قندهای اصلاح شده شیمیایی باعث تشکیل نانوساختار مستقیم می شوند

توسط موسسه ملی علوم و فناوری پیشرفته صنعتی

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان AIST سنتز مواد کربنی نانومتخلخل و مواد کربنی با نانوساختارهای لایه‌ای را از طریق یک فرآیند ساده شامل اصلاح شیمیایی قندهای رایج مانند ساکارز و فروکتوز نشان داده‌اند.

مواد کربنی نانومتخلخل به عنوان موادی که می توانند به رفع چالش های مرتبط با انرژی کمک کنند، با کاربردهای بالقوه به عنوان پشتیبانی کاتالیزور و مواد الکترود برای باتری های ثانویه توجه را به خود جلب کرده اند. به طور خاص، مواد کربن دار با اندازه و شکل منافذ بسیار یکنواخت، که می توانند برای کاربردهای خاص طراحی شوند، تقاضای فزاینده ای دارند.

با این حال، روش قالب‌بندی مرسوم دارای چندین اشکال است، از جمله نیاز به عوامل قالب قربانی و روش‌های سنتز پیچیده که منابع را مصرف می‌کنند و زباله تولید می‌کنند. علاوه بر این، برخی از روش‌های قالب‌سازی به فرآیندهای شیمیایی پر انرژی و خشن متکی هستند که شامل دماهای بالا و اسیدهای قوی هستند.

یک گروه تحقیقاتی در AIST روش جدیدی ابداع کرده است که سنتز مواد کربنی نانوساختار را تنها از مولکول های قند اصلاح شده شیمیایی امکان پذیر می کند. این روش از مولکول‌های قندی استفاده می‌کند که برای تحمل یک زنجیره آلکیل به عنوان پیش‌سازهای کربن اصلاح شده‌اند. این پیش سازها تحت عملیات هیدروترمال قرار می گیرند که طی آن واکنش های تراکم انجام می شود.

این رویکرد دسترسی به مواد کربنی نانوساختار را بدون تکیه بر قالب‌های معمولی یا پردازش‌های شیمیایی سخت فراهم می‌کند.

علاوه بر این، نانوساختار مواد کربنی حاصل را می‌توان با تغییر نوع گروه قند تغییر داد و یک ماده کربنی نانومتخلخل با نانو منافذ کروی یا یک ماده کربنی با ساختار نانومقیاس لایه‌ای تولید کرد.

این کار نشان دهنده یک تغییر از مسیر فعلی تشکیل منافذ «فیزیکی» بر اساس روش قالب‌بندی به مسیر تشکیل منافذ «شیمیایی» است. محققان انتظار دارند که این روش به عنوان یک پلت فرم سنتز برای طراحی مواد کربنی نانومتخلخل جدید با ویژگی‌های نانوساختاری که از طریق روش‌های قالب‌بندی مرسوم غیرقابل دسترس هستند، عمل کند.

استفاده از چنین موادی به عنوان داربست برای واکنش های شیمیایی مختلف ممکن است عملکرد مواد را در کاربردهایی مانند الکترودها و تکیه گاه های کاتالیست بهبود بخشد.

جزئیات این تحقیق به صورت آنلاین در مجله انجمن شیمی آمریکا در 12 اوت 2026 منتشر شد.

مواد کربنی نانومتخلخل دارای منافذ متعدد در مقیاس نانو و سطح ویژه بزرگی هستند و به دلیل توانایی آنها در ذخیره الکتریسیته، جذب مواد و ترویج واکنش های شیمیایی به طور گسترده شناخته شده اند. به عنوان مثال، در مطالعات کاربردی شامل ذخیره سازی انرژی و سلول های سوختی، مواد کربنی نانومتخلخل بستری را برای فرآیندهای ذخیره بار و همچنین واکنش های شیمیایی مختلف فراهم می کنند.

کربن فعال، یک ماده کربنی متخلخل به طور گسترده شناخته شده است، به دلیل تخلخل بالا که به آن اجازه می دهد تا مولکول هایی با اندازه های مختلف را جذب کند، برای تصفیه آب و بوزدایی استفاده می شود. با این حال، اندازه و شکل منافذ آن معمولا یکنواخت نیست.

در مقابل، مواد کربنی متخلخل با منافذی که از نظر اندازه و شکل یکنواخت هستند نیز می‌توانند مولکول‌هایی با اندازه‌های خاص را جذب کنند که مزایایی را برای کاربردهایی مانند ذخیره انرژی، جداسازی گاز و کاتالیز ارائه می‌دهد. این قابلیت تقاضا برای مواد کربنی نانومتخلخل را که دارای ساختار منفذی یکنواخت بوده و برای این کاربردها مناسب هستند، تسریع کرده است.

روش قالب بندی به طور گسترده برای تولید مواد کربنی با منافذ در مقیاس نانو کنترل شده استفاده شده است. در یک روش قالب بندی کلی، از عوامل پلیمری یا مواد معدنی پیش ساخته به عنوان قالب های قربانی استفاده می شود. مخلوط کردن یک منبع کربن با قالب، به دنبال کربن‌سازی و حذف قالب، مواد کربنی متخلخل به دست می‌دهد.

علیرغم اینکه یک استراتژی تثبیت شده برای ساخت مواد کربنی متخلخل با منافذ یکنواخت است، روش قالب بندی محدودیت هایی در کنترل معماری نانوحفره دارد. این محدودیت‌ها عمدتا از وابستگی روش به تنوع و در دسترس بودن الگوها ناشی می‌شوند که اساسا به کهن‌الگوهای خاصی محدود می‌شوند.

علاوه بر این، در این روش، الگوهای با دقت آماده شده در طول فرآیند قربانی می‌شوند، در حالی که مرحله حذف الگو بیشتر به درمان‌های شیمیایی خشن که نیاز به اسیدهای قوی یا دمای بالای چند صد درجه سانتی‌گراد دارند، متکی است.

بنابراین، برای تولید مواد کربنی نانومتخلخل با معماری منافذ متناسب، محققان به دنبال استراتژی‌های مصنوعی هستند که کنترل انعطاف‌پذیری را بر ساختارهای منفذی ارائه می‌دهند و در عین حال سادگی مصنوعی و شرایط واکنش ملایم را حفظ می‌کنند.

شیوری کوبو و همکاران، قندهای اصلاح‌شده شیمیایی به‌عنوان پیش‌سازهای چند منظوره برای سنتز مستقیم و بدون الگوی مواد کربنی نانومتخلخل، مجله انجمن شیمی آمریکا (2026). DOI: 10.1021/jacs.5c16771

اطلاعات مجله: مجله انجمن شیمی آمریکا

ارائه شده توسط موسسه ملی علوم و فناوری پیشرفته صنعتی

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →