پاورپوینت نانوساختارهای کربنی


موضوع
نانو ساختارهای کر بنی

شیمی ترکیبات کربن

شیمی ترکیبات کربن
ترکیبات کر بنی (ترکیبات آلی) گستردگی زیادی داشته و از اهمیت بسزایی برخوردارند. ترکیبات آلی در دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک قرار می گیرند. این ترکیبات می توانند زنجیره ای، حلقوی و یا دربرگیرنده ساختارهای سه بعدی باشند. کربن می تواند هیبرید های متنوع را در این ترکیبات دارا باشد. خصوصیات متنوع (نانو) ساختارهای کربنی مستقیما با هیبرید اتم های کربن مرتبط است. به جز کربن و هیدروژن، اتم هایی همچون اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن ها و … نیز در ساختار ترکیبات آلی مشارکت می کنند. گروه های عاملی بخش هایی از مولکول آلی با آرایش اتمی مشخص اند که ویژگی ها و واکنش پذیری ترکیب را رقم می زنند.

مقدمه کربن (C) را می توان یک عنصر استثنائی در جدول تناوبی دانست. شیمی گسترده ترکیبات کربنی تا به آن حد است که یکی از گرایش های رشته شیمی با عنوان شیمی آلی (Organic Chemistry) به طور کامل به بررسی ترکیبات این عنصر از جدول تناوبی می پردازد. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم ها یا اتم های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوع را ایجاد می نماید. از جهت دیگر بسیاری از ترکیباتی که در طبیعت طی روش های طبیعی سنتز ساخته می شوند نیز از خانواده ترکیبات آلی (کربنی) اند. گستره وسیعی از ترکیبات شامل ترکیبات متنوع نفتی تا مواد دارویی و بسپارهای آلی (Polymers) زیر مجموعه ترکیبات کربن قرار می گیرند. در نانوفناوری نیز، ترکیبات کربنی دسته مهم و مشخصی را به خود اختصاص می دهند که با عنوان نانوساختارهای کربنی (Carbon Nanostructures) خوانده می شوند. نانوساختارهای کربنی خصوصیات فیزیکی-شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می دهند و نقش گسترده ای در زمینه فناوری های نوین و پیشرفته دارند. مطالعه شیمی پایه ترکیبات کربنی (شیمی آلی) می تواند راهگشای درک بسیاری از خصوصیات نانوساختارهای کربنی و همچنین اصلاح (Modification) ساختاری آنان باشد.

دو ایزوتوپ (Isotope) عمده کربن شامل 12C و 13C می باشد که به صورت طبیعی وجود ندارد. 14C ناپایدار است و جزء ترکیبات رادیو اکتیو محسوب می شود. 13C در مقایسه با 12C فراوانی بسیار کمتری دارد اما یک هسته فعال در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته (Nuclear Magnetic Resonance-NMR) محسوب می شود. 13CNMR یک تکنیک بسیار خوب و دقیق در بررسی ساختار مولکولی است.
هیبرید های اتم کربن و پیوند کوالانسی تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی (Covalent Bonding) است. مدل اوربیتال های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم هاست. در این مدل اوربیتال های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال های هیبریدی را تولید می کند. اوربیتال های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم های دیگر مشارکت می کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می شود.

برای مثال در تشکیل مولکول متان (CH4) سه اوربیتال p و یک اوربیتال s از اتم کربن وارد واکنش می شود. از آنجا که هر چهار پیوند کربن-هیدروژن در متان کمابیش مشابهند، می توان تصور کرد که ترکیب (هیبرید) این چهار اوربیتال در ساخت مولکول به کار گرفته شده است. به عبارت دیگر به جای سه اوربیتال p و یک s (جمعا چهار اوربیتال)، چهار اوربیتال مشابه sp3 در واکنش شرکت نموده اند. در ترکیبات آلکان (Alkane) پیوندهای یگانه دارای هیبرید sp3، پیوندهای دوگانه در ترکیبات آلکن (Alkene) دارای هیبرید sp2، و پیوندهای سه گانه در ترکیبات آلکین (Alkyne) هیبرید sp را دارا می باشد. اوربیتال هایی از کربن که در پیوند شرکت نمی کنند به صورت غیر هیبریدی (عمود بر صفحه پیوند) باقی می مانند. شکل 1 ساختار هیبریدی متفاوت اتم های کربن را نشان می دهد. در ساختار sp2 ، سه اوربیتال های هیبریدی با زاویه ̊120 در یک صفحه قرار می گیرند که از ترکیب یک اوربیتال اتمی s کربن با دو اوربیتال p آن بدست آمده اند. اوربیتال p هیبرید نشده به صورت عمود بر صفحه سه اوربیتال هیبریدی قرار می گیرد. در ساختار sp، اوربیتال های اتمی s و p از کربن با یکدیگر ترکیب شده و دو اوربیتال هیبریدی sp می سازند که با زاویه ̊180 نسبت به یکدیگر قرار می گیرند. دو اوربیتال p غیر هیبریدی در صفحاتی عمود بر اوربیتال های هیبریدی واقع می شوند. دو اوربیتال sp هیبریدی در تشکیل پیوند اصلی سیگما( σ) و دو اوربیتال p عمود برهم در تشکیل پیوند های π دخالت می کنند.

