ir padėtų geriau kaupti energiją bei surinkti anglies dioksidą – kartu su N. Chalmpesu pradėjo dirbti prie naujo tyrimo.

„Bandžiau suprasti, kaip panaudoti ir kontroliuoti šias neištirtas reakcijas, kad būtų galima sintetinti įvairias anglies nanostruktūras – ir pritaikęs įvairius parametrus atradau, kad galėtume pasiekti itin didelį porėtumą, – pasakoja pagrindinis tyrimo autorius N. Chalmpesas. – Iki tol šios reakcijos buvo naudojamos tik raketų ir orlaivių sistemose bei giliojo kosmoso zondų varomajai jėgai ir hidraulinei energijai.“

Ir mokslininkams tai pavyko. Jie sukūrė anglį, kurios paviršiaus plotas yra stulbinantis – 4800 kvadratinių metrų viename grame – o tai, pasak jų, maždaug atitinka futbolo aikštės dydį, tvarkingai supakuotą į arbatinį šaukštelį.

„Mūsų žiniomis, ši ploto vertė yra didžiausia, apie kurią rašoma literatūroje“, – skelbiama tyrime, kuris paskelbtas žurnale „ACS Nano“.

Penki anglies žiedai

Šios medžiagos sėkmės raktas susijęs su tuo, kad hipergolinės reakcijos metu susidaro anglies vamzdeliai, kuriuose yra didelė koncentracija molekulinių žiedų, sudarytų iš penkių anglies atomų, vietoje įprastų šešių. Tai pakeičia ryšių kampus molekuliniu lygmeniu ir padidina vamzdelių stabilumą.

Reakcijos metu vamzdeliai susidarė išilgai mokslininkų sukurto šablono, suteikiančio struktūrai formą. Galiausiai gauta struktūra buvo padengta kalio hidroksidu, kuris nuplauna mažiau stabilias struktūras ir palieka tūkstančius mikroskopinių porų.

„Kai atliekama ši labai greita reakcija, susidaro puiki situacija, kai sistema negali atsipalaiduoti ir pereiti į mažiausios energijos būseną, o tai ji paprastai darytų, – pasakoja E. Giannelis. – Dėl hipergolinių reakcijų greičio galite pagauti medžiagą metastabilioje konfigūracijoje, kurios negalite gauti lėtai kaitinant įprastą reakciją.“

Per dvi minutes

Sukūrę šią medžiagą, mokslininkai išbandė ją, norėdami nustatyti, kiek anglies dioksido ji gali absorbuoti iš atmosferos. Rezultatas buvo toks, kad vos per dvi minutes ji sugebėjo surinkti 99 proc. visos savo talpos, t. y. beveik dvigubai daugiau nei dabartiniai aktyvuotos anglies produktai. Be to, buvo įrodyta, kad ji keturis kartus geriau kaupia energiją nei komerciškai parduodamos aktyvintosios anglys – o jos tūrinis energijos tankis yra 60 vatvalandžių litre.

„Šis metodas siūlo alternatyvią strategiją kuriant ir sintetinant anglies pagrindo medžiagas, tinkamas absorbentams, katalizatorių atramoms ir aktyviosioms medžiagoms superkondensatoriams, ypač tose srityse, kuriose reikia efektyvumo erdvės atžvilgiu, – aiškina N. Chalmpesas. – Be to, unikalios eksperimentinės hipergolinių reakcijų sąlygos suteikia dar vieną būdą kurti ir sintetinti geresnių savybių elektrokatalizatorius.“

Parengta pagal „New Atlas“.