Эта статья была впервые опубликована в журнале Cosmos Print Magazine в сентябре 2024 года.
Устройство может перерабатывать батареи и солнечные панели, изготавливать магниты и фармацевтические препараты, а также извлекать отдельные молекулы газа из смеси. Оно может делать всё это с меньшими затратами энергии и меньшим количеством добавок, чем использует промышленность. Инструмент может значительно улучшить воздействие химического производства на окружающую среду, одновременно повышая его производительность. Возможно, он даже будет обеспечивать водой и воздухом в космосе.
Это технологическое чудо, способное на многое, — шаровая мельница.
Улавливание газа и переработка батарей
Это изобретение XIX века: вращающийся цилиндр, заполненный стальными шарами, предназначенный для измельчения материалов в мелкий порошок. Шаровая мельница более систематична, чем кухонный пестик и ступка, но делает то же самое.
Тем не менее шаровые мельницы и область, к которой они относятся, механохимия, переживают ренессанс.
«В этом есть естественная экологичность», — говорит профессор Томислав Фришич, химик из Бирмингемского университета в Великобритании. Фришич говорит, что эта устойчивость — одна из причин, по которой механохимия привлекает столько внимания.
«И ещё одна причина в том, что она действительно работает», — добавляет он.
Захват газа
Доктор Шрикант Матети впервые использовал шаровую мельницу, и эксперимент прошёл настолько хорошо, что он подумал, что допустил ошибку. Результаты были просто слишком хороши, чтобы иметь смысл.
«Я был аспирантом второго курса», — вспоминает Матети, ныне научный сотрудник Университета Дикина. Он использовал шаровую мельницу для объединения углеводорода с соединением под названием нитрид бора (также называемый белым графеном), изготовленным из бора и азота.
«Это как пользоваться стиральной машиной с фронтальной загрузкой. Вы закрываете её, заливаете жидкость внутрь, и она запускается», — говорит Матети. Вместо воды он закачивал газ, отслеживая его по давлению внутри мельницы.
«Но через некоторое время газ исчез», — говорит он. Согласно показаниям прибора, давление внутри камеры было нулевым.
Метод хранения и транспортировки газа
Метод начался с углеводородов, но команда Матети показала, что он может работать с различными другими газами, включая углекислый газ, аммиак и водород. Хранение и транспортировка этих трёх газов является всё более важной проблемой: CO2, улавливаемый из атмосферы и промышленных процессов, должен куда-то деваться, в то время как водород и аммиак играют важную роль в энергетике и сельском хозяйстве. В газообразной форме они текут и опасны. Но в сочетании с нитридом бора в шаровой мельнице они становятся гораздо более податливыми.
Процесс также селективен: вы можете настроить его так, чтобы просто всасывать один тип газа, например CO2, из смеси.
«Мы довольны результатами, потому что метод и материал универсальны», — говорит Матети. Он и его коллеги сейчас изучают различные варианты применения метода шаровой мельницы и нитрида бора, подавая заявки на патенты.
Переработка батарей
Шаровые мельницы более знакомы исследователям аккумуляторов, особенно тем, кто интересуется переработкой. Литий-ионные аккумуляторы представляют собой сложные смеси драгоценных металлов, и ни один производитель не использует точно такой же рецепт.
Доктор Александр Долотко, инженер по переработке аккумуляторов, и его коллеги из Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии опубликовали подробности новой техники. Команда обнаружила, что добавление катодов аккумуляторов в шаровую мельницу вместе с восстановителем, таким как алюминий, даёт смесь, богатую оксидом лития. Удобно, что литий — единственная часть смеси, которая растворяется в воде.
«С помощью простого водного выщелачивания и фильтрации мы можем отделить литий от всех других побочных продуктов», — говорит Долотко.
Механическая энергия, запускающая химические реакции
Профессор Джеймс Батеас, химик из Техасского университета A&M в США, говорит, что пятнадцать лет назад в механохимии было, возможно, 30–40 статей в год. «Сейчас мы наблюдаем порядка 800 статей в год, и их количество продолжает расти».
Батеас, который любит, чтобы его мартини встряхивали, а не перемешивали, является соредактором-в-главе журнала Mechanochemistry, который был запущен Королевским химическим обществом Великобритании в марте 2024 года. Это первый журнал, посвящённый исключительно этой области.
«Мы слышали от многих людей, работающих в области механохимии, что им было трудно получить экспертную оценку своих статей от экспертов в области механохимии», — говорит доктор Лаура Фишер, исполнительный редактор журнала.
Будущее механохимии
«Я совершенно уверен, что мы увидим механохимические реакторы на Луне и Марсе», — говорит Батеас.
Одной из причин является устойчивость: шаровая мельница — это классический пример зелёной химии. «10–20 лет назад это не было такой горячей темой», — говорит Фишер.
Фармацевтическая промышленность — ещё одно влияние. «Существует большой стимул для создания новых лекарств, особенно после COVID», — говорит Фишер. Механохимия предлагает новые пути реакций для новых молекул.
Но центральным в интересе является способность правильно понимать механохимию.
«Что значит встряхивать, вибрировать, сжимать, перемещать материалы, толкать частицы вместе, создавать компрессионные волны? Что это значит для химии?» — спрашивает Фришич.
«Теперь у нас есть разные наборы инструментов, которые позволяют нам начать по-настоящему понимать, что происходит в этих реакторных системах на молекулярном уровне», — говорит Батеас. «Я люблю говорить о механических эффектах как о химии шейкера для мартини — я бросаю туда кое-что и получаю что-то обратно. Но с научной точки зрения существует реальная потребность понять: как сделать механохимию контролируемой и предсказуемой?»