شکل 1- اوربیتال های مولکولی هیبریدی اتم های کربن در آلکان (sp3)، آلکن (sp2) و آلکین (sp)
در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می شود. الماس یک ساختار بلوری کربنی با هیبرید sp3 می باشد. در مورد گرافن (صفحات گرافیتی) هیبرید کربن، sp2 می باشد. اوربیتال p باقی مانده (که در هیبرید sp2 شرکت نمی کند) عمود بر صفحه گرافیتی باقی می ماند و پیوند های π را بین صفحات تشکیل می دهد (شکل 2). استحکام پیوند میان اتم های کربن (پیوندهای سیگما σ) در صفحه گرافیتی در مقایسه با پیوندهای ضعیف تر π در میان صفحات، باعث خصوصیت ورقه ای بودن گرافیت می شود. وجود الکترون های π در ساختار گرافیت رسانش الکتریکی بالا را سبب می شود که در ساختار الماس با کربن هیبریدی sp3 دیده نمی شود. از جهتی الماس به دلیل ساختار بسیار پایدار خود دارای رسانش گرمایی (Thermal Conductivity) بسیار بالا و از جهتی بالاترین میزان سختی (Hardness) در میان مواد توده ای (Bulk Material) است. در مقابل به دلیل فقدان الکترون های π، رسانش الکتریکی در الماس دیده نمی شود.

شکل 2 – ساختار صفحات گرافیتی، از چپ به راست: اوربیتال های p عمود بر صفحه، ابر π دربرگیرنده صفحات، شمای پیوندهای π در میان صفحات
شکل 3 ساختارهای حد واسط (Intermediate) از کربن را نشان می دهد. این ترکیبات کربنی پایدار نیستند و از این رو واکنش پذیری بالایی از خود نشان می دهند. بسیاری از واکنش های ترکیبات آلی از مسیر یکی از این حد واسط ها می گذرد (حد واسط در مسیر واکنش تولید و سپس مجددا مصرف می شود). هرچند در شکل 3 حد واسط های کربنی با ساختار مسطح نشان داده شده اند، برخی از این ترکیبات می توانند ساختارهای دیگر (مثلا هرمی) نیز داشته باشند.
شکل 3 – حد واسط های کربنی واکنش پذیر

کربوکاتیون ((Carbocation) گونه ای با ساختار هندسی مسطح مثلثی (Trigonal Planar) است که تنها دارای 6 الکترون می باشد( Sixtet) . کربوکاتیون به عنوان یک مرکز مثبت عامل واکنش با ترکیبات دارای الکترون (یا بار منفی) است که اصطلاحا ترکیبات هسته دوست ( (Nucleophile) نامیده می شوند. برخلاف کربوکاتیون، کربانیون Carbanion) ) هشت الکترونی است (Octet) ) و یک مرکز منفی در مسیر واکنش ایجاد میکند که به ترکیبات الکترون دوست (Electrophile) تمایل دارد. 

هیدروکربن های آروماتیک و آلیفاتیک در شیمی آلی، به ترکیباتی که تا درصد بالایی از فرمول مولکولی خود از کربن و هیدروژن ساخته شده اند، ترکیبات هیدروکربنی (Hydrocarbons) )گفته می شود. ترکیبات هیدروکربنی در دو دسته آلیفاتیک Aliphatic) ) و آروماتیک (Aromatic) ) قرار می گیرند. ترکیبات آروماتیک ساختاری ویژه دارند؛ در این ترکیبات، پیوند های دوگانه (پیوند های (π به صورت یکی در میان قرار گرفته اند. از آنجا که ساختار این ترکیبات حلقوی بوده و حالتی مسطح (Planar) دارند، الکترون های π (پای) غیر مستقر (Delocalized) می توانند درون مولکول جریان یابند. به بیان دیگر، چنین مولکول هایی دارای یک سامانه جفت شده (Conjugate) بین اوربیتال های p اتم های کربن هستند (اتم های کربن هیبرید sp2 داشته و اوربیتال های p عمود بر صفحه مولکولی آزاد بوده و در تشکیل ابر الکترونی π مشارکت می کنند). به دلیل وجود همین جریان غیر مستقر الکترونی است که حلقه های آروماتیک پایداری شیمیایی خاصی را از خود نشان می دهند. باید ذکر کرد که ترکیبات آروماتیک حاوی تعدادی مشخصی از الکترون های π هستند. معروف ترین ترکیب از این دسته مولکول بنزن (Benzene) با فرمول مولکولی C6H6 و با 6 الکترون π است. ساختار اوربیتالی مولکول بنزن و ابر غیر مستقر الکترون های π در شکل 4 نشان داده شده است:

شکل 4 – ساختار اوربیتالی مولکول آروماتیک بنزن، الف) اوربیتال های p عمود بر صفحه مولکولی و ابر π حاصل از جفت شدگی الکترون ها، ب) نمای شماتیک گردش الکترون ها در مولکول بنزن

