نانوتیوبهای کربنی و کاربردهای آن
تا سال ۱۹۸۰ تنها چهار نوع کربن شناخته شده بود : گرافیت – الماس – لانسدیلایت و کربن بی شکل یا دوده .
کشف فلورن نیز مانند بسیاری از اکتشافات به صورت کاملا اتفاقی صورت گرفت . درحالی که قبل از کشف فلورن ها توافق کلی بر روی ناپایداری اتمهای کربن وجود داشت ، دانشمندان روسی با استفاده از محاسبات نشان داده بودند که مولکول فلورن در حالت گازی می تواند پایدار باشد. در سال ۱۹۸۵ کروتو و اسمالی در حین اسپکتروسکپی نمونه های بخار کربن به نتایج جالبی دست یافتند. در اینجا بود که فلورن ها کشف شدند و پایداری آنها در فاز گازی نیز به صورت عملی اثبات گشت. البته شواهدی نیز وجود دارد که در دهه ۷۰ برای اولین بار فیبر های کربنی با ابعاد نانو توسط مارینوبو اندو به عنوان بخشی از پروژه دکتری او در دانشگاه اورلان در فرانسه ساخته شد. وی فیبرهایی به قطر ۷ نانومتر را با استفاده از تکنیک رشد محلی تهیه نمود اما به دلیل ناشناخته بودن این فیبر ها به عنوان نانو تیوب شناخته نشدند و به صورت سیستماتیک نیز مورد مطالعه قرار نگرفتند. پس از آن در سال ۱۹۹۱ کشف نانو تیوب ها توسط یک متخصص میکروسکوپ الکترونی ژاپنی در حالی که مشغول مطالعه نشست مواد بر روی کاتد به هنگام ساخت فلورن به روش تبخیر با قوس الکتریکی بود، به نام سومیو لیحیما صورت گرفت. کمی بعد متخصصین نشان دادند که چگونه می توان با استفاده از تغییر شرایط تبخیر قوس الکتریکی، نانو تیوب ها را در مقیاس انبوه تولید کرد. این امر باعث گسترش امکان مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی نانو تیوب های کربنی در آزمایشگاههای سراسر جهان گشت.
در حالی که نانوتیوب های چند دیواره ای دارای قطری به اندازه چندده نانومتر هستند، نانوتیوبهای تک دیواره ای قطری برابر با یک تا دو نانومتر دارند. در روشهای متداول تولید نانوتیوب تنها نانوتیوبهای چند دیواره ای تشکیل می شوند. برای تولید نانوتیوب های تک دیواره ای از افزودن فلزاتی نظیر کبالت به الکترود گرافیتی استفاده می کنند. گروه دیگری از نانو تیوب ها به شیپوره های نانو موسوم هستند. در واقع این گروه نانو تیوبهایی هستند که یک سر آنها بسته است. برای تولید شیپوره های نانو از تکنولوژی لیزر در فرآیند تبخیر کربن استفاده می گرددو اولین بار در سال ۱۹۹۴ توسط پیتر هریس و ادمن یانگ ساخته شدند.
کربن و ساختارهای آن:
در الماس هراتم کربن با چهار اتم دیگر پیوند داده و یکی از محکمترین ساختارهای شناخته شده روی زمین را تشکیل می دهد. در گرافیت هر اتم کربن در یک صفحه تقریبا مسطح با سه اتم دیگر پیوند داده ( پیوند های آن حتی از پیوند های الماس هم قوی تر می باشند) و تشکیل شش ضلعی هایی را می دهد ولی پیوند چهارم آن با اتمهای موجود در صفحات مجاور بوده و بسیار ضعیف است به گونه ای که با اعمال تنش برشی ناچیزی می تواند گسسته شده و صفحات به راحتی بر روی هم بلغزند.از این خاصیت ساختار گرافیت در روغن کاری های صنعتی استفاده می شود. همچنین گرافیت به عنوان یک ماده ناهمسانگرد شناخته می شود در حالی که الماس یک ماده همسانگرد است. امروزه اشکال دیگری از کربن نیز شناخته شده است. یکی از آنها فلورن C60 است. ساختار اتمی فلورن به این صورت است که ۶۰ اتم کربن در آرایشی فضایی به صورت کروی با یکدیگر پیوند داده و مولکولی شبیه یک توپ فوتبال را می سازند به گونه ای که هریک از اتمهای کربن با برقرارکردن پیوند با سه اتم دیگردر رءوس شش ضلعی هایی قرار گرفته که با تعدادی پنج ضلعی به یکدیگر متصل می گردند. امروزه بیش از سی نوع از این فلورن ها وجود دارد. به علاوه یک خانواده بزرگ از برادر های فلورن ها به نام نانوتیوبهای کربن هم شناخته شده اند که کاربردهای زیادی در نانوتکنولوژی دارند.
