نانولوله های کربنی (2)

همان طورکه می دانیم در ابعاد نانومتری، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد می‌گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولوله‏های کربنی،  پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوه‏ی چینش اتم‏ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره‏ها، نقص‏های ساختاری و گروه‏های عاملی موجود بر روی نانولوله‏ از جمله خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص‏ نقش دارند. 

 

یک نانولوله، همانطور که از نامش برمی‏آید، یک استوانه‏ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است.‏ طول هر نانولوله می‏تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله‏ی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیواره‏ی آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم‏های کربن به نام گرافن به دست می‏آید. طول زیاد نانولوله نسبت به قطر، آبگریز بودن ساختار کربنی فضای خالی درون نانولوله آن را شبیه به چیزی مثل یک لوله یا کپسول می کند که می تواند برای ذخیره و انتقال داروها یا گازها و مایعات استفاده شود. حتی نانولوله می تواند آنقدر بلند باشد که از آن رشته های محکم رسانای الکتریسیته ساخته شود. خواص ارتجاعی نانولوله را نیز نباید رها کرد از این ساختار ساده یک رادیوی کوچک ساخته اند که در آن نانولوله تمام وظایف رادیو را به تنهایی انجام می دهد.
انواع نانولوله های کربنی

نانولوله‌ها به دو دسته تک جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) تقسیم می‌شوند،‌ نانو لوله های تک جداره نیز بر حسب آرایش اتم‌های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی (Armchair)یاآرمچیر و کایرال( chiral )یا نامتقارن که دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ (Zigzag) که خاصیت نیمه‌رسانایی دارد، تقسیم می‌شوند.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی(2)

در ساختارهای زیگزاگ و دسته صندلی، ردیف های لانه زنبوری موجود در دیواره نانولوله، عمود بر محور نانولوله یا موازی با آن هستند. در ساختار کایرال، این ردیف ها زوایای متفاوتی با محور نانولوله می سازند. این ساختار را ساختار مارپیچ نیز می نامند.

اولین نانولوله های کربنی که ایجیما در سال 1991 مشاهده کرد، نانولوله های کربنی چند دیواره نامیده شد؛ هر کدام از آنها از تعدادی استوانه از اتم های کربنی که به شکل آنتنی در داخل هم قرار گرفته اند تشکیل شده اند. دو سال بعد، ایجیما و دونالد بثن همزمان بدون اطلاع از  کار هم نانولوله های کربنی تک دیواره ای را ساختند که تنها یک لایه از اتم های کربن را در برداشت. هر دو نوع نانولوله ساخته شده به روش مشابهی ساخته شده و خیلی از خصوصیات آن ها مثل هم بود. بارزترین این خصوصیات باریک بودن و طول خیلی بلندشان بود. بیشتر نانولوله های تک دیواره قطری نزدیک به یک نانومتر دارند که طول آن ممکن است هزاران مرتبه بزرگتر از قطر لوله باشد.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی(2)

نانولوله‌های کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختارساده (ورقه‌ای از شش ضلعی‌های منظم) تشکیل شده‌اند. برخی پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که تک جداره ها می‌توانند رسانا یا نیمه‌رسانا باشند. این هدایت الکتریکی بالا بستگی به هندسه دقیق اتم‌های کربن دارد. از آغاز کار روی تک جداره ها از آن ها به عنوان یک پدیده تک بعدی نام برده می‌شد تا این که این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت کرد. علت علاقه به این نانولوله‌های تک جداره و تلاش برای جایگزین کردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظری و تأثیرات آزمایشگاهی، بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آن ها مانند فلزات می‌باشد. البته تولید نانو لوله های تک جداره دارای هزینه بالایی است و تولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آن ها در حین فراوری پلیمر- نانولوله مشکل می‌باشد. هر چند نانولوله‌هایی که با استفاده از تکنیک لانگهوری- بلاجت که شامل حرکاتی افقی و عمودی شبیه نقاشی سنتی ژاپن می‌باشد تولید شده‌اند، علاوه بر این که ثابت نگه داشته می‌شوند- توسط ژلاتین و تشکیل نانوژل کربنی- از لحاظ نوری نیز یکدست و همگن و از لحاظ ساختاری قابل کنترل می‌باشند.

