نانو تکنولویز و نانو لوله های کربنی(شاخه ها)
تاریخچه نانو:
دکتر ریچارد فیلیپس فاینمن در 11 می سال 1918 در منهتن نیویورک چشم به جهان گشود. فاینمن در طول سال های تحصیلش بر روی ریاضیات و علوم بسیار مطالعه می کرد زیرا پدرش می خواست که او یک معلم فیزیک شود. وی همچنین برای آزمایش در زمینه الکتریسیته یک آزمایشگاه در خانه اش برپا کرد. فاینمن از نمادهای ریاضیاتی خودش برای توابع Sin، Cos، tanو F(x) استفاده می کرد.
در سال1959 ایشان مقاله ای را درباره قابلیت های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. فاینمن درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
عنوان سخنرانی وی این بود "فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد" باوجود موقعیت هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می شناسند.
سخنرانی او شامل این مطلب بود که می توان تمام دایره المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن را به اندازه 25000/1 ابعاد واقعیش کوچک کرد. او همچنین از دوتایی کردن اتم ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد) او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش بینی نمود. وی در پایان سخنرانیش 1000 دلار برای اختراع اولین الکتروموتوری که ابعادش حداکثر 64/1اینچ مکعب باشد، پیشنهاد داد. جایزه ای که برای اولین کسی که بتواند ابعاد یک صفحه کتاب را به اندازه ابعاد اصلیش کوچک کند، تعیین کرد. ابعاد این صفحه کتاب می بایست به اندازه ای باشد که بتوان آن را به کمک یک میکروسکوپ الکترونی خواند. این ایده ها در سال های 1960 و 1985 تحقق یافتند و جایزه های آنها نیز پرداخت شد.
عناصر پایه در فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و … تغییر می یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کن. .. .اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانوذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی …
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و … تغییر می یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند .
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانوذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، … .
دومین عنصر پایه، نانوکپسول است. همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول های هستند که قطر نانومتری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال هاست که نانوکپسول ها در طبیعت تولید می شوند؛ مولکول های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می گیرند، خود به خود کپسول هایی را تشکیل می دهند که قسمت های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می شود و از تماس با آب محافظت می شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.
عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است.این عنصر پایه در سال 1991در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانولوله های کربنی می رسیم. این نانولوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می شود.
چهارمین عنصر پایه فولرین است ، عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارند.که هرکدام دررشته ای خاص مهم هستند.ازآن جمله می توان به مواد نانوحفره ای، نانو بلورهای توده ای ،نانو ساختار های آلی ، الیاف،نانوسیم ها، نانو قطعات سیالاتی ،نانو قطعات الکترومکانیکی ، ساختارهای معدنی ، آئروژلها و … اشاره کرد .
نانو ذره
یک نانوذره، ذره ای است که ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد . نانوذرات علاوه بر نوع فلزی، عایقها و نیمه هادی ها، نانوذرات ترکیبی، نظیر ساختارها ی هسته لایه را نیز شامل می شود نانوذرات در اندازه های پایین نانوخوشه به حساب می آیند. همچنین نانوکره ها، نانومیله ها، و نانوفنجان ها تنها اشکالی از نانو ذرات در نظر گرفته می شوند. نانوبلور ها و نقاط کوانتومی
نیمه هادی زیرمجموعه ی نانوذرات هستند . چنین نانوذراتی در زمینه های مختلف الکترونیکی و الکتریکی و بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصویربرداری کاربرد دارند.
تعیین مشخصات نانوذرات برای کنترل سنتز، خواص و کاربرد آنها ضروری است. مشخصات این ترکیبات با استفاده از روش های گوناگونی نظیر آنالیز میکروسکوپ الکترونی، AFM،طیف سنجی فوتوالکترونی ، X-ray و FT-IR سنجیده می شود.
نانوذرات زمینه های کاربردی زیادی دارند که مهم ترین آنها عبارتند از:
مواد کامپوزیت، کامپوزیت های ساختاری ،کاتالیزور، بسته بندی، روکش ها ، افزودنی های ، سوخت و مواد منفجره ، ساینده ها ، باتری ها و پیل های سوختی، روان کننده ها، پزشکی و داروسازی، دارو رسانی، محافظت کننده ها، آنالیز زیستی و تشخیص پزشکی، لوازم آرایشی،
برای تولید نانوذرات روشهای بسیار متنوعی وجود دارد. این روش ها اساساً به سه دسته تقسیم
می شوند:
چگالش از یک بخار ، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن.
روش چگالش از بخار که شامل تبخیر فلز جامد سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه های نانومتری است که به صورت پودر ته نشین می شوند. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان( VERL) و روش سیم انفجاری جزء روش های چگالش از بخار محسوب می شوند.
روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در محیط مایع حاوی انواع واکنشگرها است . روش سل ژل نمونه ی چنین روشی است، در روش های شیمیایی اندازه ی نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه ی مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه ی خاص کنترل نمود.
از روش فرایندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن) می توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. از این روش می توان برای تولید نانوذرات از موادی استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی شوند.
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند که رایج ترین آنها نانوذرات سرامیکی، فلزی ،پلیمری و نانوذرات نیمه رسانا هستند.
نانو کپسول
نانوکپسول به هر نانوذره ای گفته می شود که دارای یک پوسته و یک فضای خالی جهت قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد.
فرآیندهای اصلی ساخت کپسولها شکل عمومی یکسانی دارند: از یک امولسیون روغن در آب یا آب در روغن برای خلق به ترتیب نانوکپسول های روغنی و آبی استفاده می شود. زمینه کاربرد کپسول ها به نوع امولسیون مورد استفاده بستگی دارد؛ مثلاً تزریق وریدی مستلزم استفاده از نانوکپسول های آبی است ، بنابراین برای ساخت کپسو لهای مذکور بایستی از امولسیون آب در روغن استفاده شود. با این حال، طبیعت مواد کپسوله شده- یعنی آب دوست یا آب گریز بودن آنها- نیز نوع نانوکپسول مورد نیاز را دیکته می کند. که ممکن است با کاربرد مورد نظر تطابق نداشته باشد. روکش دهی کپسول ها با لایه های دیگر ممکن است این مغایرت را رفع نماید. برای روکش دهی می توان از پروتئین ها، پلیمرها و دیگر مواد طبیعی و مصنوعی سود جست و آنها را بر حسب خواص گوناگونی به غیر از آب دوستی یا آب گریزی، نظیر چسبندگی، مقاومت در برابر محیط های مختلف و غیره انتخاب کرد. علاوه بر این، می توان از کپسولهای موقتی (یا الگوها) به عنوان شالوده لایه های دیگر استفاده کرده و سپس آنها را از بین ببرد. شرایط ساخت نانوکپسول ها بحرانی و حاد نیست و به همین علت از منظر زیست شناسی، دارای جذابیت خاصی برای رسانش مواد زیستی حساس می باشند.
نانو لوله کربنی
نانو لوله ها به نانوساختارهایی اطلاق می شود که قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف نظر از استحکام کششی بالا، نانو لوله ها خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می دهند که به ساختار آنها وابسته است.
لفظ نانولوله در حالت عادی در مورد نانولوله کربنی به کار می رود، که در چند سال اخیر از سوی محققین مورد توجه فراوانی قرار گرفته اند و در کنار خویشاوندان نزدیکش همچون "نانوشاخ"، نویدبخش کاربردهای جالبی شده اند. البته اشکال دیگری از نانولوله ها همچون نانولوله های نیترید بور و نانولوله های خودآرای آلی نیز ساخته شده اند.
نانولوله ها در زمینه های مختلفی کاربرد دارند که عبارتند از:
– مواد ساختمانی
– صنایع الکترونیک
– قطعات نشر میدانی
– پیل های سوختی و باتریها
نانولو له های کربنی(CNTs)
نانولو له های کربنی که در سال 1991 توسط سومیو ایجیما در شرکت NEC کشف شدند ، در واقع لوله هایی از گرافیت می باشند،گرافیت شکلی از کربن است که از لایه های حاوی
آرایش های شش ضلعی اتم های کربن تشکیل می شود). این نانوساختارها اندازه های مختلفی داشته و می توانند تک دیواره (SWNT) یا چند دیواره (MWNT) باشند که درمورد اخیر
دسته ای از خواص جالب توجه را به همراه خود دارند.
یک خصوصیت مشهور نانولوله های کربنی ، استحکام کششی برجسته ی آنهاست، که نزدیک 100 گیگاپاسکال یعنی بیش از 100 برابر استحکام فولاد است. با این حال این مقیاس غلط انداز است؛ چرا که فولاد از تجمع بلورها و مواد افزودنی حاصل می شود و لذا مقایسه معنادارتر، مقایسه کردن مواد بزرگ مقیاس ساخته شده از نانولوله ها با فولاد خواهد بود. این مساله خطر برون یابی خواص سطح مولکولی به جامدات توده را خاطر نشان می سازد .نانولوله مثل هم خانواده خود ورقه های گرافیت به یکدیگر نچسبیده و تنها بر اثر نیروهای ضعیف واندروالس جذب یکدیگر می شوند؛ به همین دلیل است که گرافیت به عنوان یک روان کننده خوب شناخته می شود.(نانولو له ها به دیگر مواد نیز به راحتی نمی چسبند). این مساله بکارگیری خواص آنها در مواد توده ای را با مشکل مواجه می سازد. می توان با اصلاح شیمیایی نانولوله ها باعث چسبیدن آنها به یکدیگر شد، اما خلوص ساختاری آنها که باعث چنان استحکام عظیمی می شود، اولین چیزی است که باید برروی آن مصالحه کرد.
نانولو له های کربنی دارای خواص الکتریکی جالبی نیز می باشند. آنها بسته به کایرالیته
(یعنی نحوه پیچش ساختار گرافیتی به دور نانولوله ) می توانند رسانا ( نانولو له های "فلزی") یا نیمه رسانا باشند. نانولو له های کربنی تک دیواره در مصارف الکترونیکی با بیشترین توجه روبرو شده اند، اما هنوز نمی توان در روشهای تولید کنترل چندانی بر خصوصیات الکترونیکی نانولوله ها اعمال نمود.
هدایت گرمایی نانولوله های کربنی در جهت لوله ها و نه عمود برآنها باعث شده است که این ترکیبات قابلیت بالقوه ای در گودال های حرارتی در زمینه نانوالکترونیک از خود نشان دهند.
یکی از خواص نانولوله های کربنی که بیشترین توجه را به خود جلب کرده است، نشر میدانی است. قطعات نشر میدانی (FED) ها ساختارهایی هستند که تحت تاثیر میدان الکتریکی از خود الکترون منتشر می کنند. نانولو له های کربنی قادرند تحت تاثیر میدان های الکتریکی اندک
جریان های بالایی را انتشار دهند.
مصارف FED مثل صفحات نمایشگر مسطح ممکن است نیازمند جایدهی دقیق نانولوله ها باشند. برای دستیابی به این دقت، استفاده از روشهای رشد دهی مبتنی بر کاتالیست ها و رسوب دهی شیمیایی بخار شروع شده است . FEDهای نانولو له ای در سامانه های روشنایی نیز آزموده
شده اند. به کمک رسوبدهی شیمیایی بخار . فیلمی از نانولوله ها بر روی یک لوله نشانده
می شود و الکترون های منتشر شده از یک سیم مسی واقع در درون آن، لوله را برای تابش تحریک می کنند.
نانولو له های کربنی و خویشاوندشان "نانوشاخ ها" برای نگهداری هیدروژن و هیدروکربنها جهت استفاده پیل های سوختی مورد مطالعه قرار گرفته اند .
نانولوله ها کربنی قابلیت خود را برای دوبرابر کردن ظرفیت باتری های قابل شارژ لیتیوم به جای گرافیت نشان داده اند. همچنین نانولوله های کربنی تک دیواره می توانند کارایی پیلهای خورشیدی فتوولتاییک را با ارتقای قابل ملاحظه تحرک پذیری الکترونها در یک لایه کامپوزیت پلیمری بهبود دهند.
فرآیندهای تولید نانولوله های کربنی
۱- تخلیه قوس الکتریکی:
دراین روش جرقه ای که بین دو الکترود گرافیتی ایجاد می شود، کربن یک الکترود را کنده و به صورت دوده روی دیگری متراکم می سازد. فشار محفظه تبخیر و جریان مهمترین عوامل موثر در راندمان می باشند. این روش برای تولید انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد کامپوزیتی مناسب است.
۲- تبخیر/ سایش لیزری :
از لیزر برای تبخیر هدف گرافیتی در کوره ای به دمای° 1200 و حاوی هلیوم یا نیتروژن با فشار بالا استفاده می شود. این روش برای تولید انبوه نانولوله ها جهت استفاده در مواد کامپوزیتی کاربرد دارد.
۳- رسوب دهی شیمیائی بخار به کمک حرارت:
کنترل موقعیت و رشد نانولوله ها با استفاده از نانوکاتالیست های نانوذره ای، قابلیت خلق نانو
لوله هایی با ساختار و وضعیت مورد نظر را فراهم می کند. سادگی روش باعث تولید انبوه آن میشود.
۴- رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما(PCVD)
از پلاسمای منوکسید کربن و هیدروکربن های مختلف برای ساخت نانولو له ها بر روی
کاتالیست های قرار داده شده برروی سطح ( مانند روش حرارتی) استفاده می شود.
۵- رشد فاز بخار :
در این روش بدون استفاده از هیچ زیرلایه ای، تنها با مخلوط کردن هیدروکربنها و فلزکاتالیست در محفظه واکنش نانولوله ها ساخته می شوند.
۶- الکترولیز:
در اثر الکترولیز کلریدلیتیوم مذاب در یک محفظه گرافیتی- که آند یک بوته گرافیتی است
می توانMWNT ها را سنتز کرد.
