فهرست مطالب
نانو لولههای کربنی، ساختارهایی استوانهای که از لوله شدن ورقهای اتمهای کربنی(گرافن ها graphene) ایجاد میشوند. این لولهها میتوانند تک جداره با قطری کمتر از یک نانو متر و یا چندین جداره باشند. اینها از تعداد نانولوله تک جداره در درون هم با مرکز واحد ایجاد گردیده اند. قطر این لولهها گاهی به بیش از 100 نانو متر نیز میرسد.
طول این لولهها میتواند از چندین نانومتر تا میلیمتر هم برسد. مانند ورقههای سازنده خودشان این لولهها نیز هیبیداسیون sp2 دارند. به زبان ساده تر، نوعی پیوند قدرتمند بین اتمهای آنها وجود دارد که آنها را به یکدیگر پیوند میدهد.
تمایل طبیعی نانو لولهها به نشستن در کنار یکدیگر به کمک نیروهای بین مولکولی، میتواند در تولید مواد فوق مقاوم و کم وزنی که خواص رسانایی الکتریکی و حرارتی نشان میدهند، بکار برده شود. به همین خاطر جذابیت زیادی برای کاربردهای متنوع پیدا میکنند.
نانو لوله ها با طول های متفاوت و بلند
اشکال مختلف نانو لوله ها
زاویه و جهت لوله شدن لایههای گرافن سه نوع ساختار نانولوله کربنی ایجاد میکند. نامتقارن، صندلی و زیگزاگ نام آنهاست که در واقع خصوصیات الکتریکی آنها را مشخص میکند. البته تشکیل این نانو لولهها واقعاً با لوله کردن صفحات گرافن انجام نشده و صرفاً برای فهم بهتر مطلب اینطور بیان میگردد.
جهت مثال، لوله با لبههای صندلی شکل (Armchair) خواص یکسان داشته و بخاطر خاصیت رسانایی فوق العاده شان خواهان فراوانی دارند. بر خلاف آنها لولههای زیگراگ شکل خاصیت نیمه هادی نشان میدهند. زوایای برداری این دو نانو لوله به اندازه 30 درجه میباشد که با تغییر هر کدام به دیگری تبدیل میشوند.
نانو لولههای چند پوسته همیشه هادی بوده و حداقل به اندازه فلزات، رسانای الکتریسته هستند. درصورتیکه نانو لولههای تک جداره میزان رساناییشان به همان زاویه برداری که بیان شد بستگی دارد.
به عبارت دیگر به صورت یک طیف از هدایت کامل تا نیمه رسانا (نانولوله نارسانا نداریم). به عنوان مثال کمی تغییر در مقدار گام موجی شکل نانو لوله(زاویه چینش اتم های کربن)، میتواند لوله را از یک رسانای خیلی قوی به یک نیمه رسانای ضعیف تبدیل نماید.
انواع نانو لوله ها
خواص متفاوت نانو لوله ها
نانولولهها جدای از خواص الکتریکی خود که از گرافن ها به ارث میبرند، خواص حرارتی و مکانیکی منحصر به فردی هم داشته که برای تولید مواد جدید جذاب میگردند:
- مقاومت کششی مکانیکی آنها میتواند تا 400 برابر فولاد باشد.
- وزن بسیار پایین. چگالی آنها با یک ششم همان حجم فولاد برابری دارد.
- رسانای بیشتر گرمایی آنها از الماس.
- نسبت طول به قطر بیشتر از 1000. به زبان ساده، نسبت به طولشان بسیار نازک هستند.
- مانند گرافیتها از نظر شیمیایی پایدار ی داشته و در برابر هرگونه تاثیر شیمیایی تقریباً مقاومت میکنند. مگر اینکه تحت دما و اکسیژن زیاد قرار بگیرند. همین باعث مقاومت بالای آنها در برابر خوردگی میشود .
- قابلیت افزایش هدایت جریان تونلی.
- فضای خالی میانی آنها با نانو ذرات متنوعی میتواند پر شود. این مواد داخل، از محیط بیرون کاملاً جدا و حایل میگردند. این مشخصه مخصوصاً برای نانو پزشکی و رساندن داروها به بخش خاصی از بدن بکار میروند.
تمام این خواص نانو لولههای کربنی، آنها را برای بهرهبرداریهای متفاوت کاملاً ایده آل میسازد.
دستگاههای الکترونیکی، سنسورهای شیمیایی/الکتروشیمیایی و حسگرهای زیستی، ترانزیستورها، گسیلهای میدانی الکترونی(electron field emitters)، باتریهای لیتیوم یونی، منابع نور سفید، سلولهای ذخیره سازی هیدروژن، لوله های اشعه کاتدی(CRTs)، تخلیههای الکترواستاتیک(ESD) و برنامههای محافظتی الکتریکی از جمله مواردی هستند که نانو لوله ها در آنها کاربرد دارند.
نانو لوله در برابر نانو فیبر
نانو لوله ها و نانو فیبرها
به این موضوع میبایست دقت داشت که نانو لولههای کربنی با نانو فیبرهای کربنی(CNFs) متفاوتند. نانو فیبرها معمولاً تا چندین میکرومتر طول داشته و قطر آنها حدود 200 نانو متر میباشد.
به لحاظ ساختار تقریباً میکروفیبرها مدتها برای مقاوم سازی ساختارهای مختلف استفاده میشدند اما دارای ساختار شبکههای نانو لولهها نیستند. درعوض ترکیبات آنها شامل چندین نوع متنوع کربن و یا چند لایه گرافیت میباشد و در زوایای متفاوت مانند کربن آمورفها(amorphous carbon )(بدون هیچ گونه ساختار هندسی خاص) روی هم ثابت میگردند.
ضمناً میکروفیبرها قدرت کششی آنها به نسبت ساختار متغیرشان، از نانو لولهها کمتر و از داخل توخالی نیستند.
نانو لولهها توسط چه کسی کشف شدند؟
همه ساله مقالات زیادی درخصوص نانولولههای کربنی و موضوعات مربوط به آن منتشر میشود و همگی با توافق “سومیو ایجیما(Sumio Iijima)” را به عنوان کاشف این مواد ذکر میکنند.
وی در سال 1991 در مقاله ای کاملاً جدید که در مجله نیچر(Nature)(عنوان: میکرو لولههای کربنی گرافیتی) منتشرکرد، خبر از کشف نانو لوله های چند لایه داده بود. با نگاهی گذرا به ادبیات علمی در این حوزه شاید اینطور تصور شود که ایجیما اولین کاشف لولههای کربنی بوده است.
سومیو ایجیما و نانو لوله های کربنی
البته او تا حد زیادی در این خصوص تاثیر گذاشته اما بهرحال با کمی بررسی می توان فهمید که او اولین نفری نبوده که وجود نانو لولههای کربنی را اعلام کرده است. در واقع ریشه این کشفیات به زمانهای قبل تر بر میگردد و افراد و دوران مختلفی را میتوان در این حوزه وارد نمود. رداشکویچ از روسیه و اِندو از ژاپن از جمله افرادی بودند که تحقیقاتی در این خصوص انجام داده بودند.
نانو لولههای کربنی چطور تولید میگردند
در حال حاضر سه روش عمده برای تهیه نانو تیوبهای کربنی وجود دارد:
- سایش لیزری
- روش قوس الکتریکی
- رسوب گذاری بخار شیمیایی
در دو روش اول گرافیت به حالت الکتریکی و یا به کمک لیزر به احتراق میرسد و نانو تیوبها در حالت گازی جدا میشوند. البته هر سه روش برای انجام، به فلزهایی مثل آهن، کبالت و یا نیکل به عنوان کاتالیزور نیاز دارند.
استفاده و کاربردهای نانو لولهها
نانو تیوبها تقریباً در هر موردی که نیاز باشد از مقاومت بالا، دوام زیاد، رسانایی الکتریکی و گرمایی و ویژگیهای مواد سبک استفاده گردد، مناسبت دارند. این مواد در حال حاضر بیشتر بهشکل مواد افزودنی مصنوعی در ترکیبات مختلف استفاده میشوند.
درحالت تجاری بیشتر به صورت پودر در دسترس هستند که کاملاً هم بدون شکلی خاص قرار دارند. نانو لولهها برای اینکه خواص خود را نشان دهند، لازم است یکنواخت بر روی یک سطح جاگذاری گردند.
نانولولههای کربنی بصورت پودر تجاری
همچنین لازم است بطور شیمیایی بر بستر ماده ای دیگر مثل پلاستیک یا سرامیک (که به آن سابستریت می گوییم) قرار گیرند تا به شکل کاربردی در آیند. به عنوان مثال در حالت شیمیایی قابلیت ترکیب بهینه با مواد مختلف را برای اهداف و کاربردهای مختلف پیدا میکنند.
نانو لولههای کربنی بصورت الیاف هم میتوانند دربیایند که نه تنها نویدبخش تولید منسوجات خاص در آینده خواهند بود بلکه چه بسا در آینده بتوانیم از آنها برای پروژههای دیگری نظیر ساخت ساختمانهای بسیار بلند، سبک و مقاوم هم استفاده کنیم.
در ادامه یک فیلم جذاب از تحقیق دانشمندان درخصوص کاربردهای جدید نانو لولههای کربنی را ملاحظه فرمایید.
🌷 اینستاگرام نانو گستر کیمیاگران آروند🌷