ذکر تیوری اولر نیز در اینجا خالی از لطف نیست. بر اساس این تیوری هر سطح بسته ای که بخواهد از پنج ضلعی و شش ضلعی تشکیل شده می گردد البته برای اینکه مولکولهای بدست آمده پایدار باشند می بایست یک قانون دیگر رانیز رعایت کرد و آن عبارتست از قانون مجزا کردن پنج ضلعی ها. که بنا براین قانون برای کاهش انحنای موضعی می بایست آن را رعایت نمود. براساس تیوری اولر کوچکترین فلورنی که می تواند وجود داشته باشد C20 است که دارای ۱۲ پنج ضلعی می باشد.اما این ساختار از لحاظ انرژی نامطلوب است زیرا برخلاف قانون مجزا کردن پنج ضلعی ها است به طوری که انحناء موضعی و میزان کرنش آن بالاست.به دلیل اینکه به ازای اضافه کردن هر شش ضلعی دو اتم کربن به ساختار اضافه می گردد، تمامی فلورن ها می بایست دارای تعداد زوجی اتم کربن باشند.
عدد اتمی کربن ۶ می باشد و آرایش اتمی آن عبارتست از :۲ ۲ ۱ زمانیکه اتمهای کربن با یکدیگر تشکیل پیوند می دهند تا ساختار گرافیت را بوجود آورند، هیبریداسیون S اتفاق می افتد.در حین این فرآیند یک اربیتال S با دو اربیتالP ترکیب شده و اربیتال ۳ تایی S را که باهم زاویه ۱۲ درجه می سازند خلق می کنند.به پیوندی که در صفحه بوجود می آید پیوند ơ گفته می شود.این پیوند یک پیوند کووالانسی محکم بوده و اتمهایی را که در صفحه قرار دارند به هم متصل می نماید. به این ترتیب یک صفحه گرافیتی داریم که در صورت قرار گرفتن در دمای بالا تحت نواسانات ناشی از ارتعاش اتمها می تواند به نانو تیوب تبدیل گردد. اربیتال P که باقی می ماند برصفحه پیوند های ơ عمود می باشد.این اربیتال کاملا در اندرکنش بین لایه ای شرکت کرده ایجاد پیوند ضعیفی به نام Π (پای) می نماید. بنابراین در نانوتیوبهای چند دیواره ای پیوند ضعیفی بین دیواره ها وجود دارد. البته نانوتیوبهای کربن از گرافن ها مهمتر بوده و رابطه تنگاتنگی با گرافیت دارند. ساختار نانوتیوبها شبیه گرافیت است با این تفاوت که در نانوتیوبها صفحه های گرافیتی تشکیل استوانه های با قطر های نانومتری می دهند.
روش های ساخت نانوتیوب های کربن
پس از حرارت دادن تا دمای ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد اتمهای کربن دوباره با یکدیگر ترکیب می شوند که این ترکیب می تواند به روشهای مختلفی صورت پذیرد. برخی تولید کربن بی شکل یا امورف می کنند، برخی دیگر به شکل توپ فوتبال که همان فلورن است در می آیند و برخی به شکل کپسول های کوچک ظاهر می شوند که مورد اخیر همان نانوتیوب کربن می باشد. معمولا سه روش عمده برای تولید نانوتیوب کربن وجود دارد:
- تخلیه قوس الکتریکی (EAD)
- استفاده از لیزر (EA)
- نشست بخار شیمیایی (CVD)
روش تخلیه قوس الکتریکی
اولین روشی که برای تولید نانوتیوبهای کربن بکار گرفته شد روش قوس الکتریکی بود.این روش متداول ترین و در عین حال ساده ترین روش تولید نانوتیوب می باشد. در این روش از جریان برق مستقیم بین دو الکترود در اتمسفر گاز بی اثر مانند هلیم یا آرگون استفاده می شود. نانوتیوب های تولید شده به این روش اغلب به صورت مخلوط با مواد دیگر بوده و باید از تکنیک های ویژه ای برای تفکیک نانوتیوبها از دیگر مواد یعنی دوده و ذرات نانو فلزی یاری جست.
