کشف مولکول‌هایی جدید با توانایی جذب گازهای گلخانه‌ای

«قفس قفس‌ها» تعریفی است که دانشمندان برای نوع جدیدی از مواد متخلخل به‌کار برده‌اند. این مواد با ساختار مولکولی منحصربه‌فردشان می‌توانند برای به‌دام‌انداختن کربن دی‌اکسید و دیگر گاز‌‌های گلخانه‌ای قوی‌تر استفاده شوند.

گروه پژوهشی که متشکل از محققان بریتانیایی و چینی است، ادعا می‌کند که ماده‌ی جدید در دو مرحله در آزمایشگاه ساخته می‌شود؛ بدین صورت که واکنش‌ها، عناصر سازنده‌‌ای به شکل منشور مثلثی را مونتاژ می‌کنند و آن‌ها، قفس‌های چهاروجهی‌ بزرگ‌تر و متقارن‌تر می‌سازند و بدین ترتیب، اولین ساختار مولکولی این‌چنینی تولید می‌شود.

ماده‌ی به‌دست‌‌آمده با فراوانی مولکول‌های قطبی، گازهای گلخانه‌ای مانند کربن دی‌اکسید (CO2) را با میل ترکیبی قوی جذب می‌کند و نگه می‌دارد. این ماده همچنین با پایداری عالی در آب نشان داد که استفاده از آن در جذب کربن در محیط‌های صنعتی، در جریان‌های گاز خیس یا مرطوب بسیار حیاتی است.

مارک لیتل، دانشمند مواد در دانشگاه هریوت وات در ادینبورگ و نویسنده ارشد مطالعه، می‌گوید: «این یک کشف هیجان‌انگیز است، زیرا ما به مواد متخلخل جدید برای کمک به حل بزرگ‌ترین چالش‌های جامعه، مانند جذب و ذخیره‌ی گازهای گلخانه‌ای، نیاز داریم.»

عکاس: Zhu et al / Nature Synthesis

اگرچه ساخت ماده‌ی جدید در مقیاس بزرگ آزمایش نشده، اما آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان داد که ماده‌ی قفس‌مانند جدید، جذب بالایی برای گوگرد هگزا فلوئورید (SF6) دارد که طبق گفته هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم، قوی‌ترین گاز گلخانه‌ای است.

کربن دی‌اکسید بین ۵ تا ۲۰۰ سال در جو باقی می‌ماند، اما پایداری گاز گوگرد هگزا فلوئورید در جو ممکن است بین ۸۰۰ تا ۳٬۲۰۰ سال باشد. بنابراین هرچند سطح SF6 در جو بسیار پایین‌تر است، طول عمر بسیار طولانی آن پتانسیل گرمایش جهانی SF6 را حدود ۲۳٬۵۰۰ برابر بیشتر از CO2 در ۱۰۰ سال می‌کند.

ما برای تغییرات مثبت آب‌وهوایی باید مقادیر زیادی SF6 و CO2 را از اتمسفر حذف، یا قبل از آن، از ورود آن‌ها به جو جلوگیری کنیم. محققان تخمین می‌زنند که به‌منظور خنثی‌سازی روند صعودی انتشار کربن، سالانه باید حدود ۲۰ میلیارد تن از این گاز از جو حذف شود.

استراتژی‌های حذف کربن تاکنون حدود دو میلیارد تن در سال کربن حذف می‌کنند، که عمدتاً درختان و خاک‌ هستند که کار طبیعی خود را انجام می‌دهند. تنها حدود ۰٫۱ درصد حذف کربن، یعنی حدود ۲٫۳ میلیون تن در سال، به لطف فناوری‌های جدید مانند جداسازی مستقیم کربن از هوا است که از مواد متخلخل برای جذب CO2 از هوا استفاده می‌کند.

محققان مشغول ابداع مواد جدید برای بهبود جداسازی مستقیم کربن از هوا هستند تا آن را کارآمدتر و مصرف انرژی آن را کمتر کنند و این ماده جدید می‌تواند گزینه‌ی خوبی باشد؛ اما برای جلوگیری از بدترین تأثیرات تغییرات آب‌وهوایی، باید انتشار گازهای گلخانه‌ای را سریع‌تر از این فناوری‌های نوپا کاهش دهیم.

ساخته‌شدن مولکول‌ها با روش خودسامانی سوپرامولکولی است. لیتل و همکارانش در مقاله‌ی منتشرشده در نیچر سنتسیس توضیح می‌دهند که این روش می‌تواند ساختارهای در‌هم‌تنیده شیمیایی را از عناصر سازنده‌ی ساده‌تر تولید کند، اما نیاز به تنظیم دقیق دارد، زیرا «بهترین شرایط واکنش به‌طور طبیعی، معمولاً آن‌هایی نیستند که اغلب اتفاق می‌افتند.»

هرچه مولکول نهایی پیچیده‌تر باشد، سنتز آن سخت‌تر می‌شود و در آن واکنش‌ها «درآمیختگی» مولکولی بیشتری رخ می‌دهد.

برای کنترل برهمکنش‌های مولکولی نامرئی، محققان از شبیه‌سازی‌ها برای پیش‌بینی چگونگی ترکیب مولکول‌های واکنش‌دهنده در این نوع جدید از مواد متخلخل استفاده کردند. آن‌ها هندسه‌ی احتمالی مولکول‌های پیش‌ساز و پایداری و استحکام شیمیایی محصول نهایی را در نظر گرفتند.

محققان گفتند ماده‌ی جدید به‌غیر از پتانسیل جذب گازهای گلخانه‌ای، برای حذف بخارات سمی دیگر از هوا، مانند ترکیبات آلی فرار، که به‌راحتی از سطوح به بخار یا گاز تبدیل می‌شوند، قابل‌ استفاده است. لیتل می‌گوید: «ما این مطالعه را گامی مهم برای راه‌اندازی چنین برنامه‌هایی در آینده می‌دانیم.»