یک نانولوله، همانطور که از نامش برمی‏آید، یک استوانه‏ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است.‏ طول هر نانولوله می‏تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد

بر عکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله‌های کربنی چند جداره باعث شده که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های کربنی چند جداره (جایگزین کربن بلک Carbon-black) در پودرهای رنگ استفاده شده است.
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی(2)

یکی از معایب نانولوله‌های چند جداره نسبت به تک جداره این است که استحکام‌دهی آن ها کمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. اما از آنجا که‌ در حال حاضر کاربردهای نانولوله‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌شود تا بهبود خواص مکانیکی، کاربرد نانولوله‌های کربنی چند جداره بسیار زیاد می‌باشد. ازطرفی تکنیک‌های موجود نیز برای تولید نانولوله‌های تک جداره به اندازه کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت‌آور است و در نهایت ممکن است به ساختار نانولوله‌ صدمه نیز بزند.
خواص نانولوله‌ها

نانولولھ ھای کربنی دارای خواص منحصر بھ فردی ھستند کھ این خواص، آنھا در زمره بهترین مواد،جهت کاربردهای ویژه قرار می دهد.

خواص مکانیکی
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی(2)

نانولوله‌ها دارای پیوندهای محکمی در بین اتم‌هایشان می باشند وبه همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله ی کربنی چند برابر نیرویی است که برای شکستن یک قطعه فولاد ـ با ضخامتی معادل یک نانو لوله ـ احتیاج داریم.

اما جالب است که بدانیم پیوندهای بین اتمی در نانولوله‌ها علاوه بر ایجاداستحکام بالا، شکل‌پذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد! در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری

در بررسی کاربرد نانولوله‌ها و به کار گیری خواص آنها ، می توانیم به استفاده از این ترکیبات به عنوان «رشته» در مواد مرکب،اشاره کنیم؛ به چنین موادی «کامپوزیت» می‌گویند. ملموس‌ترین مثال کامپوزیت «کاه‌گِل» است. کاه‌گِل مخلوطی از «کاه» و «گِل» است که در آن، کاه به عنوان رشته‌هایی که استحکام و انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به گل دارد، پراکنده شده است تا مانع از ترک‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمینه» می نامیم. نانولوله ها نیز چون استحکام و شکل‌پذیری خوبی دارند، ‌در مواد مرکب با زمینه‌های فلزی، پلیمری و سرامیکی استفاده می‌شوند. اما مهم‌ترین فاکتوری که که باعث برگزیدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مرکب (کامپوزیت) شده است، وزن کم آن است ، در حالی که استحکام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفادة چنین مواد مرکبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بدنة هواپیما و هلیکوپتر، زه راکت‌های تنیس و ...
شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی(2)

خواص فیزیکی

مهم‌ترین خاصیت فیزیکی نانولوله‌ها،«هدایت الکتریکی» آنهاست. هدایت الکتریکی نانولوله‌ها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دسته‌ای به دستة دیگر کاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جایگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتی که یک الکترون (یا بار الکتریکی) وارد مجموعه ای از اتم ها می‌شود، ارتعاش اتم‌ها بیشتر شده و در اثر برخورد با یکدیگر بار الکتریکی وارد شده را انتقال می‌دهند.

هرچه نظم اتم‌ها بیشتر باشد، هدایت الکتریکی آن دسته از نانولوله‌ها بیشتر خواهد بود. تقسیم بندی ابتدای متن بر اساس نظم اتمهای کربن در نانولوله و در نتیجه رسانایی آنها‌ انجام شده است؛ برای مثال نانولوله نوع صندلی 1000 بار از مس رساناتر است، در حالی که نوع زیگزاگ و نوع نامتقارن نیمه رسانا هستند. خاصیت نیمه رسانایی نانولوله ها بسته به نوع آنها تغییر می کند.