- ارسال ها
- 199
- لایک ها
- 481
- امتیاز
- 0
نانولوله های کربنی یکی از پر کاربردترین نانوساختارهای مورد بحث در فناوری نانو هستند. آن ها بسیار ظریف اند و قطری حدود 10000 بار کوچک تر از موی انسان دارند.
[HR][/HR]
نانولوله ها نوعی از اولین نانومواد واقعی بودند که در سطح ملکولی با روش های مهندسی تولید شدند. برآوردها از این که دقیقا نانولوله کربنی چه قدرتی دارد متفاوت است. اما آزمایش ها قبلاً نشان داده اند که قدرت کششی این مواد بیش از 40 برابر فولاد مرغوب و درجه یک است طبق برخی برآوردها، یک رشته نانولوله ای نازک تر از موی انسان می تواند یک تریلی را آویزان نگه دارد. بسیاری از متخصصان فناوری نانو تصریح می کنند که نانولوله ها نه تنها قوی ترین موادی هستند که تاکنون ساخته شده اند، بلکه در زمره قوی ترین مواد هستند که ممکن است در آینده ساخته شوند.
[h=2]تاریخچه نانو لوله های کربنی[/h]
سال ها پیش سامیوایجیما در حال تحقیق پشت یک میکروسکوپ الکترونی نشسته بود که رشته هایی نانومتری را در رسوب سیاه رنگ دوده ای مشاهده کرد. این رشته ها از کربن خالص تشکیل شده بودند و مانند بلورهای منظم دارای ساختار متقارن و آرایش یافته بودند. این مولکول های بزرگ، زیبا و خیلی بلند خیلی زود نانولوله نام گرفتند و موضوع مطالعات علمی و مهندسی پیشرفته تا حال حاضر بوده اند. ایجیما می گوید: درست است که ساخت نانولوله های کربنی برای من شگفت انگیز بود، اما همه ماجرا اتفاقی نبود، چون من تجربه های زیادی در مشاهده ابعاد کوچک نمونه های کربنی مثل کربن آمورف (بی شکل) و لایه های بسیار نازک گرافیتی داشتم؛ بنابراین سال ها با ساختارهای کربنی آشنا بودم و روی آن کار می کردم. کشف فولرین توسط ریچارد اسمالی و همکارانش مرا تشویق کرد و باعث شد که من هم به ساختارهای جدید کربنی فکر کنم. به عقیده ایجیما هزینه های تحقیقات روی نانولوله ها بسیار بالا است. با این حال ساخت ابرخازن های نانولوله ای اولویت بیشتری دارد. اخیراً به کمک گاز نیتروژن و یک ورقه نازک فولادی با روشی به نام رشد فوق سریع نانولوله ها را تولید کردیم و امید می رود هزینه نانولوله 200 تا500 دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یابد.
[h=2]ویژگی‌ها وخصوصیات نانولوله های کربنی[/h]
خصوصیات مافوق تصور زیادی است که به نانولوله ها اختصاص دارد. در بین این خصوصیات انعطاف عالی یعنی تغییر شکل و خم شدن و بازگشت به حالت اولیه، استحکام کششی و ثبات حرارتی، خصوصیاتی هستند که پیش بینی هایی رویایی از ساخت محصولات فناوری نانو را در سر می پرورانند: روبات های میکروسکوپی، بدنه های صاف و پولادین برای خودروها که به سختی در تصادفات مچاله می شوند، باروهای مصنوعی و ساختمان هایی که در برابر زلزله مقاوم هستند. با این همه اولین محصولاتی که از نانولوله ها استفاده کرده اند، هیچ کدام از این مواد را در بر ندارند.درپایین برخی از ویژگی های نانولوله های کربنی را ذکرمی کنیم:
*اندازه بسیار كوچك (قطر كوچكتر از 0/4 نانومتر)
* حالت رسانا و نیمه‌رسانایی آن ها بر حسب شكل هندسی‌شان
نانولوله‌ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیتی سازنده شان به صورت رسانا یا نیمه‌رسانا در می‌آیند. به عبارت دیگر از آنجا كه نانولوله‌ها در سطح مولكولی همچون یك باریكه سیمی در هم تنیده به نظر می‌رسند اتم‌های كربن در قالب شش وجهی به یكدیگر متصل می‌شوند و این الگوهای شش وجهی دیواره‌های استوانه‌ای را تشكیل می‌دهند كه اندازه آن تنها چند نانومتر می‌باشد. زاویه پیچش نوعی نانولوله، كه به صورت زاویه بین محور الگوی شش وجهی آن و محور لوله تعریف می‌شود، رسانا یا نارسانا بودن را تعیین می‌كند. تحقیقات د یگری نیز نشان داده‌اند كه تغییر شعاع نیز امكان بستن طول باند و عایق نمودن نانولوله فلزی را فراهم می‌كند. پس می‌توان گفت دوپارامتر اساسی که در این بین نقش اساسی بازی می‌كنند، یكی ساختار نانولوله و دیگری قطر و اندازه آن است. بررسی‌های دیگری نشان داده‌اند که خصوصیات الكتریكی نانولوله‌ها بسته به اینكه مولكول C60 در كجا قرار داده شود از یك هادی به یك نیمه‌هادی و یا یك عایق قابل تغییر می‌باشد.
خواص ویژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول یانگ بالا و استحكام كششی خوب از یك طرف و طبیعت كربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این كه كربن ماده‌ای است كم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها كه نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در كارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشیم
از آنجایی كه نانولوله‌های كربنی قادرند جریان الكتریسته را به وسیله انتقال بالستیك الكترون بدون اصطكاك از سطح خود عبور دهند- این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است كه از سیم مسی عبور می‌كند- لذا نانولوله‌ها انتخاب ایده‌آلی برای بسیاری از كاربردهای میكروالكترونیك می‌باشند.
*برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه‌ای
* قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا
* سطح جداره صاف یا قدرت تفكیك بالا
سطح جداره صاف نانولوله‌ها باعث می‌شود كه میزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بیشتر از غشاهای میكروحفره‌ای معمولی كه در جداسازی گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند باشد. لذا می‌توان گازهایی مانند هیدروژن و دی‌اكسید كربن را با هدایت در نانولوله از هم جدا كرد. این كه آیا نانولوله‌ها واقعاً می‌توانند در خارج از آزمایشگاه نیز گازها را به طور انتخابی از خود عبور دهند یا نه باعث شده كه امیدهای زیادی به تولید هیدروژن و نیتروژن از هوا باشد.
* بروز خواص الكتریكی و مكانیكی منحصر به فرد در طول آن ها
*مدول یانگ بالا
اعمال فشار بر یك نانولوله می‌تواند ویژگی‌های الكتریكی آن را تغییر دهد كه بسته به نوع كشش یك نانولوله می‌توان رسانایی آن را افزایش یا كاهش داد. این امر به دلیل تغییر ساختار كوانتومی الكترون‌ها صورت می‌گیرد. لذا این امكان به فیزیكدان ها داده می‌شود كه ترانسفورماتور یا دستگاه‌های انتقال دهنده بر پایه نانولوله‌ها بسازند كه حساسیت زیادی به اعمال نیروهای بسیار كوچك دارند. همچنین توانایی نانولوله‌ها در احساس تغییرات بسیار كوچك فشار و باز تبدیل این فشار به صورت یك علامت الكتریكی می‌تواند در آینده امكان ساخت سوئیچ‌های نانولوله‌ای حساس به تغییرات بسیار كوچك فشار را به محققان بدهد.
* گسیل و جذب نور
نانولوله‌ها می‌توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع كنند. همچنین تزریق همزمان الكترون از یك سر و تزریق حفره از سر دیگر نانولوله‌كربنی، موجب می‌شود كه نوری با طول موج 1/5 میكرومتر از نانولوله منتشر شود.
*ضریب تحرك الكتریسیته بسیار بالا
نانولوله‌ها در دمای اتاق دارای بالاترین ضریب تحرك الكتریسته نسبت به هر ماده شناخته شده دیگری هستند.
*خاصیت مغناطیسی، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ
با قرار دادن یك نانولوله در زیر لایه مغناطیسی یا با افزودن الكترون یا حفره به نانولوله می‌توان خاصیت مغناطیسی در نانولوله ایجاد كرد .این خاصیت باعث می‌شود كه بتوان ساخت وسایلی را پیش‌بینی كرد كه در آن ها اتصالات مغناطیسی و الكتریكی از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطیسی را می‌توان برای قطبی كردن مغناطیسی نانولوله‌ها- دستكاری در اسپین‌ها- به كار برد و از اتصال‌های غیرمغناطیسی برای الكترودهای ولتاژ- جریان استفاده كرد. همچنین ممان مغناطیسی آن ها نیز قابل اندازه‌گیری است (0/1 مگنتون بور در هر اتم كربن).
* چگالی سطحی بسیار بالا
نانولوله‌ها دارای چگالی سطحی بسیار بالایی می‌باشند كه باعث استحكام بالای نانولوله می‌شود. می‌توان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آن ها پدیدار می‌شود.
در نانولوله‌ها هر سه اتم كربن قابلیت ذخیره یك یون لیتیم را دارند در حالی كه در گرافیت هر شش اتم كربن توانایی ذخیره یك یون لیتیم را دارند. همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله‌ها چند برابر حجم الكترودهای گرافیتی است. لذا محققان امیدوارند بتوانند هیدروژن زیادی را در نانولوله‌ها برای كاربردهای انرژی و پیل‌های سوختی ذخیره كنند.
* داشتن خاصیت ابررسانایی
نانولوله‌ها در دمای زیر k ْ15 ابررسانا شده‌اند. شعاع این نانولوله‌های ابررسانا فقط 0/4 نانومتر است. این كشف در نانولوله‌های كربنی نه تنها حیرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضایایی را كه حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستم‌های یك یا دو بعدی ممنوع می‌دانستند، رد كرده است. همچنین دانشمندان دلایلی را ارائه كرده‌اند كه می‌توان ابررسانایی دمای اتاق را در نانولوله‌های كربنی یافت. آن ها بیش از 20 دلیل ارائه كرده‌اند كه نانولوله‌های كربنی از خود خواصی را نشان می‌دهند كه بیانگر ابررسانایی دمای اتاق در آن هاست.
* تولید ولتاژ
با عبور مایع از میان كلاف‌هایی از نانولوله‌های كربنی تك جداره، ولتاژ الكتریكی ایجاد می‌شود. از این تكنیك برای ساخت حسگرهای جریان مایع برای تشخیص مقادیر بسیار اندك مایعات و نیز برای ایجاد ولتاژ در كاربردهای زیست پزشكی استفاده می‌شود. همچنین نشان داده شده است كه مایعات با قدرت یونی بالا ولتاژ بیشتری تولید می‌كنند.
میزان افزایش نیروی گرمایی و مقاومت نانولوله‌ها با ریشه سوم جرم اتم‌ها و مولكول‌ها متناسب است. همچنین حرارت دادن موجب افزایش استحكام نانولوله شده و مقاومت كششی آن را شش برابر می‌كند و هدایت آن نیز افزایش می‌یابد. تحقیقات اخیر نشان می دهد كه در اثر برخورد اتم‌ها یا مولكول‌ها با نانولوله كربنی مقاومت الكتریكی آن تغییر می‌كند.