نانولوله های کربنی (1)

نانولوله های کربنی یکی از پر کاربردترین نانوساختارهای مورد بحث در فناوری نانو هستند. آن ها بسیار ظریف اند و قطری حدود 10000 بار کوچک تر از موی انسان دارند. این نانوساختارها، به جهت بهره مندی از خواص منحصر به فرد مکانیکی، الکترونیکی، شیمیایی و مغناطیسی بالقوه، توان استفاده در الکترونیک، ذخیره سازی هیدروژن، ترانزیستورها، باتری ها، حسگرها، حافظه ها، مقاوم ساختن مواد، صفحات نمایشگر، کابل های برق و... را دارند. خواص عالی و چند گانه نانولوله ها از یک طرف و طبیعت کربنی نانولوله باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در این حیطه باشیم.  

نانولوله ها نوعی از اولین نانومواد واقعی بودند که در سطح ملکولی با روش های مهندسی تولید شدند. برآوردها از این که دقیقا نانولوله کربنی چه قدرتی دارد متفاوت است. اما آزمایش ها قبلاً نشان داده اند که قدرت کششی این مواد بیش از 40 برابر فولاد مرغوب و درجه یک است طبق برخی برآوردها، یک رشته نانولوله ای نازک تر از موی انسان می تواند یک تریلی را آویزان نگه دارد. بسیاری از متخصصان فناوری نانو تصریح می کنند که نانولوله ها نه تنها قوی ترین موادی هستند که تاکنون ساخته شده اند، بلکه در زمره قوی ترین مواد هستند که ممکن است در آینده ساخته شوند.
تاریخچه نانو لوله های کربنی
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌ های کربنی‌ که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده است در سال 1991 توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد.

سال ها پیش سامیوایجیما در حال تحقیق پشت یک میکروسکوپ الکترونی نشسته بود که رشته هایی نانومتری را در رسوب سیاه رنگ دوده ای مشاهده کرد. این رشته ها از کربن خالص تشکیل شده بودند و مانند بلورهای منظم دارای ساختار متقارن و آرایش یافته بودند. این مولکول های بزرگ، زیبا و خیلی بلند خیلی زود نانولوله نام گرفتند و موضوع مطالعات علمی و مهندسی پیشرفته تا حال حاضر بوده اند. ایجیما می گوید: درست است که ساخت نانولوله های کربنی برای من شگفت انگیز بود، اما همه ماجرا اتفاقی نبود، چون من تجربه های زیادی در مشاهده ابعاد کوچک نمونه های کربنی مثل کربن آمورف (بی شکل) و لایه های بسیار نازک گرافیتی داشتم؛ بنابراین سال ها با ساختارهای کربنی آشنا بودم و روی آن کار می کردم. کشف فولرین توسط ریچارد اسمالی و همکارانش مرا تشویق کرد و باعث شد که من هم به ساختارهای جدید کربنی فکر کنم. به عقیده ایجیما هزینه های تحقیقات روی نانولوله ها بسیار بالا است. با این حال ساخت ابرخازن های نانولوله ای اولویت بیشتری دارد. اخیراً به کمک گاز نیتروژن و یک ورقه نازک فولادی با روشی به نام رشد فوق سریع نانولوله ها را تولید کردیم و امید می رود هزینه نانولوله 200 تا500 دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یابد.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

خواص ویژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشیم. کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله متمرکز شده است. کوشش‌های گسترده‌ای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شکل نانولوله‌ها بر خواص الکتریکی صورت گرفته است.می توان گفت این علاقه ویژه به نانولوله‌ها از ساختار و ویژگی‌های بی‌نظیر آن ها سرچشمه می‌گیرد.
ویژگی‌ها وخصوصیات نانولوله های کربنی
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