ترکیبات آروماتیک معمولا واکنش هایی از نوع جانشینی (Substitution) و به خصوص واکنش های جانشینی الکتروفیلی (Electrophilic Substitution) را انجام می دهند. برخلاف واکنش های افزایشی (Addition)، در واکنش های جانشینی ساختار (و در نتیجه پایداری) آروماتیکی حفظ می شود و تنها گروه های هیدروژن روی حلقه با گروه های دیگر (مثل متیل، نیترو، هالید …) جایگزین می شوند.  دسته دیگر، ترکیبات آلیفاتیک هستند. هرچند این ترکیبات به صورت زنجیره ای (Chain) یا حلقوی (Cyclic) وجود دارند و می توانند حاوی پیوند های π غیر مستقر (پیوندهای دوگانه و سه گانه) باشند، گردش الکترون در این ساختارها مشاهده نمی شود. از همین روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این رو واکنش های شیمیایی گسترده تری را انجام می دهند. یک درشت مولکول (Macromolecule) می تواند دارای بخش های متفاوت آلیفاتیک و آروماتیک باشند. برخی از ترکیبات آلیفاتیک حلقوی (که می توانند شامل اتم هایی به غیر از هیدروژن و کربن نیز باشند) در شکل 5 آورده شده است:

شکل 5- برخی ترکیبات آلیفاتیک حلقوی

به طور کلی در ترکیبات حلقوی، پایدار ترین حلقه ها شش عضوی هستند (مثل سیکلو هگزان). حلقه های کوچکتر معمولا دارای فشار بوده (Strain) و از این جهت ناپایدار تر می باشند (مثل سیکلو بوتان). این ترکیبات حلقوی مسطح نیستند (Planar) و در فضا ساختارهای متفاوت سه بعدی به خود می گیرند. معمولا در رسم ساختارها در شیمی آلی اتم های کربن در نقاط شکست خط ها در نظر گرفته می شوند. حلقه هایی که لااقل از دو نوع اتم ساخته شده اند (مثل اتر تاجی و اپوکسید) با نام هتروسیکل (Heterocylic) خوانده می شوند. شکل 6 تعدادی از معروفترین ترکیبات هتروسیکل آروماتیک (Heteroaromatic) را نمایش می دهد:

شکل 6- برخی ترکیبات هتروسیکل آروماتیک

وجود هترواتم ها (Heteroatoms) و گروه های عاملی هرچند پیکره اصلی ترکیبات هیدروکربنی از کربن و هیدروژن تشکیل شده است، وجود عناصر دیگری همچون هالوژن ها و یا نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و … (هترواتم ها) نیز ممکن است. معمولا هترواتم ها خواص الکترونگاتیویتی (Electronegativity) متفاوتی در مقایسه با اتم کربن دارند و از این جهت بر خصوصیات مولکول تاثیر به سزایی دارند. معمولا هترواتم ها نسبت به کربن الکترونگاتیویتی بالاتری دارند، از این رو در هنگام پیوند با کربن، ابر الکترونی مشترک را بیشتر به سمت خود کشیده و اندکی بار منفی میگیرند. در مقابل کربن نیز در پیوند با چنین اتم هایی اندکی بار مثبت میگیرد. معمولا هترواتم ها نقش خود را در قالب گروه های عاملی (Functional Groups) اعمال می کنند. گروه های عاملی اکسیژن دار نظیر هیدروکسیل (-OH) و کربوکسیل (-COOH) به ترتیب خاصیت الکلی و اسیدی به مولکول می بخشند. گروه CO (پیوند دوگانه کربن و اکسیژن) نیز گروه کربونیل خوانده می شود و بسته به آنکه در چه بخشی از مولکول واقع شود، خصوصیات آلدهیدی (Aldehyde) یا کتونی (Ketone) را ایجاد می کند. نیتروژن بیشتر در ساختار ترکیبات آمین و آمید شرکت می کند و گوگرد، گاه به صورت گروه عاملی تیول (-SH) حضور دارد. مکان قرارگرفتن هترواتم ها در ساختمان مولکولی نیز حائز اهمیت است. برای مثال اگر اکسیژن در میان زنجیره هیدروکربنی قرار گیرد (C-O-C) ساختار اتر (Ether) خوانده می شود اما اگر همین اکسیژن از یک طرف به گروه عاملی کربونیل (CO) متصل باشد(C-O-(CO)-)، ساختار و خصوصیات به کل متفاوت خواهد بود. نوع اتم های سازنده به همراه هندسه مولکولی نقشی اساسی در قطبیت مولکول آلی خواهد داشت. شمایی از گروه های عاملی مهم در شکل 8 زیر آمده است.

شکل 7- تعدادی از گروه های عاملی مهم

نتیجه گیری مطالعه شیمی آلی در شناخت خصوصیات و اصلاح نانوساختارهای کربنی حائز اهمیت است. کربن با اوربیتال های هیبریدی مختلف در ترکیبات متنوع شرکت می کند. اوربیتال های p که در هیبریداسیون شرکت نمی کنند، می توانند در تشکیل پیوندهای π مداخله کنند. جفت شدگی پیوندهای π در ساختارهای حلقوی پایداری خاص آروماتیکی را ایجاد می کند. حضور اتم هایی همچون نیتروژن و اکسیژن (هترواتم ها) در ساختار مولکول آلی، ویژگی های خاص را باعث می شود. وجود پیوندهای دوگانه، سه گانه و یا گروه های عاملی مختلف و همچنین هندسه متنوع اتصال اتم های کربن به یکدیگر منجر به گستردگی و واکنش پذیری ترکیبات آلی می شود.

