نانو لوله کربنی چیست؟ – خواص و کاربردهای آن
نانو لوله های کربنی استوانه هایی از جنس کربن هستند که قطر دیواره آن ها در حد نانومتر است. این لوله ها که انتهای باز یا بسته دارند به صورت تک دیواره یا چند دیواره هستند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به تعریف و خصوصیات این لوله های مخصوص می پردازد.
فهرست مطالب :
۱- تعریف نانو لوله کربنی و ساختار آن
۲- اندازه نانولوله ها
۳- سنتز و فرآوری نانولوله کربنی
۴- خالص سازی نانولوله های کربنی
۵- خواص
۵-۱- خاصیت رسانایی و نیمه رسانایی
۵-۲- داشتن سطح دیواره صاف
۵-۳- حساسیت به تغییرات ایجاد شده در نیروهای اعمال شده
۵-۴- خاصیت جذب و نشر نور
۵-۵- خاصیت مغناطیسی
۵-۶- چگالی سطحی بالا و استحکام و مقاومت کششی بالا
۵-۷- قابلیت ذخیره سازی بالا
۵-۸- خاصیت ابررسانایی
۵-۹- خاصیت الکتریکی
۶- کاربردهای نانولوله کربنی
۱- تعریف نانو لوله کربنی و ساختار آن :
این لوله ها بدون دوخت بوده و از یک یا چند لایه کربنی ساخته شده اند و به دو شکل تک جداره (SWCNT) و چند جداره (MWCNT) وجود دارند. در این لوله ها اتم های کربن با ساختار شش ضلعی و حلقوی توخالی کنار هم قرار گرفتند و شکل استوانه ای به ساختار دادند. چون بین اتم های کربن در این ساختار پیوند قوی برقرار است و به علت داشتن ساختار نانو، رسانایی گرمایی و مقاومت کششی در این لوله ها بالاست. این مواد فلز بوده و خاصیت شبه رسانایی دارند. این لوله ها دارای تقارن مارپیچی و تقارن انتقالی در امتداد محور لوله و بعضی دارای تقارن مرکزی هستند.
۲- اندازه نانولوله ها :
نانولوله های کربنی تک جداره در سال ۱۹۹۳ توسط ایجیما و ایچیهاشی و بتهونه کشف شد و قطری بین ۸̸۰ تا ۲ نانومتر دارند و از لحاظ ساختاری حالتی بین فولرن و گرافن های مسطح می باشد. این نانولوله ها یک ورقه گرافنی پیچیده شده به شکل لوله است. نانولوله های تک جداره وقتی به صورت تو در تو با نیروهای واندروالسی کنار هم قرار گیرند و یک ساختار درختی ایجاد می کنند، نانولوله های چندجداره را تشکیل می دهند. قطر لوله های چندجداره بین ۵ تا ۲۰ نانومتر است. در کل طول نانولوله های کربنی از قطر آن ها بیشتر و بین ۱۰۰ نانومتر تا چند سانتی متر است ولی بدون در نظر گرفن اثرات انتهایی طول آن ها بی نهایت در نظر گرفته می شود.
۳- سنتز و فرآوری نانولوله کربنی :
برای سنتز این لوله ها از فرآیند چگالش بخار شیمیایی استفاده می شود. این روش شامل تجزیه گازهای هیدروکربنی در کنار کاتالیزورهای فلزات واسطه است. استفاده از رآکتورهای بستر سیال باعث نفوذ یکنواخت گاز و گرما به ذرات می شود و در این روش نانولوله های تک جداره ساخته می شود. با دو روش دیگر تخلیه الکتریکی و فرسایش لیزری نیز می توان این لوله ها را تولید کرد. در روش تخلیه الکتریکی بین دو الکترود جریان از محیط گازی عبور می کند.
توجه :
تولید انبوه نانو لوله های چندجداره، فراوانی محصول، ارزان بودن مواد اولیه، تولید کم محصولات جانبی و استفاده پایین انرژی باعث ارزان بودن تولید این لوله ها شده است. اما با این حال ممکن است در حین تولید آن ها ناخالصی هایی ایجاد شود که برای حذف آن ها عملیات مخصوصی مورد نیاز است که حتی خود این واکنش ها خواص چون طول لوله ها را تغییر می دهند.
۴- خالص سازی نانولوله های کربنی :
این لوله ها به دلیل داشتن سطح آب گریز و میل به تجمع زیاد دارند و باید سطح آن ها را عامل دار کرد و قبل از عامل سازی عملیات خالص سازی انجام می شود. برای خالص سازی از دو روش فیزیکی و شیمیایی استفاده می شود. در روش فیزیکی چون اندازه ، حلالیت و چگالی نسبی نانولوله ها و ناخالصی ها با هم متفاوت است بر این اساس می توان آن ها را از نانولوله ها جدا کرد. اما روش شیمیایی برخلاف روش فیزیکی که غیراکسیداسیونی است، بر اساس اکسیداسیون انجام می شود. برای رسیدن به نانولوله با درجه خلوص بالا باید از هر دو روش در کنار هم استفاده شود.
۵- خواص :
به خاطر خواص منحصر به فردی چون مقاومت کششی بالا و ساختار کربنی که نانولوله ها دارند و چون کربن کم وزن و ارزان می باشد، تحقیقات زیادی روی ساختارهای اتمی و الکترونی آن انجام شده است. رویای ساخت روبات های میکروسکوپی و بدنه های پولادی ماشین ها و ساختمان هایی که در برابر زلزله مقاوم هستند، با فناوری های نانولوله ها امکان پذیر خواهد بود.
یکی از این خواص اندازه بسیار کوچک و نانویی، قابلیت تغییر شکل و انعطاف پذیری آن است.
۵-۱- خاصیت رسانایی و نیمه رسانایی :
نانولوله ها بر اساس شکل ظاهریشان و این که صفحات کربنی چگونه درهم پیچیده شود، رسانا یا نیم رسانا هستند. همان طور که گفته شد اتم های کربن ساختار شش وجهی دارند، زاویه بین محور لوله و محور الگوی شش وجهی که زاویه پیچش خوانده می شود، رسانا یا نارسانا بودن را تعیین می کند. عامل دیگری که در این مورد نقش دارد اندازه شعاع و قطر لوله است. خواص الکتریکی نیز با مکان قرار گرفتن C۶۰ می تواند به رسانا یا نارسانا تغییر کند.
۵-۲- داشتن سطح دیواره صاف :
گازهایی مانند هیدروژن و اکسیژن را می توان با عبور از نانولوله ها از هم جدا کرد، چون این لوله ها به دلیل سطح صافی که دارند مقدار بیشتری گاز می توانند از خود عبور دهند. اگر نانولوله ها بتوانند گازها را به طور انتخابی از دیواره خود در بیرون از محیط آزمایشگاهی عبور دهند، می شود از هوا نیتروژن و هیدروژن تولید کرد.
۵-۳- حساسیت به تغییرات ایجاد شده در نیروهای اعمال شده :
وقتی بر یک نانولوله کربنی کرفشار وارد می شود به دلیل تغییر در ساختار کوانتومی الکترون ها، ویژگی های الکتریکی آن تغییر می کند. به دلیل داشتن این خصوصیت ترانسفورماتورها و دستگاه های انتقال دهنده ای از جنس نانولوله های کربنی ساخته می شود که با اعمال کوچک ترین نیرو، واکنش نشان می دهد. همچنین در آینده دانشمندان می توانند از آن ها سوئیچ های نانولوله ای بسازند که به تغییرات بسیار ریز فشار حساس باشند.
