روش نوین سنتز: راهی به سمت تولید پایدار و سبز

تحولی در سنتز مواد جامد با روش جدید گرمایش جولی

آزمایشگاه جیمز تور در دانشگاه رایس یک روش جدید به نام گرمایش جولی فلاش در فلاش (FWF) توسعه داده است که می‌تواند فرآیند سنتز مواد جامد با کیفیت بالا را متحول کند و فرآیند تولیدی پاک‌تر، سریع‌تر و پایدارتر را ارائه دهد. این یافته‌ها در تاریخ ۸ اوت در نشریه Nature Chemistry منتشر شد.

به طور سنتی، سنتز مواد جامد فرآیندی زمان‌بر و پرهزینه از نظر انرژی بوده است که معمولاً با تولید محصولات جانبی مضر همراه است. اما روش FWF امکان تولید مقادیر گرمی از ترکیبات مختلف را در عرض چند ثانیه فراهم می‌کند و در عین حال مصرف انرژی، آب و انتشار گازهای گلخانه‌ای را بیش از ۵۰ درصد کاهش می‌دهد و استاندارد جدیدی برای تولید پایدار تعیین می‌کند.

این تحقیق نوآورانه بر اساس توسعه‌ی تور در سال ۲۰۲۰ در زمینه دفع زباله و کاربردهای بازیافت با استفاده از گرمایش جولی فلاش است؛ روشی که با عبور جریان الکتریکی از یک ماده با مقاومت متوسط، آن را به سرعت به بیش از ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد (بیش از ۵۰۰۰ درجه فارنهایت) گرم می‌کند و به مواد دیگر تبدیل می‌سازد.

تور، استاد شیمی و استاد علم مواد و نانو مهندسی، در این باره گفت: “کلید کار این است که قبلاً ما فقط کربن و چند ترکیب دیگر که می‌توانستند هادی باشند را فلاش می‌کردیم. اکنون می‌توانیم بقیه جدول تناوبی را به صورت فلاش سنتز کنیم. این یک پیشرفت بزرگ است.”

موفقیت FWF در توانایی آن برای غلبه بر محدودیت‌های هدایتی روش‌های سنتی گرمایش جولی فلاش نهفته است. تیم تحقیقاتی شامل دانشجویان دکترا و کارشناسان دیگر، به دنبال راه‌های نوآورانه برای بهبود این فرآیند هستند.

تحولی در سنتز مواد با روش FWF

دانشجوی چی هون “ویل” چوی و نویسنده مسئول، ییمو هان، استادیار شیمی، علم مواد و نانو مهندسی، یک ظرف حرارتی خارجی با محتوای کک متالورژیکی و یک راکتور داخلی نیمه‌ بسته حاوی مواد واکنشی هدف را طراحی کردند. روش FWF با تولید حرارت شدید حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، مواد واکنشی را به سرعت به مواد با کیفیت بالا تبدیل می‌کند.

بر اساس این مطالعه، این رویکرد نوین امکان سنتز بیش از ۲۰ ماده منحصر به فرد و انتخابی با خلوص و ثبات بالا را فراهم می‌آورد. قابلیت انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری FWF برای تولید مواد نیمه‌رسانا نسل آینده، مانند دی‌سلنید مولیبدن (MoSe2)، دی‌سلنید تنگستن و دی‌سلنید ایندیم فاز آلفا که به طور سنتی سنتز آنها دشوار است، ایده‌آل است.

چوی در این باره گفت: “برخلاف روش‌های سنتی، FWF نیازی به افزودن عوامل رسانا ندارد که این امر منجر به کاهش تشکیل ناخالصی‌ها و محصولات جانبی می‌شود.” این پیشرفت فرصت‌های جدیدی در زمینه‌های الکترونیک، کاتالیز، انرژی و تحقیقات بنیادی ایجاد می‌کند. همچنین، راه‌حلی پایدار برای تولید انواع مختلف مواد ارائه می‌دهد.

علاوه بر این، FWF پتانسیل انقلابی در صنایع مانند هوافضا دارد، جایی که موادی مانند MoSe2 تولید شده با FWF به عنوان روان‌کننده‌های حالت جامد عملکرد فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند.

هان در این خصوص گفت: “FWF نمایانگر یک تغییر تحول‌آفرین در سنتز مواد است. با ارائه روشی مقیاس‌پذیر و پایدار برای تولید مواد با کیفیت بالا، این روش موانع تولید را برطرف کرده و راه را برای آینده‌ای پاک‌تر و کارآمدتر هموار می‌کند.”