خصوصیات مافوق تصور زیادی است که به نانولوله ها اختصاص دارد. در بین این خصوصیات انعطاف عالی یعنی تغییر شکل و خم شدن و بازگشت به حالت اولیه، استحکام کششی و ثبات حرارتی، خصوصیاتی هستند که پیش بینی هایی رویایی از ساخت محصولات فناوری نانو را در سر می پرورانند: روبات های میکروسکوپی، بدنه های صاف و پولادین برای خودروها که به سختی در تصادفات مچاله می شوند، باروهای مصنوعی و ساختمان هایی که در برابر زلزله مقاوم هستند. با این همه اولین محصولاتی که از نانولوله ها استفاده کرده اند، هیچ کدام از این مواد را در بر ندارند.درپایین برخی از ویژگی های نانولوله های کربنی را ذکرمی کنیم:

*اندازه بسیار کوچک (قطر کوچکتر از 0/4 نانومتر)

* حالت رسانا و نیمه‌رسانایی آن ها بر حسب شکل هندسی‌شان

نانولوله‌ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیتی سازنده ‌شان به صورت رسانا یا نیمه‌رسانا در می‌آیند. به عبارت دیگر از آنجا که نانولوله‌ها در سطح مولکولی همچون یک باریکه سیمی در هم تنیده به نظر می‌رسند اتم‌های کربن در قالب شش وجهی به یکدیگر متصل می‌شوند و این الگوهای شش وجهی دیواره‌های استوانه‌ای را تشکیل می‌دهند که اندازه آن تنها چند نانومتر می‌باشد. زاویه پیچش نوعی نانولوله، که به صورت زاویه بین محور الگوی شش وجهی آن و محور لوله تعریف می‌شود، رسانا یا نارسانا بودن را تعیین می‌کند. تحقیقات د یگری نیز نشان داده‌اند که تغییر شعاع نیز امکان بستن طول باند و عایق نمودن نانولوله فلزی را فراهم می‌کند. پس می‌توان گفت دوپارامتر اساسی که در این بین نقش اساسی بازی می‌کنند، یکی ساختار نانولوله و دیگری قطر و اندازه آن است. بررسی‌های دیگری نشان داده‌اند که خصوصیات الکتریکی نانولوله‌ها بسته به اینکه مولکول C60 در کجا قرار داده شود از یک هادی به یک نیمه‌هادی و یا یک عایق قابل تغییر می‌باشد.

خواص ویژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشیم

از آنجایی که نانولوله‌های کربنی قادرند جریان الکتریسته را به وسیله انتقال بالستیک الکترون بدون اصطکاک از سطح خود عبور دهند- این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است که از سیم مسی عبور می‌کند- لذا نانولوله‌ها انتخاب ایده‌آلی برای بسیاری از کاربردهای میکروالکترونیک می‌باشند.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

*برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه‌ای

* قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا

* سطح جداره صاف یا قدرت تفکیک بالا

سطح جداره صاف نانولوله‌ها باعث می‌شود که میزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بیشتر از غشاهای میکروحفره‌ای معمولی که در جداسازی گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند باشد. لذا می‌توان گازهایی مانند هیدروژن و دی‌اکسید کربن را با هدایت در نانولوله از هم جدا کرد. این که آیا نانولوله‌ها واقعاً می‌توانند در خارج از آزمایشگاه نیز گازها را به طور انتخابی از خود عبور دهند یا نه باعث شده که امیدهای زیادی به تولید هیدروژن و نیتروژن از هوا باشد.

* بروز خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد در طول آن ها

*مدول یانگ بالا
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

* حساس به تغییرات کوچک نیروهای اعمال شده

اعمال فشار بر یک نانولوله می‌تواند ویژگی‌های الکتریکی آن را تغییر دهد که بسته به نوع کشش یک نانولوله می‌توان رسانایی آن را افزایش یا کاهش داد. این امر به دلیل تغییر ساختار کوانتومی الکترون‌ها صورت می‌گیرد. لذا این امکان به فیزیکدان ها داده می‌شود که ترانسفورماتور یا دستگاه‌های انتقال دهنده بر پایه نانولوله‌ها بسازند که حساسیت زیادی به اعمال نیروهای بسیار کوچک دارند. همچنین توانایی نانولوله‌ها در احساس تغییرات بسیار کوچک فشار و باز تبدیل این فشار به صورت یک علامت الکتریکی می‌تواند در آینده امکان ساخت سوئیچ‌های نانولوله‌ای حساس به تغییرات بسیار کوچک فشار را به محققان بدهد.