۷- سنتز شعله :
احتراق متان باعث ایجاد شعله می شود و وارد نمودن هیدروکربن های دیگر و کاتالیست ها در آن باعث تولید SWNT و MWNT می شود.
نانولوله های کربنی به خاطر خواص منحصر به فرد خود کارایی زیادی دارند. برخی معتقدند نانولوله ها کارایی سنسورهای کوچک، دستگا ههای نوری و الکترونیکی، کاتالیست ها و باطریها و پیلهای سوختی، پیل های خورشیدی و انتقال دهندهای دارویی را به طور فوق العاده ای بهبود می دهند. تقریباً ظرفیت باطری های لیتیم با نانولوله های کربنی دوبرابر می شود، ترانزیستورهای کربنی در دهه آینده جایگزین ترانزیستورهای سیلیکونی می شوند، همچنین نانولوله ها در راکت های تنیس کاربرد دارند و آنها را سبکتر و محکم تر می سازنند. تقویت جلیقه های ضد گلوله با مقدار کمی نانولوله کربنی توانایی آنها را در جذب انرژی گلوله دوبرابر می کند، همچنین از نانولوله های کربنی برای تهیه پلاستیک های ضد شعله استفاده می شود، نانو لوله های کربنی قادر به ذخیره سازی هیدروژن تا 65 % وزن خود هستند )ظرفیتی که پیل های سوختی هیدروژنی را به دلیل موثر بودن و ارزان بودن جایگزین سوختهای فسیلی خواهد کرد.( همچنین سیم های با جنسCNT درست شده است که هدایت الکتریکی آن از سیم های مسی بیشتر است و قادر به انتقال جریانات با فشار قوی می باشند .
ویژگی های نانولوله های کربنی
۱.1- اندازه بسیار کوچک (قطر کوچکتر از 4/0 نانومتر)
1.2- حالت رسانا و نیمه رسانایی آن ها بر حسب شکل هندسی شان
نانولوله ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیتی سازنده شان به صورت رسانا یا نیمه رسانا در می آیند. به عبارت دیگر از آنجا که نانولوله ها در سطح مولکولی همچون یک باریکه سیمی در هم تنیده به نظر می رسند اتم های کربن در قالب شش وجهی به یکدیگر متصل می شوند و این الگوهای شش وجهی دیواره های استوانه ای را تشکیل می دهند که اندازه آن تنها چند نانومتر می باشد. زاویه پیچش نوعی نانولوله، که به صورت زاویه بین محور الگوی شش وجهی آن و محور لوله تعریف می شود، رسانا یا نارسانا بودن را تعیین می کند. تحقیقات دی گری نیز نشان داده اند که تغییر شعاع نیز امکان بستن طول باند و عایق نمودن نانولوله فلزی را فراهم می کند. پس می توان گفت دوپارامتر اساسی که در این بین نقش اساسی بازی می کنند، یکی ساختار نانولوله و دیگری قطر و اندازه آن است. بررسی های دیگری نشان داده اند که خصوصیات الکتریکی نانولوله ها بسته به اینکه مولکول C60 در کجا قرار داده شود از یک هادی به یک نیمه هادی و یا یک عایق قابل تغییر می باشد. از آنجایی که نانولوله های کربنی قادرند جریان الکتریسته را به وسیله انتقال بالستیک الکترون بدون اصطکاک از سطح خود عبور دهند- این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است که از سیم مسی عبور می کند- لذا نانولوله ها انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردهای میکروالکترونیک می باشند.
– 1.3برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه ای
-1.4 قدرت رسانایی – گرمایی خیلی بالا
-1.5 سطح جداره صاف یا قدرت تفکیک بالا
سطح جداره صاف نانولوله ها باعث می شود که میزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بیشتر از غشاهای میکروحفره ای معمولی که در جداسازی گازها مورد استفاده قرار می گیرند باشد. لذا می توان گازهایی مانند هیدروژن و دی اکسید کربن را با هدایت در نانولوله از هم جدا کرد. این که آیا نانولوله ها واقعاً می توانند در خارج از آزمایشگاه نیز گازها را به طور انتخابی از خود عبور دهند یا نه باعث شده که امیدهای زیادی به تولید هیدروژن و نیتروژن از هوا باشد.
– 1.6 بروز خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد در طول آن ها
1.7- مدول یانگ بالا
1.8- حساس به تغییرات کوچک نیروهای اعمال شده
اعمال فشار بر یک نانولوله می تواند ویژگی های الکتریکی آن را تغییر دهد که بسته به نوع کشش یک نانولوله می توان رسانایی آن را افزایش یا کاهش داد. این امر به دلیل تغییر ساختار کوانتومی الکترون ها صورت می گیرد. لذا این امکان به فیزیکدان ها داده می شود که ترانسفورماتور یا دستگاه های انتقال دهنده بر پایه نانولوله ها بسازند که حساسیت زیادی به اعمال نیروهای بسیار کوچک دارند. همچنین توانایی نانولوله ها در احساس تغییرات بسیار کوچک فشار و باز تبدیل این فشار به صورت یک علامت الکتریکی می تواند در آینده امکان ساخت سوئیچ های نانولوله ای حساس به تغییرات بسیار کوچک فشار را به محققان بدهد.