انواع گونه های کربن  ساختارهای کربنی گستره وسیعی از تنوع و کاربرد را در شیمی به خود اختصاص داده اند. این گستردگی به دلیل شیمی خاص اتم های کربن است. کربن در انواع میکروسکوپی مختلفی وجود دارد. ترکیباتی همچون گرافیت، الماس، کربن های بی شکل (آمورف)، فولرن (Fullerene)، نانو الیاف کربنی (Carbon Nanofibers, CNFs)، نانو لوله های کربنی (Carbon Nanotubes, CNTs) و گرافن (Graphene) از این دسته اند. گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد. فولرن به عنوان یک نانو ماده ی صفر بعدی (D-0)، نانو لوله های کربنی به عنوان نانو ماده ی یک بعدی (D-1) و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی (D-3) در نظر گرفته می شوند (شکل 8 ) در زیر خصوصیات و شاخصه فرم های مختلف کربن آورده شده است: 

شکل 8- انواع فرم های کربنی،(A فولرن، B ) نانو لوله های کربنی، C ) گرافن و( D گرافیت.

گرافیت گرافیت از یک ساختار شش وجهی با اتم های کربنی که در یک پیکر بندی با پیوندهای هیبرید شده sp2 منظم شده اند، تشکیل شده است. این ترتیب اتمی منجر به تشکیل صفحات لایه ای یا ورقه های (Sheet) گرافن با فاصله ی 3.354 آنگستروم شده است. پیوند کووالانسی قوی بین اتم ها در ورقه گرافن وجود دارد. بر خلاف الماس، نیروهای ضعیف واندروالس بین صفحات لایه ای وجود دارد تا آنها را کنار هم نگه دارد. به دلیل این برهم کنش های ضعیف است که ورقه های گرافن (یک تک لایه از گرافیت) می توانند در سراسر هر لایه روی هم بلغزند و خصوصیت یک روان کننده خوب را به این ماده می دهد. انواع دیگری از مواد کربنی با هیبرید SP2 وجود دارند. به عنوان مثال، زمانی که ابعاد صفحه ای ورقه های گرافن کوچک است و فاصله بین آنها بزرگ باشد، این کربن به عنوان غیر متبلور (آمورف) طبقه بندی می شود(به عنوان مثال، پودرها، کربن شیشه ای، و…

گرافیت پیرولیتی با نظم بسیار بالا (Highly Oriented Pyrolytic Graphite-HOPG) گرافیت پیرولیتی با نظم بسیار بالا یک نوع ویژه از کربن است که مشابه با یک فلز تک بلور (Single Crystal) می باشد [5]. این نوع کربن با در معرض قرار دادن گرافیت پیرولیتی، ماده ای که از تخریب گازهای هیدروکربنی روی یک سطح داغ تشکیل می شود، در فشار و دمای بالا بدست می آید [7،6،4]. این فرم از یک آرایش لایه ای از صفحات پلی آروماتیک به هم چسبیده (ورقه های گرافنی) با یک سبک نسبتا شطرنجی که روی هم انباشته شده اند، تشکیل شده است. این ماده Turbostratic است یعنی ورقه های گرافنی جهت گیری زاویه ای اتفاقی نسبت به یکدیگر دارند. فاصله بین این صفحات به طور کلی گستره بین 3.39-3.35 آنگستروم است. ترتیب های سازمان یافته از این ورقه های گرافنی، بلورهایی با پارامترهای ابعادی L (ارتفاع انباشته) La (عرض صفحه لایه ای) و d ( فاصله بین صفحه ای) نامیده می شوند. L اندازه میانگین از میکرو کریستالیت گرافنی در طول محورx است که همیشه در صفحه شبکه شش وجهی قرار گرفته است. LCA به طول پیوسته ورقه گرافن انباشته شده در جهت عمود بر L اشاره دارد. این پارامتر ها توسط اندازه گیری های پراش پرتو X-ray Diffraction, XRD) x ) به دست می آیند که معمولا برای پیشگویی بسیاری از خصوصیات مواد کافی هستند. سطح شش وجهی که عمود بر محور C است به عنوان بنیان صفحه”Basal Plane” در نظر گرفته میشود و در مقابل سطح برشی که به موازات محور C است لبه صفحه “Edge Plane” نامیده می شود (شکل 9)

شکل 9-ساختار HOPEG
تکنیک طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy) ابزار مناسبی برای شناسایی و بررسی خصوصیات میکرو ساختارهای مواد کربنی است. دلیل این که (HOPG) شبیه یک فلز تک بلور است، آرایش منظم اتم های کربن در صفحات گرافنی است. در یک صفحه لایه ای، هر اتم کربن به سه اتم دیگر پیوند شده است. فاصله بین اتم های کربن همسایه 1.42 است که این مقدار بسیار نزدیک به فاصله پیوندی C-C در بنزن است. علاوه بر نظم بسیار بالا سطح نیز بسیار صاف و با ابعاد نسبتا بالا (میکرو متری) است.