فاصله بین دو الکترود حدود چند میلیمتر بوده و جریان الکتریکی حدود ۱۰۰آمپر به الکترودها اعمال می شود.این جریان باعث خواهد شد تا کربن به صورت پلاسمای داغ تبخیر شود. سپس بخار تولید شده چگالش خواهد یافت که این چگالش در برخی مناطق نانوتیوبهای کربن را تشکیل می دهد.باید توجه داشت در زمانی که قوس الکتریکی برقرار می شود یکی از الکترودها تبخیر شده و بخار حاصل بر روی الکترود دیگر می نشیند.
روش استفاده از لیزر
در این روش یک لیزر پیوسته ویا پالسی برای تبخیر یک هدف گرافیتی در یک کوره در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گیرد. تفاوت بین لیزر پیوسته و پالسی این است که لبزر پالسی نیاز به قدرت نور بیشتری دارد ) ۱۰۰KW/C در مقایسه با (۱۲KW/C مورد نیاز برای لیزر پیوسته. دراین روش یک پالس بخار بسیار داغ شکل می گیرد سپس به سرعت پخش شده و خنک می گردد. زمانی که ذرات تبخیر شده خنک می شوند مولکولها و اتمهای کربن به سرعت چگالش یافته و خوشه های بزرگتری را تشکیل خواهند داد که این تجمع حتی ممکن است حاوی مولکولهای فلورن نیز باشد.
روش نشست بخار شیمیایی
این روش قابلیت تولید انبوه و کنترل جهت رشد را دارد. اساس کار در این روش بر تبدیل یک منبع کربن به حالت گازی و بکارگیری یک منبع انرژی مانندپلاسما و یا یک کوره مقاومتی، برای انتقال انرژی به مولکولهای کربنی که در حالت گازی قرار دارند مبتنی است. در این روش یک مخلوط ازگازهای هیدروکربن استیلن، متان یا اتیلن و نیتروژن وارد محفظه احتراق خواهند شد. از منبع انرژی برا شکستن مولکولهای کربن به اتمهای کربن فعال استفاده می شود. در این حالت کربن به داخل زیر لایه که قبلا حرارت داده شده و با کاتالیزور پوشیده شده است،نفوذ کرده و در آنجا پیوند تشکیل می دهد.در حین واکنش، نانوتیوب ها بر روی زیر لایه و در نتیجه تجزیه هیدروکربن هادر دمای ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد و فشار اتمسفر، بوجود می آیند.
مثالهایی از کاربرد نانوتیوبها
برخی از کاربردهای نانوتیوبها به اختصار به شرح ذیل است:
- ذخیره انرژی : نانوتیوبها در پیل های سوختی، باطری ها و دیگر موارد الکتروشیمیایی بکار می روند.
- ذخیره هیدروژن:با توجه به شکل استوانه ای و توخالی نانوتیوبها، می توان با توجه به اثر مویینگی از آنها برای ذخیره هیدروژن در داخل حفره نانوتیوب استفاده نمود.
- خازن های الکتروشیمیایی: با استفاده از نانوتیوبها می توان خازنهایی با ظرفیت بسیار بالا در ابعاد فوق العاده کوچک تولید نمود.
- ارسال دارو: با ذخیره سازی درنوع خاصی از نانو تیوبها ( نانوکپسولها) امکان ارسال دارو به بدن بیماران فرآهم می گردد به گونه ای که زمانی دارو از درون کپسول آزاد گردد که به نقطه ای از بدن که دچار بیماری است رسیده باشد.
- صنایع اتومبیل سازی و هوافضا: استحکام کششی فوق العاده بالای نانوتیوبهای کربنی ( تا بیست برابر فولاد) به آنها ویژگی خاصی داده تا بتواند برای مستحکم سازی بسیاری از قطعات و سازه های اتومبیل و تجهیزات فضایی بکار برده شود.
تهیه کننده : نادر نیازمند
مراجع:
- مقدمه ای بر نانوتکنولوژی تالیف : دکتر علی شکوه فر – مهندس کسری مومنی
- Grait Balls of carbons- Richard E Smalley
- Science of Fullerene and carbon nanotube –M.S.Dresseihaus