بزرگنمايي:

سیاست و بازاریابی - ایرنا / پژوهشگران جوهری گرافنی ساخته‌اند که پس از استفاده از حسگر، می‌توان بیش از ۹۳ درصد گرافن آن را بازیابی و دوباره برای ساخت حسگرهای جدید استفاده کرد.
به گزارش روز چهارشنبه گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این جوهر در پنج چرخه پیاپی بازیافت و چاپ مجدد، افت محسوسی در عملکرد نشان نداد و حتی برای ساخت گرم‌کننده‌های گرافنی نیز به کار رفت. استفاده از حلال گیاهی لینالول، علاوه بر آسان‌تر کردن بازیافت، ردپای کربنی جوهر را نیز کاهش داده و راه را برای الکترونیک چاپی پایدارتر هموار کرده است.
گرافن یکی از جذاب‌ترین مواد برای ساخت نسل جدید حسگرها و تجهیزات الکترونیکی چاپی است؛ اما در کنار عملکرد بالای این ماده، مسئله پایان عمر محصولات ساخته‌شده با آن همچنان یک چالش مهم به‌شمار می‌رود.
بسیاری از جوهرهای رسانای مورد استفاده در الکترونیک چاپی به حلال‌های پتروشیمیایی متکی هستند و ترکیب پیچیده لایه‌های مختلف نیز بازیابی مواد ارزشمند را دشوار می‌کند.
اکنون پژوهشگران آزمایشگاه‌های سیلیکون اتریش (Silicon Austria Labs) و مؤسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) روشی ارائه کرده‌اند که می‌تواند این چرخه را تغییر دهد؛ در این روش، گرافن موجود در حسگرهای مصرف‌شده بازیابی و برای چاپ دوباره تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شود، بدون آنکه عملکرد آن پس از پنج چرخه بازیافت کاهش یابد.
هسته این دستاورد، نوعی جوهر بدون سورفکتانت بر پایه نانوپلاکت‌های گرافنی (Graphene Nanoplatelets؛ GNPs) است. در این جوهر از لینالول (Linalool)، یک الکل ترپنی طبیعی که در گیاهانی مانند اسطوخودوس، ریحان و دیگر گیاهان معطر یافت می‌شود، به‌عنوان حلال استفاده شده است.
ماده دیگری به نام اتیل‌سلولز نیز نقش چسباننده را ایفا می‌کند. ترکیب این مواد به پژوهشگران اجازه داده است جوهری بسازند که نه‌تنها برای چاپ حسگر مناسب باشد، بلکه پس از پایان عمر محصول نیز بتوان اجزای اصلی آن را با روشی نسبتاً ساده از یکدیگر جدا و دوباره استفاده کرد.
پژوهشگران ابتدا با استفاده از این جوهر، حسگرهای الکتروشیمیایی سه‌الکتروده را روی بستر پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) چاپ کردند. پس از استفاده از حسگرها، آن‌ها تجهیزات را وارد فرایند بازیافت کردند و توانستند بیش از ۹۳ درصد گرافن موجود را همراه با حلال و بستر PET بازیابی کنند.
نکته مهم این بود که مواد بازیابی‌شده بار دیگر برای تولید تجهیزات جدید به کار رفتند. این چرخه پنج بار متوالی تکرار شد و آزمایش‌ها نشان دادند که عملکرد الکتریکی و ساختاری گرافن در این فرایند حفظ می‌شود.
انتخاب لینالول نیز نتیجه یک بررسی هدفمند بود. پژوهشگران برای شناسایی حلال مناسب از پارامترهای انحلال‌پذیری هانسن (Hansen Solubility Parameters) در کنار راهنمای پایداری حلال شرکت گلاکسواسمیت‌کلاین (GlaxoSmithKline؛ GSK) استفاده کردند؛ راهنمایی که حلال‌ها را بر اساس شاخص‌هایی مانند سمیت، ایمنی و اثرات زیست‌محیطی ارزیابی می‌کند.
از آنجا که نانوپلاکت‌های گرافنی مورد استفاده در این پژوهش از ده‌ها تا صدها لایه تشکیل شده‌اند، رفتار آن‌ها با گرافن چندلایه یا کم‌لایه یکسان نیست. به همین دلیل، پژوهشگران مدل انحلال‌پذیری را متناسب با این ساختارها بازتنظیم کردند. این بررسی در نهایت استفاده از حلال‌هایی مانند سایرن (Cyrene) و تولوئن را نامناسب نشان داد و آزمایش‌های پراکنش نیز برتری لینالول را نسبت به ترپینئول (Terpineol)، ان‌متیل-۲-پیرولیدون (NMP) و سایرن نشان داد.
در میان ترکیب‌های مختلف، استفاده از ۷۰ درصد وزنی نانوپلاکت‌های گرافنی بهترین توازن را میان رسانایی الکتریکی، قابلیت چاپ و چسبندگی به بستر ایجاد کرد. حسگرهای چاپ‌شده با این جوهر نیز در دمای تنها ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد پخت شدند؛ در حالی که یک جوهر تجاری گرافنی بر پایه ترپینئول و اتیل‌سلولز که برای مقایسه آزمایش شد، به دمایی بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد نیاز داشت و پاسخ الکتروشیمیایی پایداری ارائه نمی‌کرد.
