دانشمندان موشکی سال‌هاست که از چیزی به نام واکنش‌های هایپرگلیک(hypergolic) به عنوان سوخت برای طیف وسیعی از فضاپیماها استفاده می‌کنند. این واکنش‌ها بین دو ماده شیمیایی که معمولا یک سوخت و یک اکسیدکننده است، صورت می‌گیرد که آنقدر شدید هستند که اگر به درستی هدایت شوند، می‌توانند نیروی محرکه پرتاب موشک را ایجاد کنند. به عنوان مثال، یکی از رایج‌ترین ترکیبات در دنیای پیشرانه‌های هایپرگلیک، مخلوط کردن هیدرازین سوخت با اکسید کننده نیتروژن تتروکسید است.

 در دانشگاه کرنل، نیکولاس چالمپس(Nikolaos Chalmpes)، محقق فوق دکتری، از واکنش‌های هایپرگولیک به شیوه‌ای متفاوت استفاده کرد. او در حال ایجاد مواد از نیروهای قدرتمندی بود که با ترکیب مواد شیمیایی مختلف آزاد می‌شوند.

امانوئل جیانلیس(Emmanuel Giannelis)، استاد دانشگاه کرنل، با تصور اینکه چنین روشی ممکن است به افزایش تخلخل کربن کمک کند، و سطح آن را افزایش داده و آن را در ذخیره انرژی و جذب دی اکسید کربن بهتر کند، کار با چالمپس را بر روی یک مطالعه جدید آغاز کرد.

چالمپس، نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: من در تلاش بودم تا بفهمم چگونه می‌توان این واکنش‌های ناشناخته را برای سنتز نانوساختارهای کربنی مختلف مهار و کنترل کرد و پس از تنظیم پارامترهای مختلف، متوجه شدم که ممکن است بتوانیم به تخلخل فوق‌العاده بالا دست یابیم. تا آن زمان، این واکنش‌ها فقط در سیستم‌های موشکی و هواپیما، و کاوشگرهای فضای عمیق برای نیروی محرکه و هیدرولیک استفاده می‌شدند.

این دو، با کمک گروهی از دانشمندان دیگر، موفق شدند. آنها کربنی ایجاد کردند که دارای مساحت شگفت انگیز ۴۸۰۰ متر مربع در هر گرم است که به گفته آنها تقریبا معادل یک زمین فوتبال است که روی یک قاشق چای خوری قرار بگیرد. محققان در مطالعه خود که در مجله ACS Nano منتشر شده است، نوشتند: تا جایی که ما می‌دانیم، این بالاترین میزان گزارش شده در مقالات تا کنون است.

پنج حلقه کربنی

کلید موفقیت این ماده به این واقعیت برمی‌گردد که واکنش هایپرگلیک لوله‌های کربنی ایجاد می‌کند که دارای غلظت بالایی از حلقه‌های مولکولی ساخته شده از پنج اتم کربن به جای شش اتم معمول هستند. این باعث تغییر زوایای پیوندها در سطح مولکولی شده و به پایداری لوله‌ها می‌افزاید.

در این واکنش، لوله‌ها خود را در امتداد قالبی که توسط محققان ایجاد شده بود جمع کردند تا شکل ساختار را بسازند. در نهایت، ساختار حاصل با هیدروکسید پتاسیم پوشانده شد که ساختارهای کمتر پایدار را از بین ببرد و هزاران منافذ میکروسکوپی به جای بگذارد.

پس از ایجاد این ماده، محققان آن را آزمایش کردند تا ببینند چه مقدار دی‌اکسیدکربن را می‌تواند از جو جدا کند. نتیجه این بود که تنها در دو دقیقه توانست ۹۹ درصد از کل ظرفیت خود را دریافت کند، این موضوع، بازدهی محصولات کربن فعال فعلی را تقریبا دو برابر می‌کند. همچنین نشان داده شد که توانایی ذخیره انرژی را چهار برابر بیشتر نسبت به کربن‌های فعال تجاری موجود دارد و چگالی انرژی حجمی آن ۶۰ وات ساعت بر لیتر است.

چالمپس می‌گوید: این رویکرد یک استراتژی جایگزین برای طراحی و سنتز مواد مبتنی بر کربن به‌ ویژه در کاربردهایی که نیاز به کارایی فضایی دارند، ارائه می‌کند.