جوهر گرافنی بازیافت‌پذیر: ۹۳ درصد گرافن حسگر مصرف‌شده دوباره قابل استفاده شد

پژوهشگران آزمایشگاه‌های سیلیکون اتریش (Silicon Austria Labs) و مؤسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) جوهری گرافنی ساخته‌اند که پس از پایان عمر حسگر، امکان بازیابی بیش از ۹۳ درصد گرافن آن را می‌دهد. به گزارش ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این جوهر در پنج چرخه پیاپی بازیافت و چاپ مجدد افت محسوسی در عملکرد نشان نداد.

چرا بازیافت گرافن مهم است؟

گرافن برای ساخت حسگرها و الکترونیک چاپی انعطاف‌پذیر جذاب است، اما پایان عمر این محصولات مشکل‌ساز است. بسیاری از جوهرهای رسانا به حلال‌های پتروشیمیایی وابسته‌اند و لایه‌های درهم‌تنیده، جداسازی مواد ارزشمند را دشوار می‌کند. با گسترش حسگرهای چاپی و تجهیزات پوشیدنی، حجم این پسماند هم بیشتر می‌شود.

ترکیب جوهر

جوهر بدون سورفکتانت است و بر پایه نانوپلاکت‌های گرافنی (GNPs) ساخته شده؛ ذراتی که از ده‌ها تا صدها لایه تشکیل شده‌اند. حلال آن لینالول است، الکلی ترپنی که در گیاهانی مانند اسطوخودوس و ریحان وجود دارد، و اتیل‌سلولز نقش چسباننده را دارد. بهترین توازن میان رسانایی، قابلیت چاپ و چسبندگی با ۷۰ درصد وزنی نانوپلاکت به دست آمد.

برای انتخاب حلال، پژوهشگران از پارامترهای انحلال‌پذیری هانسن و راهنمای پایداری حلال شرکت GSK استفاده کردند و مدل را متناسب با ساختار چندلایه نانوپلاکت‌ها بازتنظیم کردند. در آزمایش‌های پراکنش، لینالول از ترپینئول، ان‌متیل-۲-پیرولیدون (NMP) و سایرن (Cyrene) بهتر عمل کرد.

چاپ و عملکرد حسگر

حسگرهای الکتروشیمیایی سه‌الکتروده روی بستر پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) چاپ شدند و در دمای ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد پخته شدند. جوهر تجاری مقایسه‌ای بر پایه ترپینئول و اتیل‌سلولز به دمایی بالاتر از ۲۰۰ درجه نیاز داشت و پاسخ الکتروشیمیایی پایداری نداد.

• سطح فعال الکتروشیمیایی: حدود ۱٫۶ سانتی‌مترمربع، اندکی بیشتر از جوهر کربنی تجاری مقایسه‌ای
• حفظ ۸۴٫۲ درصد پاسخ اولیه پس از ۲۸ روز نگهداری
• شناسایی اسید اوریک و اسید آسکوربیک

بازیافت چگونه انجام می‌شود؟

حسگر مصرف‌شده در حمامی از لینالول قرار می‌گیرد و امواج فراصوت ملایم جداسازی را تسهیل می‌کند. لینالول بخشی از اتیل‌سلولز را متورم و حل می‌کند و لایه‌های چاپ‌شده از بستر جدا می‌شوند. از آنجا که لایه‌های رسانا و عایق هر دو از ماتریس اتیل‌سلولز–لینالول ساخته شده‌اند، یک حلال واحد هم در ساخت جوهر و هم در بازیافت کاربرد دارد. گرافن سپس با فیلتراسیون جدا می‌شود. طیف‌سنجی رامان نشان داد ساختار گرافن در پنج چرخه تا حد زیادی دست‌نخورده می‌ماند.

با گرافن بازیابی‌شده، حسگر جدید و گرم‌کننده ژولی چاپ شد. گرم‌کننده‌ها در ولتاژ ۸ ولت به دمایی بیش از ۷۰ درجه سانتی‌گراد رسیدند و روش روی بستر سلولزی زیست‌تخریب‌پذیر هم آزمایش شد.

ردپای کربنی

ردپای کربنی جوهر تازه حدود ۱۶٫۰۲ کیلوگرم معادل دی‌اکسیدکربن به ازای هر کیلوگرم ماده محاسبه شد؛ حدود ۴۲ درصد کمتر از میانگین ۲۷٫۵۵ برای جوهرهای گرافنی متداول مورد مقایسه. برای جوهر بازیافتی این رقم ۶٫۴۹ بود، یعنی حدود ۵۹ درصد کمتر از جوهر تازه. این ارزیابی فقط مواد اولیه را در نظر می‌گیرد و انرژی تولید، چاپ و بازیافت را شامل نمی‌شود.

گام بعدی

این نتایج مربوط به آزمایشگاه است. اینکه چنین چرخه بسته‌ای در مقیاس صنعتی هم اجرا شود، هنوز باید نشان داده شود.

منبع: ایرنا به نقل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو