الجرافين.. تساؤلات حول استدامة الاقتصاد الدائري

تتمثل المواجهة الرئيسة التي تعيق التوسع المسؤول بيئيًا للمواد ثنائية الأبعاد في الاعتماد السائد على تعدين المعادن، ومع توقع معدلات التعدين المعاصرة استنفاد الرواسب عالية الجودة خلال العقود المقبلة، فإن هذا الاعتماد المحدود على المواد الخام يهدد استقرار الإنتاج..
لقد أدى ظهور المواد ثنائية الأبعاد إلى إطلاق وظائف استثنائية، من الإلكترونيات إلى تخزين الطاقة، والتي تعد بتقنيات تحويلية، ومع ذلك، فقد ظهرت تحديات كبيرة مع ارتفاع الطلب عليها، مما أعاق اعتمادها على نطاق واسع ومستدام في الاقتصاد الدائري.
فمنذ عام 2004 أثار إنتاج وعزل الجرافين أحادي الطبقة اهتمامًا عالميًا بالمواد ثنائية الأبعاد، تنشأ الهياكل والخصائص الفريدة لهذه المواد الرقيقة ذريًا من التهجين والحبس الكمي لإلكتروناتها عند تنظيمها في مستويات ذات طبقات بدلاً من كتلة ثلاثية الأبعاد.
ومنذ ذلك الحين، نمت مجموعة المواد ثنائية الأبعاد بشكل كبير، حيث تتميز كل منها بخصائص مضبوطة تلبي الاستخدامات المختلفة، ركز التقدم المبكر في الغالب على دراسات إثبات المفهوم على نطاق المختبر فيما يتعلق بقدرات هذه المواد، ومع ذلك، فإن الارتفاع الهائل في المنشورات وبراءات الاختراع في العقد الماضي يشير إلى أن التحول نحو التسويق والتنفيذ في العالم الحقيقي يجري على قدم وساق.
وفي مقال له بعنوان، "الجرافين: مغير قواعد اللعبة في الإدارة المستدامة للنفايات وإعادة التدوير" يقول الدكتور جي سوبراهمانيا في آر كي راو: "بينما يندفع العالم نحو التزايد السكاني المستمر والنزعة الاستهلاكية المتفشية، أصبحت عواقب ثقافة الإهمال لدينا واضحة بشكل متزايد. تتسبب نفاياتنا في فيضان مدافن النفايات، واختناق المحيطات بالبلاستيك، وإرباك البيئة بتكلفتها، والحقيقة الصارخة هي أن نموذجنا الخطي الحالي "الأخذ والصنع والتخلص" يعمل بشكل غير مستدام، يجب أن ننتقل بشكل عاجل إلى الاقتصاد الدائري الذي يحافظ على الموارد قيد الاستخدام لأطول فترة ممكنة ويقلل النفايات أو يحولها إلى موارد قيمة، ومن خلال منح المواد حياة ثانية، فإننا نحافظ على الموارد، ونحد من التلوث، ونخفف من الأثر البيئي للنفايات. ومع ذلك، فإن بعض المواد مثل البلاستيك المختلط يصعب إعادة تدويرها أو تكون مكلفة، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات إعادة التدوير، كما أن جودة المواد المعاد تدويرها يمكن أن تتدهور مع كل دورة، مما يحد من إمكانية إعادة استخدامها، يمكن للشوائب الموجودة في مجاري النفايات أن تؤثر على جودة المواد المعاد تدويرها وتعيق إعادة دمجها في منتجات جديدة، يظهر على الساحة الجرافين، وهو مادة رائعة لديها القدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع إعادة التدوير، تتميز هذه الطبقة من الكربون التي يبلغ سمكها ذرة واحدة بمجموعة غير عادية من الخصائص".
ومن الصحيح القول إن ظهور المواد ثنائية الأبعاد قد بشر بعصر جديد من القدرات المادية وإمكانات الابتكار. ومع ذلك، يظل تحقيق اقتصاد مواد دائري ثنائي الأبعاد مستدامًا يمثل تحديًا كبيرًا متعدد الأوجه يشمل كل شيء بدءًا من التقدم في المختبرات وحتى إصلاحات البنية التحتية وحتى تطوير السياسات.