الماس (Diamond) 
بلور الماس مکعبی است و اتم های کربن در یک پیکر بندی چهار وجهی با پیوند های هیبریدی sp3 مرتب شده اند (شکل 10). این پیوند قوی کووالانسی باعث شده تا الماس سخت ترین ماده شناخته شده، محسوب شود. به همین دلیل از جمله کاربرد های مهم تجاری الماس می توان به عنوان سنباده برای سایش و پرداخت فلزات و به عنوان یک پوشش برای ابزارهای برش نام برد. همچنین فیلم های آمورف از الماس با مخلوطی از کربن های پیوند شده با هیبرید sp2 وsp3 نیز وجود دارند. مثل Ta-C.
شکل 10- ساختار الماس ایده آل 

الماس واره(Diamondoid)  الماس واره اشاره به ساختاری دارد که در یک مفهوم وسیع شبیه الماس است، بدین معنی که ساختاری قوی شامل شبکه های متراکم سه بعدی از پیوند های کووالانسی است و عمدتا از اتم های ردیف اول و دوم با ظرفیتهای سه یا بیشتر تشکیل شده است [11،4]. مثال های از این ساختار ها یاقوت کبود و دیگر ساختارهای محکم مشابه الماس با جایگزینی اتم های دیگر مثل N، Si، S و غیره می باشند. در محتوای شیمی کلاسیک الماس واره اشاره به نوعی از مولکول قفس کربن دارد که به عنوان کوچکترین واحد ساختار قفس یک شبکه کریستال الماس شناخته شده است (شکل 11)
شکل 11- مثالهایی از هیدروکربنهای قفسی؛  Cuban C8H8 (a و  admantane C10H16 (b و twistane  (c یک ایزومر از admantaneو C10H16 و  diamantine C14H20 (d که در آن دو قفسه admantane یافت می شود و( e triamantane C18H24 شامل سه قفس admantane و  dodecahedrane C20H20 (f و g )مولکول tetramantane C22H28 با چهار قفس admantane و( h مولکول  buckminsterfullerene C60

 ترکیبات بین لایه ای گرافیت (Graphite Intercalated Compounds, GICs) به دلیل نیروهای بین لایه ای ضعیف واندروالسی مربوط به پیوندهای sp2 در گرافیت، GICs ممکن است بوسیله ی وارد شدن لایه ای از گونه های میهمان بین لایه های گرافیت به عنوان میزبان شکل گیرند (شکل 12). گونه های میهمان ممکن است اتمی یا مولکولی باشند، مانند فلز قلیایی پتاسیم. در ساختار الماس، پیوندهای بسیار قوی sp3 و Isotropic اجازه ورود لایه های گونه های میهمان را نمی دهند.
شکل 12- مدل شماتیک برای ترکیبات بین لایه ای گرافیت

فولرن(Fullerene)  یک فرم مرموز از کربن که به عنوان”Bucky Ball” یا فولرن شناخته شده است، وجود دارد که در سال ۱۹۸۵ کشف شده است. ”Bucky Ball” شبیه یک توپ فوتبال است و شامل ۶۰ اتم کربن (C) در یک ساختار کروی است که ۲۰ شش وجهی و ۱۲ پنج وجهی روی سطح منظم شده اند. هر کربن فولرن، دارای هیبرید sp2 است و با سه اتم دیگر، پیوندهای سیگما تشکیل می دهد (شکل 13). این کشف منجر به گسترش تحقیقات روی C60 و تنوعات این ساختار(مثل نانولوله ها) گردید [15]. این مولکول های قفس مانند با فرمول های C60، C70 و C78 شناخته شده اند
شکل 13- ملکول C60 نشان می دهد باندهای یگانه (a5) و دوگانه (a6)

فولرن توسط روشهای متنوعی در آزمایشگاه می تواند سنتز شود که همگی شامل تولید یک بخار یا پلاسمای غنی شده از کربن می باشند. در تمامی روشهای رایج برای سنتز فولرن در ابتدا C60 و C70 تولید می شوند و امروزه این مولکولها در مقادیر گرمی در آزمایشگاه تهیه می شوند و به طور تجاری در دسترس هستند.
نانو الیاف کربنی (Carbon Nano-Fibers-CNFs) نانو الیاف کربنی، نانو ساختارهای استوانه ای با لایه های گرافن می باشند که به صورت های مخروط انباشته (Stacked Cones)، فنجان (Cups) ، و یا صفحات (Plates) و بدون هسته ی توخالی (No Hollow Core)، اما با سایت های لبه ای بسیار در دیوار بیرونی مرتب شده اند ( شکل 14 ). VGCFs (فیبر کربن رشد یافته از بخار) و انواع کوچکتر آنها از نظر اندازه، VGCNFs (نانو الیاف کربن رشد یافته از بخار)، از جمله فیبرهای کربنی کوتاه می باشند که بعلت پتانسیل آنها برای پیشرفت خواص حرارتی، الکتریکی، محافظ فرکانس و مکانیکی توجه زیادی را به خود معطوف کرده اند. این مواد به طور گسترده در سیستم های مختلف مانند کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند که به دلیل خواص استثنایی و قیمت پائین آنها می باشد.

شکل14- ساختار انوع نانو الیاف های کربنی.

