نانولوله‌های کربنی

نسخه کنونی و قابل ویرایش این کتاب را می‌توانید در وبگاه ویکی‌کتاب در نشانی زیر بیابید
https://fa.wikibooks.org/wiki/%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D9%84%D9%88%D9%84%D9%87%E2%80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8C_%DA%A9%D8%B1%D8%A8%D9%86%DB%8C

شما اجازه کپی و پخش این اثر را تحت مجوز مستندات آزاد گنو دارید.

مقدمه

مقدمه

جنبه‌های ساختاری

نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی (CNTها) مواد کربنی نانوساختاری هستند که از لایه‌های کربنی هیبرید $sp_{2}$ تشکیل شده‌اند که بر روی هم تا می‌خورند و یک شبکه لانه زنبوری را تشکیل می‌دهند. پس از الماس، گرافیت و فلورن، ساختار یک بعدی مسطح نانولوله‌های کربنی (سی ان تی) چهارمین آلوتروپ کربن به شمار می‌رود (پنجمین آلوتروپ، گرافن است).

برای مدت طولانی‌ای کشف سی ان تی (نانو لوله کربنی) را به لیجیما نسبت می‌دادند. لیجیما که به بررسی تشکیل دوده در هنگام تولید فولرن‌ها می‌پرداخت متوجه وجود «ریز رشته‌هایی» شد که از لایه‌های کربنی متحد المرکز تشکیل شده بودند. او توانست ساختار لانه زنبوری متعلق به این ریز رشته‌ها را شناسایی کند و پی برد که این ساختار درون فلورن‌ها محصور شده است. لیجیما مقاله خود را در سال ۱۹۹۱ در مجله Nature منتشر کرد با این حال او اولین کسی نبود که دربارهٔ سی ان تی‌ها نوشته‌ای را منتشر کرده بود. در واقع میکروگراف‌های الکترونی‌ای از سی ان تی‌ها و رشته‌های کربنی دهه‌ها بود که از سال ۱۹۵۰ به بعد منتشر می‌شد که معمولاً به مطالعات محصولات جانبی، ناخالصی‌ها یا سم کاتالیزور در کاتالیز ناهمگن مربوط می‌شد. امروزه پذیرفته شده است که اولین گزارش دربارهٔ نانو لوله‌های کربنی در سال ۱۹۵۲ و توسط رادوش کویچ و لوکیا نوویچ منتشر شده است.

جنبه‌های ساختاری

مقدمه

جنبه‌های ساختاری

خواص

نانولوله‌های کربنی

کایرال بودن

ساختار نانولوله‌های کربنی را می‌توان به صورت صفحه‌های گرافن در نظر گرفت که به صورت یک استوانه متحد المرکز به هم پیچیده است. این ویژگی سبب اشباع شدن پیوندهای آویزان گرافن می‌شود و در نتیجه انرژی پتانسیل کاهش یافته و انرژی کششی ناشی از پیچ‌خوردگی را خنثی می‌نماید و بدین ترتیب ساختاری پایدار به وجود می‌آورد.

نانولوله کربنی می‌تواند یک لایه (نانو لوله کربنی یک دیواره‌ای)، دو لایه (نانو لوله کربنی دو دیواره‌ای) یا چند لایه (نانو لوله کربنی چند دیواره‌ای) باشد که قطرهای این‌ها با هم فرق می‌کند. طول نانولوله بسته به طریقه سنتز آن فرق می‌کند و می‌تواند از چند میکرون تا چند سانتی‌متر (رکوردی که تا کنون در جهان ثبت شده است) باشد.

ساختار نانولوله کربنی یک لایه به مفهوم کایرالیتی بستگی دارد و می‌تواند به اشکال صندلی، زیک‌زاگ، الخ باشد.

نقص‌ها

بسته به روش به کار رفته شده برای سنتز نانولوله‌ها و نیز روش به کار رفته برای خالص‌سازی، ممکن است دچار نقص‌هایی در ساختار شده باشند. «نقص‌های توپولوژیک» به وجود آمدن حلقه‌هایی با شکلی غیر از حلقه هگزاگونال (شش گوش) گفته می‌شود یعنی حلقه‌های پنتاگونال (پنج گوش) یا هپتاگونال (هفت گوش) که منجر به به وجود آمدن اَشکال زانویی یا فرخوردگی می‌شود. رایج‌ترین نوع نقص‌هایی که رخ می‌دهد جفت‌های پنتاگونال-هپتاگونال است که به همدیگر متصلند. این نقص‌ها، نقص‌های استون والز نامیده می‌شوند.

به طور کلی این نقص‌ها موجب تغییر در خواص الکترونیکی، مکانیکی و شیمیایی نانولوله‌های کربنی می‌گردد. به عنوان مثال حذف فقط یک کربن از لایه کرین خارجی سبب کاهش۳۰ درصدی نیروی کشسانی نانولوله می‌شود.

خواص

جنبه‌های ساختاری

خواص

سنتز

نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی که به صورت افزودنی در پلی‌مرها به کار می‌روند قادرند گرما را انتقال داده و یک پوشش سطحی را به یک سطح گرما دیده مبدل کنند. نانولوله های کربنی از نظر مکانیکی بسیار مقاوم، از نظر شیمیایی بسیار پایدار و رسانای گرما هستند.

بسته به شرایط و نیازهای دمایی مطلوب می‌توان از نانو لوله های کربنی در سیستم‌های بسته‌بندی مبتنی بر آکریلات، اپوکسی یا رزین‌های سیلیکونی با دمای حداکثر ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد استفاده نمود. همچنین در بدنه روتور در توربین‌های بادی از نانولوله های کربنی استفاده می‌گردد تا به عنوان ضد یخ عمل کنند. نانوله ها به دلیل خواصی که دارند در موقعیت‌های مختلفی استفاده می‌شوند.

خواص مکانیکی

سی‌ان‌تی‌ها یکی از محکم‌ترین مواد در جهان هستند. ویژگی بارز مکانیکی نانولوله‌های کربنی در سفتی بسیار زیاد و نیروی کشسانی بالای آن‌ها است. ضریب یانگ که نشاندهنده سختی یک ماده است و اینکه تحت فشار مکانیکی چقدر تغییر شکل می‌دهد برای نانولوله‌های کربنی 1TPa است که با گرافیتی که در هواپیما استفاده می‌شود قابل مقایسه است.

خواص الکترونیکی

خواص الکترونیکی نانوله‌های کربنی برای مواد هیبرید بسیار مهم است و تا حد زیادی به ساختار نانولوله کربنی بستگی دارد. نتایج نظری و آزمایشگاهی نشان می‌دهد نانولوله‌های تک دیواره‌ای، یا فلزی هستند یا نیمه هادی (بسته به قطر و کایرالیتی) در حالیکه نانولوله‌های چند دیواره‌ای معمولاً فلزی هستند.

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.

خواص گرمایی

رسانایی گرمایی برای نانوله‌های کربنی تک دیواره‌ای، در امتداد محوری مقدار بسیار بزرگ 6600 Wm-1K-1 محاسبه شده است، و عمود بر محور ۱٫۵۲ Wm-1K-1 محاسبه شده است.

خواص 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 پیش بینی کرد که در آن‌ها اتصالات مغناطیسی و الکتریکی از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطیسی را می‌توان برای قطبی کردن مغناطیسی نانولوله ها- دستکاری در اسپین ها- به کار برد و از اتصال‌های غیرمغناطیسی برای الکترودهای ولتاژ- جریان استفاده کرد. همچنین ممان مغناطیسی آن‌ها نیز قابل اندازه‌گیری است (۱/۰ مگنتون بور در هر اتم کربن).

سنتز

خواص

سنتز

کاربرد

نانولوله‌های کربنی

تخلیه قوس

روش تخلیه قوس الکتریکی به دلیل سادگی‌اش به یک روش رایج برای جداسازی گرافیت تبدیل شده است. در این روش، در یک محفظه پر از آرگون، میدان الکتریکی (DC) به دو انتهای گرافیت اعمال می‌شود. همزمان یک قوس الکتریکی بین الکترودهای گرافیت صورت می‌پذیرد که سبب ایجاد دمای بسیار بالا (~ C° ۴۰۰۰ ) می‌شود. در نتیجه کربن از آند تبخیر شده و روی کاتد تجمع می‌کند و نانولوله‌های کربنی چند دیواره‌ای تشکیل می‌شود.

جداسازی با لیزر

یکی از اولین تکنیک‌هایی که برای سنتز نانولوله‌های کربنی تک دیواره‌ای به کار گرفته شد، تبخیر کردن مخلوط گرافیت هدف از طریق جداسازی به کمک یک لیزر پیوسته یا پالس‌دار بود. برای این منظور نیاز بود که در یک اتمسفر ساکن (آرگون/نیتروژن) و تحت فشار بسیار کم (مثلا ۶۵۰ میلی‌بار) با کمک یک کاتالیزور فلزی (مثل کبالت یا نیکل) گرافیت هدف دچار تغییرگردد و شرایط مذکور با افزایش دما به نزدیک ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد قابل بهبود می‌باشد.

به طور کلی این روش سنتز به دلیل تنظیم فشار در محفظه واکنش، امکان کنترل قطر را به خوبی فراهم می‌کند و نانولوله‌های کربنی تک دیواره‌ای سنتز شده نقص‌های ساختاری چندانی نخواهند داشت.

مسیر نمک مولتن (Molten)

رآکتور مورد استفاده در این روش از یک لوله کوآرتز عمودی تشکیل شده است که دارای دو الکترود بوده و با نمک‌های یونی پر شده است. یک حمام بیرونی دما را نزدیک ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد نگاه می‌دارد تا نمک ذوب شود.

اگرچه این روش سنتز بسیار ساده است اما نانولوله‌های چند دیواره‌ای حاصل به طور واضحی دارای تعداد زیادی نقص ساختاری می‌گردند و دیگر اینکه مقدار زیادی نمک به صورت محصور شده درون نانولوله باقی می‌ماند.

رسوب بخار شیمیایی (CVD)

این روش هم‌اکنون رایج ترین روش سنتز نانولوله‌های کربنی تک دیواره‌ای و چند دیواره‌ای و همچنین سایر نانوکربن‌ها است. این روش به سه مورد نیاز دارد:

یک منبع کربن (مثل متان، استیلن، تولوئن، اتانول، الخ)
یک کاتالیزور (مثل آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای مختلف)
یک منبع انرژی مناسب (مثل گرما، پلاسما، لیزر)

کاربرد

سنتز

کاربرد

کاتالیز ناهمگن

نانولوله‌های کربنی

هم‌اكنون امكان ساخت ابزارهای بسیار جالبی وجود دارد،‌ اما در خصوص موفقیت تجاری‌ آن ها، باید در آینده قضاوت كرد. تقریباً تمام مقالات به طور ضمنی به كاربرد نانولوله‌ها و بهره‌برداری تجاری از آن ها در آینده اشاره دارند.

ترانزیستور

ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله‌ها دارای آستانه می‌باشند (یعنی سیگنال باید از یک حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشکار کند) که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی زیر آستانه را در شرایط اختلال الکتریکی یا نویزآشکار و ردیابی نمایند. همچنین از آنجایی که ضریب تحرک، شاخص حساسیت یک ترانزیستور برای کشف بار یا شناسایی مولکول مجاور می‌باشد، لذا ضریب تحرک مشخص می‌کند که قطعه تا چه حد می‌تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می‌کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می‌کنند و این نیز سرعت نهایی یک ترانزیستور را تعیین می‌نماید.

حسگر

با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها می‌توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن‌ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.

نمایشگر گسیل میدانی

نانولوله‌های کربنی می‌توانند عنوان بهترین گسیل کننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الکترونی با راندمان و کارایی بالاتری تولید کنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولوله‌ها، تولیدکنندگان را قادر به تولید نوعی جدید از صفحه نمایش‌های تخت خواهد ساخت که ضخامت آن‌ها به اندازه چند اینچ بوده و نسبت به فناوری‌های فعلی از قیمت مناسب‌تری برخوردار باشد. به علاوه کیفیت تصویر آن‌ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.

استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها

توزیع یکنواخت نانولوله‌ها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانولوله با زمینه در فرآوری این نانوکامپوزیت‌ها از موضوعات بسیار مهم است.

شیوه توزیع نانولوله‌ها در زمینه پلیمری از پارامترهای مهم در استحکام‌دهی به کامپوزیت می‌باشد. آنچه از تحقیقات بر می‌آید این است که استفاده از خواص عالی نانولوله‌ها در نانوکامپوزیت‌ها وابسته به استحکام پیوند فصل مشترک نانولوله و زمینه می‌باشد. نکته دیگر آنکه خواص غیر همسانگردی نانولوله‌ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله‌ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود.

از کاربردهای دیگر نانو لوله‌ها می‌توان به امکان ذخیره هیدروژن در پیل‌های سوختی، افزایش ظرفیت باتری‌ها و پیل‌های سوختی، افزایش راندمان پیل‌های خورشیدی، جلیقه‌های ضدگلوله سبک و مستحکم، کابل‌های ابررسانا یا رسانای سبک، رنگ‌های رسانا، روکش‌های کامپوزیتی ضد رادار، حصار حفاظتی الکترومغناطیسی در تجهیزات الکترونیکی، پلیمرهای رسانا، فیبرهای بسیار مقاوم، پارچه‌های با قابلیت ذخیره انرژی الکتریکی جهت راه‌اندازی ادوات الکتریکی، ماهیچه‌های مصنوعی با قدرت تولید نیروی ۱۰۰ مرتبه بیشتر از ماهیچه‌های طبیعی، صنایع نساجی، افزایش کارایی سرامیک‌ها، مواد پلاستیکی مستحکم، تشخیص گلوکز، محلولی برای اتصال درونی تراشه‌های بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازنده‌های فوق سریع، کمک به درمان آسیب‌دیدگی مغز، دارورسانی به سلول‌های آسیب دیده، از بین بردن تومورهای سرطانی، تجزیه هیدروژن، ژن‌درمانی، تصویربرداری، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهای شیمیایی، SET و LED، پیل‌های خورشیدی و نهایتاً LSI اشاره کرد. البته در چند مورد اخیر بیشتر از نوع تک جداره آن استفاده می‌شود.

کاتالیز ناهمگن

کاربرد

کاتالیز ناهمگن

'

نانولوله‌های کربنی

کاتالیز ناهمگن در حوزه‌های مختلف صنایع انرژی و شیمیایی از اهمیت بالایی برخوردار است به گونه‌ای که بیش از ۹۰ درصد فرآیندهای شیمایی‌ای که امروزه در کل دنیا استفاده می‌شود از کاتالیز و عمدتا از کاتالیز ناهمگن بهره می‌برند. مواد کربنی که نانوکربن‌ها نامیده می‌شوند، با ساختار مقیاس نانومتری خود قادرند خواص شیمیایی و فیزیکی استثنائی‌ای را به دست آورند. بنابراین کشف آلوتروپ‌های کربنی با ابعاد کوچک مثل نانولوله‌های کربنی (سی‌ان‌تی)، نانورشته‌های کربنی (سی‌ان‌اف)، گرافن، یا فلوئورن عصر جدیدی را در ابزارهای برشی برای کربن عنصری گشود که همچنین تأثیر گسترده‌ای بر کاتالیز ناهمگن گزارد.

واکنش دهیدروژناسیون اکسیداتیو اتیل بنزن و سایر هیدروکربن‌ها یکی از مهمترین واکنش‌هایی است که در فاز گازی با کاتالیزور کربن‌های نانوساختار انجام می‌شود. واکنش دهیدروژناسیون الکل‌ها یکی دیگر از واکنش‌هایی است که به کاتالیز نانوکربنی نیاز دارد.