عملکرد حسگرهای جدید نیز قابل‌توجه بود. سطح فعال الکتروشیمیایی آن‌ها حدود ۱٫۶ سانتی‌مترمربع اندازه‌گیری شد که اندکی بیشتر از یک جوهر کربنی تجاری بود. این حسگرها پس از ۲۸ روز نگهداری، ۸۴٫۲ درصد از پاسخ اولیه خود را حفظ کردند و توانستند دو مولکول زیستی مهم، یعنی اسید اوریک و اسید آسکوربیک، را شناسایی کنند. چنین عملکردی نشان می‌دهد که قابلیت بازیافت لزوماً به معنای قربانی‌کردن عملکرد حسگر نیست.
فرایند بازیافت نیز بر پایه همان ترکیباتی طراحی شده است که در ساخت جوهر به کار رفته‌اند. حسگرهای مصرف‌شده در حمامی از لینالول قرار گرفتند و با استفاده از امواج فراصوت ملایم، فرایند جداسازی تسهیل شد.
لینالول باعث متورم‌شدن و حل‌شدن بخشی از چسباننده اتیل‌سلولز می‌شود و در نتیجه، لایه‌های چاپ‌شده از بستر جدا می‌شوند. از آنجا که لایه‌های رسانا و عایق هر دو از ماتریس اتیل‌سلولز–لینالول استفاده می‌کنند، یک حلال واحد می‌تواند هم در فرمولاسیون جوهر و هم در مرحله بازیابی مورد استفاده قرار گیرد. سپس گرافن از طریق فیلتراسیون جدا می‌شود.
بررسی‌های طیف‌سنجی رامان نشان داد که ساختار گرافن در طول پنج چرخه بازیافت تا حد زیادی دست‌نخورده باقی می‌ماند. پژوهشگران از گرافن بازیابی‌شده برای چاپ دوباره حسگرها و همچنین ساخت گرم‌کننده‌های ژولی (Joule heaters) استفاده کردند.
این گرم‌کننده‌ها در ولتاژ ۸ ولت توانستند دمایی بیش از ۷۰ درجه سانتی‌گراد ایجاد کنند. جالب آنکه این فرایند تنها به بستر PET محدود نبود و روی بستری از جنس سلولز زیست‌تخریب‌پذیر نیز با موفقیت آزمایش شد؛ موضوعی که می‌تواند دامنه کاربرد این روش را در الکترونیک چاپی پایدار گسترش دهد.
اهمیت این دستاورد تنها به امکان استفاده دوباره از گرافن محدود نمی‌شود. پژوهشگران تأثیر زیست‌محیطی مواد اولیه را نیز ارزیابی کردند. ردپای کربنی جوهر تازه حدود ۱۶٫۰۲ کیلوگرم معادل دی‌اکسیدکربن به ازای هر کیلوگرم ماده محاسبه شد؛ رقمی که حدود ۴۲ درصد کمتر از میانگین ۲۷.۵۵ کیلوگرم معادل دی‌اکسیدکربن به ازای هر کیلوگرم برای جوهرهای گرافنی متداول مورد مقایسه بود. این مقدار برای جوهر بازیافتی به تنها ۶.۴۹ کیلوگرم معادل دی‌اکسیدکربن به ازای هر کیلوگرم رسید؛ یعنی حدود ۵۹ درصد کمتر از جوهر تازه. البته این ارزیابی تنها مواد اولیه را در نظر گرفته و انرژی مصرف‌شده در تولید، چاپ و بازیافت را شامل نمی‌شود.
این رویکرد در مجموع تصویری از یک سامانه الکترونیکی با چرخه بسته ارائه می‌دهد؛ سامانه‌ای که در آن گرافن پس از پایان عمر حسگر، به‌جای تبدیل‌شدن به پسماند، دوباره وارد فرایند تولید می‌شود. اهمیت این موضوع در شرایطی بیشتر آشکار می‌شود که استفاده از حسگرهای چاپی، تجهیزات پوشیدنی و دیگر سامانه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر در حال گسترش است و حجم پسماند ناشی از این محصولات نیز می‌تواند افزایش یابد.
حذف برخی حلال‌های نامطلوب، کاهش دمای پخت، امکان بازیابی بستر و گرافن و حفظ عملکرد در چندین چرخه، مجموعه‌ای از ویژگی‌ها را در اختیار این فناوری قرار می‌دهد که می‌تواند به توسعه نسل پایدارتر الکترونیک چاپی کمک کند. اگر چنین چرخه‌های بسته‌ای در مقیاس صنعتی نیز قابل اجرا باشند، حسگرهای گرافنی آینده ممکن است نه پایان یک چرخه مصرف، بلکه آغاز چرخه تولید یک حسگر جدید باشند.