نانولوله های کربنی (Carbon Nanotubes)
از زمان کشف نانولوله های کربنی در سال ۱۹۹۱، این ساختار ها به دلیل خصوصیات منحصر به فرد در زمینه های بسیار متنوعی مورد توجه قرار گرفته اند. نانولوله های کربنی از واحدهای کربنی sp2 تشکیل شده اند. آنها یک ساختار یکپارچه با شبکه های شش وجهی لانه زنبوری با قطر چند نانومتر و طول چند میکرو متر دارند. دو گروه از نانولوله های کربنی وجود دارند: نانولوله های کربنی چند جداره (Multi-Walled Carbon Nanotubes) و نانولوله های کربنی تک جداره (Single-Walled Carbon Nanotubes) .
نانولوله های کربنی چند جداره را می توان به صورت لوله های گرافنی متراکم و نزدیک به هم با لایه های متعددی از ورق های گرافنی تعریف کرد که با حفره ای با قطر به طور معمول 2 تا 25 نانومتر متحد المرکز با فاصله 0.34 نانومتر از هم جدا شده اند. نانولوله کربنی تک جداره از یک ورقه گرافیتی تک که به طور یکپارچه پیچیده شده است تشکیل شده و یک استوانه با قطر 2-1 نانومتر را ایجاد کرده است.

نانولوله های کربنی می توانند مانند فلزات یا نیمه رسانه ها عمل کنند و با توجه به ساختار، قطر و چرخش خواص فلزی یا نیمه رسانا داشته باشند .مجموعه اندازه، ساختار و توپولوژی نانولوله ها باعث ایجاد خصوصیات مکانیکی و سطحی مهم در این ترکیبات می شود. ساختار نانولوله های کربنی سراسر از کربن های هیبرید شده sp2تشکیل شده است که به طور قابل توجه از کربن های هیبرید شده sp3 در الماس قویتر هستند. در واقع نانولوله های کربنی پایداری شیمیایی خوبی دارند و دارای استحکام کششی منحصر به فرد (۱۰۰ برابر بیشتر از استیل و ۱۰ برابر قویتر از Kelvar (مارک تجاری برای فیبر های سنتزی پارا آمید.))و مدول یانگ بالا (مدول الاستیسیته: نسبت تنش به کرنش مواد جامد خطی در پایین تر از استحکام تسلیم، استحکام تسلیم :میزان تنشی که باعث آغاز تغییر فرم پلاستیک یا شارش ماده می شود) (۷ برابر استیل) می باشند. علاوه بر این نانولوله های کربنی با مساحت سطح تا 1500m2g-1 از آلومینوم سبک تر است و تا دماهای بالای 1000 درجه سانتیگراد پایداری حرارتی دارد و هدایت حرارتی آن  6000W mK-1 است که دو برابر الماس می باشد. مهم این که الکترونها بسته به نحوه آرایش نانولوله های کربنی به طور متفاوتی در طول نانو لوله حرکت می کنند که باعث ایجاد خصوصیات نیمه رسانه یا فلزی در این مواد می شود.

روش های شناخته شده برای تهیه نانولوله های کربنی فرساب یا قطع لیزری (Laser ablation) تخلیه قوس الکتریک (Electric ARC discharge)  تجزیه کاتالیزوری هیدروکربن ها تبدیل CO با فشار بالا (HIPCO)  لایه نشانی بخار شیمیایی مواد آلی فلزی (MOCVD)
گرافن (Graphene) گرافن ورقه ای دو بعدی (2-D) از اتم های کربن در یک پیکر بندی شش ضلعی می باشد که اتم ها با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند. صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم ‏های کربن تشکیل می ‏شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است (شکل 15). این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ ها با یکدیگر مساوی و برابر با °120 است. در این حالت، اتم‏ های کربن در وضعیتی قرار می ‏گیرند که شبکه‏ ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند (شکل 15). البته این ایده‏آل‏ترین حالت یک صفحه‏ ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج ضلعی ‏ها و هفت ضلعی‏ هایی نیز ایجاد می‏شود. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود 0.142 نانومتر است. گرافن تک لایه ساختار زیر بنایی برای ساخت ساختار های کربنی می باشد که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می دهند. بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندر والسی با فاصله ی بین صفحه ای 0.335 نانومتر می باشد. اگر تک لایه گرافنی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی و اگر به صورت کروی پیچانده شود فولرین شبه صفر بعدی را شکل می دهد.

شکل 15- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتم‏های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده ‏اند.
لازم به ذکر است که انواع دیگر کربن شامل کربنهای آمورف، کربن شیشه ای (Glassy Carbon)، کربن سیاه (Carbon Black)،کربن های متخلخل (Porous Carbon) و غیره به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته اند. 
نتیجه گیری فرم های مختلف کربنی می توانند از نظر ساختار و خصوصیات بسیار متفاوت باشند. ساختارهای گرافن به عنوان یکی از اصلی ترین فرم های کربن معرفی شده اند. گرافن پایه بسیاری ترکیب های دیگر نظیر گرافیت، نانولوله کربنی و فولرین است.

کربن آمورف (Amorphous Carbon) کربن آمورف اشاره به شبکه بسیار نا منظم اتم های کربن دارد که به طور قابل توجهی دارای پیوندهای sp2 و 10% پیوندهای sp3 هستند. تقریبا هیچ پیوند sp در این ساختار وجود ندارد اگرچه کربن آمورف در محدوده ی وسیع نظمی ندارد ولی برخی نظم ها در محدوده ی کوچک دیده می شود. از آنجاکه ماهیت این نظم های کوچک بطور معین با توجه به روش تهیه تغییر می کند، خصوصیات فیلم های کربن آمورف وابسته به روشهای تهیه آن ها می باشد. دو پارامتر پیوند کربنی (نسبت پیوندهای (SP2/SP3 ) و میزان هیدروژن، برای شناسایی نظم ها در محدوده ی کوچک که ممکن است در مقیاس Å ١٠وجود داشته باشد، پارامتر های بسیار مهمی هستند.
کربن شیشه ای (Glassy Carbon)  کربن شیشه ای یک نوع کربن دیگر است که به طور تجاری با تخریب کنترل شده پلیمر های مشخص در دماهای 900-1000 درجه سانتیگراد تهیه می شود. بنابرین نام کربن شیشه ای به یک خانواده از مواد کربنی بی نظم که شبیه شیشه هستند گفته می شود که به راحتی قابل پرداخت هستند و ظاهری سیاه و براق دارند. به دلیل اینکه این دسته از کربن ها در شرایط مختلفی تهیه می شوند، خصوصیات متنوع نیز دارند و خصوصیات آنها به نوع پیش ماده پلیمری و به طور ویژه به شرایط تهیه آنها بستگی دارد. کربن های شیشه ای ساختار دانه ای دارند، نسبتا سخت هستند، هادی حرارتی هستند، نفوذ ناپذیرند، با ترکیبات زیستی سازگاری دارند و در دماهای بالا پایدارند. چگالی ظاهری کربن شیشه ای صرف نظر از دمای اعمال شده در گستره ای بین 1.50-1.46 گرم بر سانتی متر مکعب  است که نشان دهنده حضور یک سری حفرات در زمینه آن است.

مطابق با یک مدل ارائه شده، میکرو ساختار کربن شیشه ای از یک سری نوارها یا میکرو فیبرهای شبیه گرافیت درهم پیچیده با طول ۱۰۰ و ۳۰ در برش عرضی تشکیل شده است و مشابه ساختار زنجیره پلیمری است که کربن شیشه ای از آن تهیه شده است. به خاطر میکرو ساختار نواری در هم پیچیده (شکل 16) Jenkins و Kawamura استدلال کردند که کربن شیشه ای حتی در دماهای بالا3000 درجه سانتیگراد به طور کامل گرافیتی نیست. مطالعات پراش پرتوX   X-ray (Diffraction, XRD)   نشان می دهد که مابین نوارهای گرافیت شکل، اتم های کربن در یک ساختار لانه زنبوری از لایه های گرافن منظم شده اند. مطالعه ی دقیق و جزئی ساختاری نشان داده است که کربن شیشه ای یک شبکه از ساختار های حفره دار به هم چسبیده دارد. شکل 17 وابستگی دمای هدایت الکتریکی کربن شیشه ای را در دماهای مختلف نشان می دهد. رفتار کلی در بسیاری از کربن های بی نظم دیده می شود.
شکل 16- مدل Jenkins-Kawamura کربن شیشه ای. La و Lb طول های ابعاد افقی و عمودی گرافیتی نسبت به محور c گرافیت

شکل 17- وابستگی دمایی هدایت الکتریکی نمونه های کربن شیشه ای گرما دیده در دماهای مختلف

کربن سیاه (Carbon black) کربن سیاه شکل آمورف کربن است که به صورت تجاری از تجزیه ی حرارتی یا اکسایشی هیدروکربن ها حاصل می شود. از کربن سیاه در صنعت به عنوان ماده ی پرکننده (Filler) برای اصلاح خصوصیات الکتریکی و نوری موادی که در آن ها پراکنده شده اند (ماده زمینه)، به طور وسیع استفاده می شود (شکل 18)
انواع مختلف از کربنهای سیاه صنعتی، با توجه به فرایند ساختشان نامگذاری می شوند. به عنوان مثال کربن های سیاه حراراتی (Thermal Black) توسط تخریب حرارتی گاز طبیعی، Channel Blacks توسط احتراق جزئی گاز طبیعی و Acetylene Blacks توسط تخریب گرما زای اتیلن، به دست می آیند. انواع دیگر کربن سیاه با روش های ویژه ای شامل فرساب لیزر گرافیت، پیرولیز استیلن و اتیلن با لیزر CO2 که توسط مقادیر جزئی Fe(CO)5 کاتالیز می شود و روش آماده سازی حرارتی زغال بدست می آیند. با این روش های سنتزی، انواع مختلف از کربن با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مختلف تولید می شوند. ساختار میکرو بلوری چندین نوع از کربن های سیاه (در اندازه های 1000Å  و بالاتر) به فرم های محصول تازه سنتز شده و هم بعد از اعمال حرارت (بالاتر از 3000 درجه سانتیگراد)، توسط تکنیکهای پراش پرتو  XRD) X)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا (HRTEM) و پراکندگی رامان، اثبات شده است. مطالعات XRD بر روی کربن های سیاه نشان می دهد که کربنهای سیاه سنتز شده، از لایه های شبه گرافیت تشکیل شده است که در آن اتم های کربن، موقعیت های نسبتا یکسانی با آنچه در گرافیت مشاهده می شوند، دارند.