۵-۴- خاصیت جذب و نشر نور :
نانولوله های کربنی خاصیت جذب، نشر و طیف سنجی رامان را دارند. این لوله ها می توانند نور مادون قرمز را جذب کنند و در صورت وارد کردن الکترون و حفره از دو سر نانولوله، نور با طول موج ۵̸۱ میکرومتر را نشر کنند.
۵-۵- خاصیت مغناطیسی :
می توان در نانو لوله های کربنی با تزریق الکترون و حفره از دو سر لوله به طور هم زمان خاصیت مغناطیسی ایجاد کرد. همچنین اگر این لوله ها در زیر لایه مغناطیسی قرار گیرند خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند. از این خاصیت برای ساخت دستگاه هایی استفاده می شود که اتصالات الکتریکی و مغناطیسی جداگانه داشته باشند.
۵-۶- چگالی سطحی بالا و استحکام و مقاومت کششی بالا :
نانولوله های کربنی به دلیل اندازه بسیار کوچک و نانویی که دارند، چگالی سطحی بالایی دارند. همچنین پیوند بین اتم های کربن در نانولوله های کربنی از نوع کووالانسی قوی SP۲ می باشد، به همین جهت این لوله ها سخت ترین و قوی ترین مواد هستند (مقدار کمی پیوند SP۳ نیز به خاطر وجود انحنا در ساختار این لوله ها وجود دارد). گرما دادن به نانولوله ها باعث افزایش مقاومت کششی و استحکام آن ها می شود، چون مقاومت کششی آن ها متناسب با ریشه سوم جرم اتم ها و مولکول هاست. مقاومت الکتریکی نانولوله ها با برخورد اتم ها و مولکول ها به آن ها تغییر می کند.
۵-۷- قابلیت ذخیره سازی بالا :
نانو لوله کربنی توانایی ذخیره یک یون لیتیم به ازای سه اتم کربن را دارند، این در مقایسه با گرافیت که توانایی ذخیره کردن یک یون لیتیم به ازای شش اتم کربن را دارد، زیاد است. چون قدرت ذخیره سازی نانولوله ها برای انرژی نیز خیلی بالاست، محققان امید به ذخیره کردن مقدار زیادی هیدروژن در این لوله ها برای پیل های سوختی دارند.
۵-۸- خاصیت ابررسانایی :
خاصیت ابررسانایی در نانولوله های کربنی که قطر ۴̸۰ نانومتری دارند، در دمای زیر ۱۵ درجه کلوین است. خاصیت ابررسانایی نانولوله ها با ارائه دلایلی توسط دانشمندان، می تواند در دمای اتاق نیز امکان پذیر باشد.
۵-۹- خاصیت الکتریکی :
نانو لوله کربنی نسبت به سیم های مسی برای عبور جریان الکتریسیته بهتر هستند، زیرا این لوله ها می توانند با انتقال بالستیک الکترون را از سطح خود عبور دهند. به همین دلیل برای موارد میکروالکترونیک بیشتر از این لوله ها استفاده می شود. این لوله ها از نظر رسانایی حرارتی بسیار قوی هستند. همچنین در این لوله ها با عبور دادن مایع از میان ساختار آن ها می توان ولتاژ الکتریکی تولید کرد که از این خاصیت در علم زیست پزشکی استفاده می شود.
۶- کاربردهای نانولوله کربنی :
از نانو لوله کربنی برای ساخت ابزارهای نانو الکتریکی، باطری های یونی لیتیم، غشاها، سیستم ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، حسگر شیمیایی و بیوشیمیایی و ابزارهای الکترونیک نوری استفاده می شود. این لوله ها در زمینه های مکانیکی، الکتریکی و کاتالیزوری به خاطر بالا بودن سطح ویژه آن ها کاربرد بسیاری دارند. نانولوله ها با اضافه شدن به پلیمرها، کامپوزیت هایی با خواص مناسب ایجاد می کنند که نسبت به کامپوزیت های دارای کربن سیاه از نظر رسانایی بهتر عمل می کنند.