ويعد النهج المتكامل أمرًا حيويًا لتعزيز الاستخدام المسؤول للمواد ثنائية الأبعاد وتوزيعها وإدارتها للعقود القادمة، ومن خلال الرؤية والتعاون، يمكن أن تظهر حلول دائرية مبتكرة لتتناسب مع وتيرة تطوير وتوسيع المواد ثنائية الأبعاد.
على سبيل المثال، يمكن أن تتجاوز الإيرادات العالمية من منتجات الجرافين وحدها 1.64 مليار دولار بحلول عام 2034.
رغم ذلك، فإن الاستخدام المتزايد وتطوير المواد ثنائية الأبعاد يثير أسئلة مهمة بشأن الاستدامة ضمن إطار الاقتصاد الدائري.
وحول تلك التساؤلات تأتي دعوة كونستانتين نوفوسيلوف، الأستاذ في جامعة سنغافورة الوطنية ومخترع الجرافين، إلى التحرك إلى ما هو أبعد من الاقتصاد الدائري، وهو أمر ممكن فقط من خلال تطوير تقنيات ومواد جديدة يمكنها إنهاء دورة إنتاج كميات متزايدة باستمرار من النفايات الجديدة. واعترف عالم الفيزياء الحائز على جائزة نوبل أنه على الرغم من أن التقنيات الجديدة تحل العديد من القضايا، معطيًا مثالاً على التحسينات في بطارية الليثيوم وكفاءة الخلايا الشمسية التي تساعد في الكفاح من أجل الاستدامة، "لا يزال هناك تأثير الضرب في المكان الذي تصنع فيه الحل وهذا الحل يرد عليك"، وأصر على أن الصناعات بحاجة إلى النظر في كيفية إعادة تدوير المواد الجديدة عبر النظام البيئي، وقال: "علينا أن نبتكر حلولاً خارج الصندوق للخروج من هذا السباق في الحلقة المغلقة، الاقتصاد الدائري لم يعد جيدًا بما فيه الكفاية، نحن بحاجة إلى الانتقال إلى الاقتصادات الحلزونية"، في الاقتصاد الحلزوني، يتم إعادة استخدام المادة أو المنتج لأطول فترة ممكنة قبل تحويلها إلى طاقة، في حين أن الاقتصاد الدائري لا يتضمن الخطوة النهائية، وضرب نوفوسيلوف مثالاً بإضافة المواد النانوية إلى الخرسانة، وهي واحدة من أكبر الصناعات التي تطلق ثاني أكسيد الكربون في العالم، ومن خلال إضافة أقل من 0.5 % من الجرافين إلى المزيج، يمكن زيادة قوته بنسبة 30 % إلى 70 %، "تضيف كمية صغيرة من هذا المنتج.. وتقلل كمية الخرسانة التي تحتاج إلى إنتاجها بما يصل إلى النصف".
وتتمثل المواجهة الرئيسة التي تعيق التوسع المسؤول بيئيًا للمواد ثنائية الأبعاد في الاعتماد السائد على تعدين المعادن. ومع توقع معدلات التعدين المعاصرة استنفاد الرواسب عالية الجودة خلال العقود المقبلة، فإن هذا الاعتماد المحدود على المواد الخام يهدد استقرار الإنتاج، وفي الوقت نفسه، ينتج عن تصنيع المعادن بشكل مصطنع كبديل انبعاثات كربون أعلى بسبب الحرارة المكثفة والمدخلات الكيميائية اللازمة، مما يقوض مساعي الاستدامة.
وبصرف النظر عن استدامة العملية، تختلف الجودة والاتساق أيضًا بشكل كبير بالنسبة للمواد ثنائية الأبعاد المنتجة تقليديًا - وخاصة الجرافين - مع التحكم غير الدقيق في عدد الطبقات والعيوب والأكسدة، يساهم هذا في ركود التكنولوجيا حيث يترجم الجرافين غير المتسق إلى أداء غير موثوق للجهاز.
أخيرا يمكن القول إن ثمة حاجة إلى حلول قابلة للتطوير للحفاظ على قيمتها الجوهرية ومنع الإطلاق البيئي من خلال بروتوكولات الفصل والتنقية وإعادة الاستخدام المعززة المضمنة في تصميمات المنتجات وهو بدوره ما يجعلنا ننظر إلى ما هو أبعد من الاقتصاد الدائري.