-1.9 گسیل و جذب نور
نانولوله ها می توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع کنند. همچنین تزریق همزمان الکترون از یک سر و تزریق حفره از سر دیگر نانولوله کربنی، موجب می شود که نوری با طول موج 5/1 میکرومتر از نانولوله منتشر شود.
1.10- ضریب تحرک الکتریسیته بسیار بالا
نانولوله ها در دمای اتاق دارای بالاترین ضریب تحرک الکتریسته نسبت به هر ماده شناخته شده دیگری هستند.
1.11- خاصیت مغناطیسی، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ
با قرار دادن یک نانولوله در زیر لایه مغناطیسی یا با افزودن الکترون یا حفره به نانولوله می توان خاصیت مغناطیسی در نانولوله ایجاد کرد .این خاصیت باعث می شود که بتوان ساخت وسایلی را پیش بینی کرد که در آن ها اتصالات مغناطیسی و الکتریکی از هم جدا شده اند. اتصال مغناطیسی را می توان برای قطبی کردن مغناطیسی نانولوله ها- دستکاری در اسپین ها- به کار برد و از اتصال های غیرمغناطیسی برای الکترودهای ولتاژ- جریان استفاده کرد. همچنین ممان مغناطیسی آن ها نیز قابل اندازه گیری است (1/0 مگنتون بور در هر اتم کربن)
1.12- چگالی سطحی بسیار بالا
نانولوله ها دارای چگالی سطحی بسیار بالایی می باشند که باعث استحکام بالای نانولوله می شود. می توان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آن ها پدیدار می شود.
1.13- قابلیت ذخیره سازی
در نانولوله ها هر سه اتم کربن قابلیت ذخیره یک یون لیتیم را دارند در حالی که در گرافیت هر شش اتم کربن توانایی ذخیره یک یون لیتیم را دارند. همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله ها چند برابر حجم الکترودهای گرافیتی است. لذا محققان امیدوارند بتوانند هیدروژن زیادی را در نانولوله ها برای کاربردهای انرژی و پیل های سوختی ذخیره کنند.
1.14- داشتن خاصی ابررسانایی
نانولوله ها در دمای زیر k ْ15 ابررسانا شده اند. شعاع این نانولوله های ابررسانا فقط 4/0 نانومتر است. این کشف در نانولوله های کربنی نه تنها حیرت دانشمندان را به دنبال داشته بلکه قضایایی را که حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستم های یک یا دو بعدی ممنوع می دانستند، رد کرده است. همچنین دانشمندان دلایلی را ارائه کرده اند که می توان ابررسانایی دمای اتاق را در نانولوله های کربنی یافت. آن ها بیش از 20 دلیل ارائه کرده اند که نانولوله های کربنی از خود خواصی را نشان می دهند که بیانگر ابررسانایی دمای اتاق در آن هاست.
1.15- تولید ولتاژ
با عبور مایع از میان کلاف هایی از نانولوله های کربنی تک جداره، ولتاژ الکتریکی ایجاد می شود. از این تکنیک برای ساخت حسگرهای جریان مایع برای تشخیص مقادیر بسیار اندک مایعات و نیز برای ایجاد ولتاژ در کاربردهای زیست پزشکی استفاده می شود. همچنین نشان داده شده است که مایعات با قدرت یونی بالا ولتاژ بیشتری تولید می کنند.
1.16- استحکام و مقاومت کششی بالا
میزان افزایش نیروی گرمایی و مقاومت نانولوله ها با ریشه سوم جرم اتم ها و مولکول ها متناسب است. همچنین حرارت دادن موجب افزایش استحکام نانولوله شده و مقاومت کششی آن را شش برابر می کند و هدایت آن نیز افزایش می یابد. تحقیقات اخیر نشان می دهد که در اثر برخورد اتم ها یا مولکول ها با نانولوله کربنی مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند.
انواع نانولوله های کربنی
نانولوله ها به دو دسته تک جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) تقسیم می شوند، نانو لوله های تک جداره نیز بر حسب آرایش اتم های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی (Armchair) و کایرال( chiral ) که دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ (Zigzag) که خاصیت نیمه رسانایی دارد، تقسیم می شوند.
(n,0) Zig-Zag
(n,n)
armchair
chiral
نانولوله های کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختارساده (ورقه ای از شش ضلعی های منظم) تشکیل شده اند. برخی پیش بینی ها حاکی از آن است که تک جداره ها می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند. این هدایت الکتریکی بالا بستگی به هندسه دقیق اتم های کربن دارد. از آغاز کار روی تک جداره ها از آن ها به عنوان یک پدیده تک بعدی نام برده می شد تا این که این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت کرد. علت علاقه به این نانولوله های تک جداره و تلاش برای جایگزین کردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظری و تاثیرات آزمایشگاهی، بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آن ها مانند فلزات می باشد. البته تولید نانو لوله های تک جداره دارای هزینه بالایی است و تولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آن ها در حین فراوری پلیمر- نانولوله مشکل می باشد. هر چند نانولوله هایی که با استفاده از تکنیک لانگهوری- بلاجت که شامل حرکاتی افقی و عمودی شبیه نقاشی سنتی ژاپن می باشد تولید شده اند، علاوه بر این که ثابت نگه داشته می شوند- توسط ژلاتین و تشکیل نانوژل کربنی- از لحاظ نوری نیز یکدست و همگن و از لحاظ ساختاری قابل کنترل می باشند.
بر عکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله های کربنی چند جداره باعث شده که پیشرفت های بیشتری در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله های کربنی چند جداره (جایگزین کربن بلک Carbon-black) در پودرهای رنگ استفاده شده است.
یکی از معایب نانولوله های چند جداره نسبت به تک جداره این است که استحکام دهی آن ها کمتر می باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می باشند. اما از آنجا که در حال حاضر کاربردهای نانولوله ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می شود تا بهبود خواص مکانیکی، کاربرد نانولوله های کربنی چند جداره بسیار زیاد می باشد. ازطرفی تکنیک های موجود نیز برای تولید نانولوله های تک جداره به اندازه کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت آور است و در نهایت ممکن است به ساختار نانولوله صدمه نیز بزند.
کاربردهای نانولوله های کربنی
وجود یک سری مختصات ویژه نانولوله های کربنی، آن ها را به انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.
امروزه در روند تحقیق درباره نانولوله ها توجه و تعمق ویژه ای بر روی استفاده از آن ها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگرانی که در دانشگاه ها و آزمایشگاه های تحققاتی سرتاسر دنیا بر روی نانولوله ها کار می کنند با خوش بینی پیش بینی می کنند که در آینده ای نزدیک نانولوله ها کاربردهای صنعتی وسیعی خواهند داشت.
هم اکنون امکان ساخت ابزارهای بسیار جالبی وجود دارد، اما در خصوص موفقیت تجاری آن ها، باید در آینده قضاوت کرد. تقریباً تمام مقالات به طور ضمنی به کاربرد نانولوله ها و بهره برداری تجاری از آن ها در آینده اشاره دارند. آینده کاربرد نانولوله ها در بخش الکترونیک روشن است؛ خواص الکتریکی و پایداری شیمیایی بی بدیل نانولوله ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از این خواص سوق خواهد داد. بنابراین در ادامه به شرح چند مورد از حوزه های مهم کاربرد نانولوله ها می پردازیم.
-1.4 ترانزیستورها
نانولوله ها در آستانه کاربرد در ترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می شوند. بسیاری از طراحان دستگاه ها تمایل دارند به پیشرفت هایی دست یابند که آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاه ها در فضای کوچک تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله ها دارای آستانه می باشند (یعنی سیگنال باید از یک حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشکار کند) که می توانند سیگنال های 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 می باشد، لذا ضریب تحرک مشخص می کند که قطعه تا چه حد می تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می کنند و این نیز سرعت نهایی یک ترانزیستور را تعیین می نماید.
لذا اهمیت استفاده از نانولوله ها و تولید ترانزیستورهای نانولوله ای با داشتن ضریب تحرک برابر با 100 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیکون با ضریب تحرک 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین رکورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرک 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می شود.
2.4 – حسگرها
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش های پیش بینی شده و مورد انتظار نشان می دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچک تر و با قابلیت های بیشتر احساس می شود.
حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله ها خواهند بود. با نانولوله ها می توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.
تحقیقات نشان می دهد که نانولوله ها به نوع گازی که جذب آن ها می شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانولوله ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است که نانولوله های کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانولوله های کربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شکل ها می تواند تغییر کند. همچنین می توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانولوله های کربنی و سیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانولوله ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده ای نه چندان دور شاهد بکارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ….. .) خواهیم بود.
3.4- نمایشگرهای گسیل میدانی
بسیاری از متخصصان بر این باورند که فناوری نمایشگرهای با صفحه تخت امروزی از نظر هزینه، کیفیت و اندازه صفحه نمایش، برای مصارف خانگی مناسب نیستند. آن ها معتقدند که با استفاده از نمایشگرهایی که از نانولوله های کربنی به عنوان منبع انتشار استفاده می کنند، می توانند این مشکلات را بر طرف کنند .
نانولوله های کربنی می توانند عنوان بهترین گسیل کننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الکترونی با راندمان وکارایی بالاتری تولید کنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولوله ها، تولیدکنندگان را قادر به تولید نوعی جدید از صفحه نمایش های تخت خواهد ساخت که ضخامت آن ها به اندازه چند اینچ بوده و نسبت به فناوری های فعلی از قیمت مناسب تری برخوردار باشد. به علاوه کیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.
در پدیده گسیل میدانی، الکترونها با استفاده از ولتاژ اندک از فیلم های ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن می شوند. هر نقطه از این فیلم، یک پرتاب کننده الکترون (تفنگ الکترونی) کوچک است که تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد می کند. ولتاژ لازم برای نمایشگر گسیل میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متکی بر نانولوله نسبت به آنچه به صورت سنتی در روش اشعه کاتدی استفاده می شد، کمتر می باشد و این نانولوله ها با ولتاژ کمتر، نور بیشتری تولید می کنند.
4.4 – حافظه های نانولوله ای
به دلیل کوچکی بسیار زیاد نانولوله های کربنی (که در حد مولکولی است)، اگر هر نانولوله بتواند تنها یک بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظه هایی که از این نانولوله ها ساخته می شوند می توانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب، بسیاری از محققان در حال کار بر روی ساخت حافظه های نانولوله ای می باشند؛ بنابراین رویای ساخت رایانه های با سرعت بالا عملی خواهد شد.
5.4- استحکام دهی کامپوزیت ها
توزیع یکنواخت نانولوله ها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانولوله با زمینه در فرآوری این نانوکامپوزیت ها از موضوعات بسیار مهم است.
شیوه توزیع نانولوله ها در زمینه پلیمری از پارامترهای مهم در استحکام دهی به کامپوزیت می باشد. آنچه از تحقیقات بر می آید این است که استفاده از خواص عالی نانولوله ها در نانوکامپوزیت ها وابسته به استحکام پیوند فصل مشترک نانولوله و زمینه می باشد. نکته دیگر آنکه خواص غیر همسانگردی نانولوله ها باعث می شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت ها پیدا شود.
از کاربردهای دیگر نانو لوله ها می توان به امکان ذخیره هیدروژن در پیل های سوختی، افزایش ظرفیت باتری ها و پیل های سوختی، افزایش راندمان پیل های خورشیدی، جلیقه های ضدگلوله سبک و مستحکم، کابل های ابررسانا یا رسانای سبک، رنگ های رسانا، روکش های کامپوزیتی ضد رادار، حصار حفاظتی الکترومغناطیسی در تجهیزات الکترونیکی، پلیمرهای رسانا، فیبرهای بسیار مقاوم، پارچه های با قابلیت ذخیره انرژی الکتریکی جهت راه اندازی ادوات الکتریکی، ماهیچه های مصنوعی با قدرت تولید نیروی 100 مرتبه بیشتر از ماهیچه های طبیعی، صنایع نساجی، افزایش کارایی سرامیک ها، مواد پلاستیکی مستحکم، تشخیص گلوکز، محلولی برای اتصال درونی تراشه های بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازنده های فوق سریع، کمک به درمان آسیب دیدگی مغز، دارورسانی به سلول های آسیب دیده، از بین بردن تومورهای سرطانی، تجزیه هیدروژن، ژن درمانی، تصویربرداری، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهای شیمیایی ، SET و LED، پیل های خورشیدی و نهایتاً LSI اشاره کرد. البته در چند مورد اخیر بیشتر از نوع تک جداره آن استفاده می شود.
لذا این فناوری با این گستره کاربردها می تواند در آینده ای نه چندان دور بازار بزرگی را به خود اختصاص داده و زندگی بشر را تحت تاثیر خود قرار دهد.
در پایان در پاسخ به این سوال که چرا دانشمندان به فناوری نانو روی آورده ومی خواهند بر تمام مشکلات جابه جایی اتم فائق آیند می توان گفت که تغییرات در مقیاس نانومتری بر خواص موج گونه الکترون های درون مواد اثر می گذارد لذا با جابه جا کردن اتم ها در این مقیاس می توان خواص اصلی مواد (به عنوان مثال دمای ذوب، اثرات مغناطیسی، ظرفیت بار) را بدون تغییر کلی ترکیب شیمیایی مواد دگرگون ساخت.
نانوکامپوزیت های نانولوله ای کربنی
نانوکامپوزیت های نانولوله ای کربنی دارای نسبت استحکام به وزن بیشتری نسبت به
کامپوزیت های موجود وکامپوزیت های مبتنی بر نانوذرات هستند. از نظر تئور ی کاربرد نانو
لو له ها درکامپوزیت ها بدلیل استحکام کششی بالا مانع مصرف الیاف کربنی در کامپوزیتها خواهد شد. خواص رسانایی یا حفاظت در برابر اشعه نانولوله ها نیز می تواند برای کامپوزیت ها ارزشمند باشد .
استحکام نانولو له ها در نساجی نیز پتانسیل هایی را به همراه دارد. نانولوله ها همچنین می توانند الیاف را رسانا سازند، این قابلیت می تواند کاربرد نظامی داشته باشد.
نانولوله های نیترید بور
نانولوله نیترید بور ساختاری مشابه نانولوله های کربنی دارد و می تواند لایه های شش ضلعی مشابه گرافیت را شکل دهد. در مارس 2001 لورنس مارکس و همکارانش در دانشگاه نورث وسترن نیتریدبور را به شکل نانولوله در آوردند. نیترید بور از نظر شیمیائی مخصوصاً در دماهای بالا بی اثرتر از کربن است. انتظار می رود نانولو له های نیترید بور نیمه رسانا یا عایق باشند، اما خواص الکترونی آنها کمتر از نانولوله های کربنی قابل تنظیم است. همچنین این ترکیبات نشرکننده های میدانی بهتری نسبت به نانولو له های کربنی هستند. نانولو له هایی از جنس تنگستن و گوگرد یا تنگستن و سلنیوم ساخته شده اند که مانند نانولوله های نیترید بور انعطاف و ارتجاع کمتری نسبت به نانولو له های کربنی دارند.
نانوکامپوزیت های نانولوله ای نیترید بور
نانولو له های نیترید بور میتوانند در مواد کامپوزیتی کاربرد دارند؛ چون دارای بخشی از استحکام نانولوله های کربنی بوده و مقاومت خیلی بالاتری نسبت به مواد شیمیایی و دماهای بالا دارند. مقاومت در دماهای بالا برای مصارف خاص هوافضا مثل مقاومت در برابر حرارت بازگشت
( مجدد به جو) مطلوب میباشد.
نانولوله های آلی
نانولوله های آلی از خودآرایی ترکیبات آلی بوجود می آیند. این نانوساختارها در زمینه های رسانش دارو، نانوراکتورهای شیمیایی و کانال های بیولوژیکی کاربرد د قطر نانولوله است.
فولرین ها
فولرین ها، اغلب به ساختارهای کروی که از جنس کربن هستند اطلاق می شود. ولی امروزه از عناصر دیگر نظیر نیتروژن نیز در ساختار آنها استفاده شده است ،آزا فولرین(C48N12) و
فولرین های معدنی نمونه ای از آنها هستند. کاربرد فولرین ها در صنایع پزشکی مورد تحقیق و بررسی است.
فولرین های کربنی
فولرین های کربنی، آلوتروپی از کربن(نظیر الماس و گرافیت )هستند این ترکیبات از کربن ساخته شده اند و فرمهای کروی، بیضوی به خود می گیرند به شکل کروی باکی بال می گویند. در اوریل 2003 این نوع فولرین ها در زمینه دارویی مورد مطالعه قرار گرفتند (در خصوص آنتی بیوتیکهایی که برای مقابله با باکتریهای مقاوم و حتی سلولهای سرطانی مصرف می شود). فولرین ها فعالیت شیمیایی زیادی نداشته و در چندین حلال نظیر تولوئن و کربن دی سولفید حل می شوند.
فولرین های درون وجهی
فولرین های درون وجهی اتمهای مختلف را داخل خود محصور می کنند، نانوساختارهای حاصله برای ردیابی عناصر و فرایندهای بیولوژیکی بکار می روند.
فولرین های چند لایه
فولرین های چندلایه شامل چندین فولرین هستند که در داخل یکدیگر قرار دارند. به همین دلیل به این ساختار نانوپیاز نیز گفته می شود.
فولرین های غیرکربنی
در فولرین های غیرکربنی، عناصر دیگر ساختاری مشابه فولرینهارا بوجود می آورند، ساختار شیمیایی این فولرین ها اغلب اکسید فلزی می باشد، اکسید وانادیوم یک نمونه از آنهاست.
مشتقات شیمیایی فولرین ها
جایگزین شدن عناصر دیگر نظیر نیتروژن و گوگرد بجای کربن مشتقات شیمیایی گوناگونی را به وجود می آورد، آزافولرین یکی از این ترکیبات است. مشتقات شیمیایی دیگر با اضافه شدن ترکیبات شیمیایی توسط یک گروه عاملی به فولرین به وجود می آیند. بدیهی است ایجاد چنین ساختاری نوعی اصلاح شیمیایی به حساب می آید.
43