شکل 18- عکس و تصویر میکروسکوپ نوری از کربن سیاه

 کربن های متخلخل (Porous Carbons)  کربن های متخلخل یک دسته از ساختارهای کربن ها هستند که تخلخل زیاد دارند. مساحت سطح آنها بالاست و دارای حفراتی با ابعاد نانومتری مشابه با ابعاد فولرن هستند. این دسته شامل کربن های فعال (Activated Carbon)، گرافیت ورقه ورقه شده (Exfoliated Graphite) و ایروژل های کربن (Carbon Aerogels) می باشند. نانو حفرات ممکن است به شکل های قفسه ای یا تونلی باشند. در تهیه کربن فعال Isotropic Pitch.و فنول به عنوان پیش ماده استفاده می شوند. گرافیت ورقه ورقه شده فرم دیگر از کربن دارای مساحت سطح بالاست که با حرارت دادن ترکیب بین لایه ای (Intercalated Compound) تهیه می شود. کربن ایروژل یک فرم نامنظم از کربن پیوند شده sp2 .با دانسیته بالکی پایین است و به وسیله ی فرآیند فوق سرمایش (Supercooling)تهیه می شود این مواد مثال هایی از مواد با چگالی کم و ساختار خوشه مانند هستند که از ذرات کربنی متصل شده به هم با قطر نزدیک به 12nm  تشکیل شده اند. بین هر ذره یک نانو ساختار مشابه کربن شیشه ای شامل یک شبکه از نوارهای گرافیتی با عرض  2.5nm مشاهده می شود (شکل 19). مساحت سطح این ساختار  بین 600 تا 800m2g-1 می باشد.

شکل 19- شماتیک دیاگرام میکروساختار ایروژل کربن. هر دایره حاشور خورده نشان دهنده یک ذره کربن آمورف. میکروساختار نشان داده شده برای فرم های دانسیته A) کم (   حدود 0.1 گرم بر سانتیمتر مکعب) و B) زیاد (g/cm3 ~0/6). میکروساختار نشان می دهد و a) حالت mesopores  که در فاصله مابین زنجیره های ذرات وصل شده، پل زده اند، وb) حالت micropores ساندویچ شده بین ذرات، c) ذرات جدا (قطر حدود 12 نانومتر). و d) حالت  micropores درون ذرات و e) حالت micropores مابین ذرات همجوار

کربن فعال شده (Activated carbon)  کربن فعال شده به صورت جامد آمورف دارای ساختاری با مساحت سطح داخلی بالا می باشد که می تواند ملکول های مختلف را از فاز مایع یا گاز جذب کند [6] این ترکیب از تعدادی مواد ناخالص شامل چوب، پوست نارگیل، و زغال سنگ تولید می شود. فرایندهای ویژه ای برای تهیه کربن های فعال به فرمهای پودری، گرانول و کروی تا کنون گسترش یافته است.
روشهای تهیه تولید کربن فعال بر پایه ماده اولیه و کاربرد مد نظر، به دو دسته طبقه بندی می شود: فعال سازی حرارتی و فعال سازی شیمیایی. به طور کلی، فعال سازی حرارتی شامل حرارت دادن و تبدیل کردن کربن به گاز در دماهای بالا می باشد، در حالیکه فعال سازی شیمیایی بوسیله ی آبگیری شیمیایی از ماده خام اولیه در دماهای بسیار پایین تر صورت می گیرد
 فرایند فعال سازی حرارتی فعال سازی حرارتی در دو مرحله صورت می گیرد: تخریب حرارتی یا زغالی کردن (carbonization) پیش ماده و تبدیل به گاز کردن یا فعال سازی ماده زغالی شده. در مرحله زغالی شدن، هیدروژن و اکسیژن از پیش ماده خارج می شوند تا ساختار متخلخل اولیه کربنی تشکیل شود. در طول فعال سازی، برای افزایش حجم خلل و فرج و مساحت سطح ذره از طریق حذف محصولات فرار و تخلیه کربن (Carbon burn-off) ، اتمسفر اکسید کننده ای مانند بخار آب استفاده می شود. فعال سازی حرارتی اغلب در کوره هایی با دماهای بالا تر از 1000 درجه سانتیگراد انجام می شود. یک فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده از زغال در شکل 20 نشان داده شده است.

شکل 20- فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده
 فرایند فعال سازی شیمیایی در فرایند فعال سازی شیمیایی، ابتدا پیش ماده با یک عامل فعال شیمیایی که اغلب فسفریک اسید است آماده سازی می شود و سپس تا دمای 700-450  درجه سانتیگراد حرارت داده می شود. سپس زغال حاصل با آب شسته می شود تا اسید از کربن خارج شود و خشک می شود. شکل 21 نمودار شماتیک فرایند فعال سازی شیمیایی چوب را نشان می دهد.

شکل 21- فرایند فعال سازی شیمیایی برای تولید کربن فعال شده

کربن مایع (Liquid carbon) کربن مایع به فاز مایع از کربن اشاره دارد که نتیجه ی ذوب کربن خالص در فاز جامد (گرافیت، الماس، …) می باشد. کربن مایع در فشار اتمسفر تنها در دماهای بسیار بالا پایدار است. ( نقطه ذوب گرافیت 4450 درجه کلوین). از آنجا که کربن دارای بالاترین نقطه ذوب نسبت به هر جامد فلزی دیگری است، برای جلوگیری از آلوده شدن مذاب، جنس بوته استفاده شده برای تهیه کربن مذاب نیز باید از کربن باشد. کربن مایع به طور آزمایشگاهی با روش ذوب گرافیت توسط لیزر تهیه شده است. نکته جالب اینکه با وجود تفاوت دماهای ذوب الماس و گرافیت، اعتقاد بر این است که کربن مایع یکسانی از این دو ماده تولید می شود.