* گسیل و جذب نور

نانولوله‌ها می‌توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع کنند. همچنین تزریق همزمان الکترون از یک سر و تزریق حفره از سر دیگر نانولوله‌کربنی، موجب می‌شود که نوری با طول موج 1/5 میکرومتر از نانولوله منتشر شود.

*ضریب تحرک الکتریسیته بسیار بالا

نانولوله‌ها در دمای اتاق دارای بالاترین ضریب تحرک الکتریسته نسبت به هر ماده شناخته شده دیگری هستند.

*خاصیت مغناطیسی، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ

با قرار دادن یک نانولوله در زیر لایه مغناطیسی یا با افزودن الکترون یا حفره به نانولوله می‌توان خاصیت مغناطیسی در نانولوله ایجاد کرد .این خاصیت باعث می‌شود که بتوان ساخت وسایلی را پیش‌بینی کرد که در آن ها اتصالات مغناطیسی و الکتریکی از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطیسی را می‌توان برای قطبی کردن مغناطیسی نانولوله‌ها- دستکاری در اسپین‌ها- به کار برد و از اتصال‌های غیرمغناطیسی برای الکترودهای ولتاژ- جریان استفاده کرد. همچنین ممان مغناطیسی آن ها نیز قابل اندازه‌گیری است (0/1 مگنتون بور در هر اتم کربن).

* چگالی سطحی بسیار بالا

نانولوله‌ها دارای چگالی سطحی بسیار بالایی می‌باشند که باعث استحکام بالای نانولوله می‌شود. می‌توان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آن ها پدیدار می‌شود.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

* قابلیت ذخیره‌سازی

در نانولوله‌ها هر سه اتم کربن قابلیت ذخیره یک یون لیتیم را دارند در حالی که در گرافیت هر شش اتم کربن توانایی ذخیره یک یون لیتیم را دارند. همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله‌ها چند برابر حجم الکترودهای گرافیتی است. لذا محققان امیدوارند بتوانند هیدروژن زیادی را در نانولوله‌ها برای کاربردهای انرژی و پیل‌های سوختی ذخیره کنند.

* داشتن خاصیت ابررسانایی

نانولوله‌ها در دمای زیر k ْ15 ابررسانا شده‌اند. شعاع این نانولوله‌های ابررسانا فقط 0/4 نانومتر است. این کشف در نانولوله‌های کربنی نه تنها حیرت دانشمندان را به دنبال داشته بلکه قضایایی را که حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستم‌های یک یا دو بعدی ممنوع می‌دانستند، رد کرده است. همچنین دانشمندان دلایلی را ارائه کرده‌اند که می‌توان ابررسانایی دمای اتاق را در نانولوله‌های کربنی یافت. آن ها بیش از 20 دلیل ارائه کرده‌اند که نانولوله‌های کربنی از خود خواصی را نشان می‌دهند که بیانگر ابررسانایی دمای اتاق در آن هاست.

* تولید ولتاژ

با عبور مایع از میان کلاف‌هایی از نانولوله‌های کربنی تک جداره، ولتاژ الکتریکی ایجاد می‌شود. از این تکنیک برای ساخت حسگرهای جریان مایع برای تشخیص مقادیر بسیار اندک مایعات و نیز برای ایجاد ولتاژ در کاربردهای زیست پزشکی استفاده می‌شود. همچنین نشان داده شده است که مایعات با قدرت یونی بالا ولتاژ بیشتری تولید می‌کنند.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

* استحکام و مقاومت کششی بالا

میزان افزایش نیروی گرمایی و مقاومت نانولوله‌ها با ریشه سوم جرم اتم‌ها و مولکول‌ها متناسب است. همچنین حرارت دادن موجب افزایش استحکام نانولوله شده و مقاومت کششی آن را شش برابر می‌کند و هدایت آن نیز افزایش می‌یابد. تحقیقات اخیر نشان می دهد که در اثر برخورد اتم‌ها یا مولکول‌ها با نانولوله‌ کربنی مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند.