نانولوله کربنی

انواع نانو تیوب‌های کربنی

دو شکل مختلف نانو تیوب کربنی شناخته شده‌است که از لحاظ ظاهر، ساختار و گرافیته شدن با هم تفاوت دارند: نانو تیوب‌های چند دیواره ای و تک دیواره ای که به ترتیب در سال ۱۹۹۱ و ۱۹۹۳ کشف شدند.
نانو تیوب‌های کربنی تک دیواره فقط از کربن و یک ساختار ساده (ورقه‌ای از شش ضلعی‌های منظم) تشکیل شده‌اند. برخی پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که تک دیواره‌ها می‌توانند رسانا یا نیمه‌رسانا باشند. این هدایت الکتریکی بالا بستگی به هندسه دقیق اتم‌های کربن دارد. از آغاز کار روی تک دیواره‌ها از آن‌ها به عنوان یک پدیده تک بعدی نام برده می‌شد تا این که این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت کرد. علت علاقه به این نانو تیوب‌های تک دیواره و تلاش برای جایگزین کردن آن‌ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظری و تأثیرات آزمایشگاهی، بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آن‌ها مانند فلزات می‌باشد. البته تولید نانو تیوب‌های تک دیواره دارای هزینه بالایی است و تولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آن‌ها در حین فراوری پلیمر- نانو تیوب مشکل می‌باشد.
بر عکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانو تیوب‌های کربنی چند دیواره باعث شده که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده‌است. به عنوان مثال از نانو تیوب‌های کربنی چند دیواره (جایگزین کربن بلک Carbon-black) در پودرهای رنگ استفاده شده‌است. یکی از معایب نانو تیوب‌های چند دیواره نسبت به تک دیواره این است که استحکام‌دهی آن‌ها کمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. از دیگر معایب آن‌ها می‌توان به مقاومت کمتر در مقابل فرسایش حاصل از مهاجرت الکترونی در شار الکتریکی بالا و مقاومت اکسایشی کمتر، اشاره کرد.
اما از آنجا که در حال حاضر کاربردهای نانو تیوب‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌شود تا بهبود خواص مکانیکی، کاربرد نانو تیوب‌های کربنی چند دیواره بسیار زیاد می‌باشد. ازطرفی تکنیک‌های موجود نیز برای تولید نانو تیوب‌های تک دیواره به اندازه کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی‌آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت‌آور است و در نهایت ممکن است به ساختار نانو تیوب صدمه نیز بزند.

ترانزیستورها

ضریب تحرک، شاخص حساسیت یک ترانزیستور برای کشف بار یا شناسایی مولکول مجاور می‌باشد، لذا ضریب تحرک مشخص می‌کند که قطعه تا چه حد می‌تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می‌کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می‌کنند و این نیز سرعت نهایی یک ترانزیستور را تعیین می‌نماید؛ لذا اهمیت استفاده از نانو تیوب‌ها و تولید ترانزیستورهای نانو تیوب‌ای با داشتن ضریب تحرک برابر با ۱۰۰ هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیکون با ضریب تحرک ۱۵۰۰ سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین رکورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرک ۷۷ هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می‌شود.

حسگرها

با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانو تیوب‌ها خواهند بود. با نانو تیوب‌ها می‌توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن‌ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد. تحقیقات نشان می‌دهد که نانو تیوب‌ها به نوع گازی که جذب آن‌ها می‌شود حساس می‌باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانو تیوب‌ها را دارد؛ و نیز معلوم شده‌است که نانو تیوب‌های کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانو تیوب‌های کربنی به‌طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شکل‌ها می‌تواند تغییر کند. همچنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانو تیوب‌های کربنی و سیستم، نانو تیوب‌های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد.

نمایشگرها

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. آن‌ها معتقدند که با استفاده از نمایشگرهایی که از نانو تیوب‌های کربنی به عنوان منبع انتشار استفاده می‌کنند، می‌توانند این مشکلات را بر طرف کنند. نانو تیوب‌های کربنی می‌توانند عنوان بهترین گسیل‌کننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الکترونی با راندمان و کارایی بالاتری تولید کنند.

حافظه‌های نانو تیوبی

به دلیل کوچکی بسیار زیاد نانو تیوب‌های کربنی (که در حد مولکولی است)، اگر هر نانو تیوب بتواند تنها یک بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظه‌هایی که از این نانو تیوب‌ها ساخته می‌شوند می‌توانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند.

استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها

توزیع یکنواخت نانو تیوب‌ها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانو تیوب با زمینه در فرآوری این نانوکامپوزیت‌ها از موضوعات بسیار مهم است.
شیوه توزیع نانو تیوب‌ها در زمینه پلیمری از پارامترهای مهم در استحکام‌دهی به کامپوزیت می‌باشد. آنچه از تحقیقات بر می‌آید این است که استفاده از خواص عالی نانو تیوب‌ها در نانوکامپوزیت‌ها وابسته به استحکام پیوند فصل مشترک نانو تیوب و زمینه می‌باشد. نکته دیگر آنکه خواص غیر همسانگردی نانو تیوب‌ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانو تیوب‌ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود.

دارورسانی توسط نانوتیوب‌های کربنی

امروزه از این مولکول‌های کربن که نانوتیوب‌های کربن(Carbon nano tubes) نامیده می‌شوند تنها برای حمل پپتیدهای کوچک به هسته‌های سلول‌های فیبروپلاستی استفاده می‌شود ولی پژوهشگران امیدوارند که بتوانند از آن‌ها در درمان سرطان، ژن درمانی و واکسیناسیون نیز استفاده نمایند. آلبرتو بیانکو از مؤسسه CNRS در استراسبورک فرانسه می‌گوید که پژوهشگران در مراحل اولیه تحقیقات هستند و از آنجا که به نظر می‌آید نانوتیوب‌ها می‌توانند وارد هسته شوند، از این خاصیت، می‌توان برای حمل ژن‌های ساخته شده و رساندن داروها به بخش خاصی از سلول، استفاده کرد.

ساخت قطعات الکترونیکی کوچک

محدودیت‌های فیزیکی سیلیکون تلاش‌های انجام گرفته برای کوچک کردن اندازه کامپیوترها، افزایش قدرت محاسباتی آن‌ها و کاهش مصرف برقشان را با مشکل مواجه کرده‌است. اندازه بسیار کوچک نانو تیوب‌ها – فقط چند صد یا چند هزار اتم – و خواص الکترونیکی چند منظورشان، آن‌ها را کاندیدای خوبی برای انتخاب در جاهایی که سیلیکون مسئله ساز است ساخته‌است.
در حالیکه پژوهش روی نانو تیوب‌ها هنوز نسبتاً جوان است، کشف‌های اخیر خبر می‌دهند که نانو تیوب‌ها می‌توانند اساس قطعات الکترونیکی کوچک نظیر کامپیوترهای فرا ریز را تشکیل دهند.

روش تخلیه قوس الکتریکی

نانو تیوب کربنی نخستین بار در نوک الکترودهای گرافیتی در هنگام تخلیه قوس الکتریکی که برای تولید فولرن استفاده شده بود، به دست آمد. با تنظیم شرایط قوس دی. سی، لایه‌های استوانه ای شکل در حد گرم از نوع چند دیواره ای تهیه گردید.
در روش تخلیه قوس اتم‌های کربن به وسیلهٔ عبور جریان بالا از دو قطب آند و کاتد در داخل پلاسمای گاز هلیم داغ شده بخار می‌شوند.
روش تخلیه قوس پیشرفت کرده و به یکی از روش‌های عالی جهت تولید نانو تیوب با کیفیت عالی و نانو تیوب‌های تک دیواره تبدیل شده‌است. نانو تیوب‌های چند دیواره را نیز می‌توان با کنترل شرایط رشد نظیر دما و فشار گاز ورودی و مقدار جریان تولید کرد.
برای رشد نانو تیوب‌های تک دیواره در روش تخلیه قوس نیاز به فلز کاتالیزوری است. اولین موفقیت‌ها در تولید نانو تیوب‌های تک دیواره در سال ۱۹۹۳ توسط بتون و همکارانش بدست آمد و نانو تیوب تک لایه ای از طریق قوس الکتریکی توسط کاتالیزور آهن و کبالت در پلاسمای کربن تولید شد.
برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلأ کرده و سپس در فشاری پایین (معمولاً بین ۲۶۰ تا360 torr) از هلیوم ویا آرگون که گازهای بی‌اثر هستند پر کنیم. یکی از عوامل مهم در سنتز نانو تیوب‌ها به روش قوس الکتریکی پایداری قوس الکتریکی اعمال شده و نیز مقدار شدت جریان و ولتاژ است که می‌تواند در مقدار محصول بدست آمده مؤثر باشد. در صورتی که محصول مورد نظر نانوتیوب‌های چند دیواره باشد دیگر اجباری در استفاده از کاتالیزگرها نداریم با این که محصول به دست آمده توسط روش قوس الکتریکی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می‌شود، زیرا مقدار محصول برای یک کار تحقیقی روی نانو تیوب اهمیت خاصی ندارد بلکه آنچه مهم است خلوص محصول و کامل بودن ساختار آن است؛ که روش قوس الکتریکی تا حد زیادی این مشکل را بر طرف می‌کند و اما مشکل دیگر در روش قوس الکتریکی تکنیک خلأ است که در بسیاری از آزمایشگاه‌های سطح پایین امکان آن وجود ندارد و نیز استفاده از هلیم و آرگون که هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روش‌ها از گاز هیدروژن استفاده شده‌است ولی این مورد تأثیر چندانی نداشته و مشکل به وجود آمده دیگر امکان انفجار و خطرات جانبی هیدروژن است.

روش میدان مغناطیسی

در روش قوس الکتریکی هنگام ایجاد قوس در اطراف کاتد و آند به دلیل اختلاف پتانسیل و جریان، دما تا حد قابل توجهی بالا می‌رود، این مقدار به اندازه‌ای است که گرافیت (در حالت کلی کربن) رو ی آند بخار شده و سپس روی کاتد می‌نشیند. از آنجا که در اطراف کاتد و آند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز نیز اثر گذاشته و دمای آن را افزایش می‌دهد؛ و در نتیجه در اطراف محیطی نه به شکل گاز بلکه به شکل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده‌است.
دلیل این که پلاسما را حالت جدیدی از ماده می‌نامیم این است که از ترکیب یون‌های مثبت و منفی اتم‌های خنثی به وجود آمده‌است. با افزایش دما تعداد اتم‌های خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد افزایش می‌یابد اما نکته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست. به وسیله میدان مغناطیسی می‌توان پلاسما را در یک منطقه محصور کرد. این جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره ظرف که در رآکتور گداخت گرمایی از آن استفاده می‌شود می‌تواند در سنتز نانو تیوب‌ها بسیار مؤثر واقع شود. فرض کنید اطراف الکترودهای گرافیتی را با یک میدان مغناطیسی حاصل از چهار آهن‌ربا احاطه کنیم، در این صورت وجود میدان سبب می‌شود پلاسمای وجود آمده به دیوارها برخورد نکند و فقط در محدوده گرافیت‌ها دما افزایش می‌یابد که این امر باعث کمک به تبخیر بهتر و سریعتر آند می‌شود و در کل سنتز حالت بهتری به خود می‌گیرد. در این مورد دیگر جنس ظرف اهمیت خاصی ندارد.

روش تابش لیزر

در این روش پالس‌های قوی شده اشعه لیزر به طرف یک هدف کربنی که شامل ۵ درصد اتمی، نیکل و کبالت است پرتاب می‌شوند. این هدف کربنی در کوره لوله ای شکل قرار گرفته‌است؛ که تا ۱۲۰۰ درجه حرارت داده شده‌است.
در حین تابش لیزر یک جریان از گاز خنثی به درون اتاقک رشد دمیده می‌شود تا این که نانو -لوله‌های تولید شده را حمل کند و آن را درون محفظه خنکی جمع‌آوری کند. نانو تیوب‌های تک دیواره تولید شده اغلب به صورت رشته‌هایی سر بسته با نیروی واندروالسی به یکدیگر متصل هستند.

روش رسوب بخار شیمیایی (CVD)

روش رسوب بخار شیمیایی این امکان را به ما می‌دهد که نانو تیوب‌هایی با کیفیت خوب و با تولید بالا ساخته شود.روش‌های رشد CVD کنترل شده بر پایه مواد کاتالیزوری مدلسازی شده، می‌تواند ساختار نانو تیوبای منظمی را ایجاد کند.
مراحل رشد شامل حرارت دادن مواد کاتالیزوری تا درجه حرارت‌های بالا در یک کوره لوله ای شکل و عبور یک گاز هیدروکربنی در سراسر لوله برای یک مدت زمان معین می‌باشد.
مواد رشد یافته بر روی مواد کاتالیزوری تا دمای اتاق سرد شده و جمع‌آوری می‌شوند. پارامترهای اساسی در این روش؛ هیدروکربن مصرفی، دمای رشد و کاتالیزور مصرفی می‌باشند. تولید حجم بالایی از نانو تیوب‌ها و خلوص خوب و به نظم درآمدن مناسب از ویژگی‌های این روش است.
روش تولید نانو تیوب از طریق رسوب بخار شیمیایی مزایایی بر روش‌های دیگر تولید دارد یکی از آن‌ها خلوص بالای آنست که نیاز به انجام عملیات اضافی را مرتفع می‌سازد. حرارت و دمای پایین بکاربرده شده در این روش در مقایسه با روش‌های قوس و لیزر منجر به تولید نانو تیوب‌هایی با ساختار گرافیتی کمتر شد.

تولید نانو تیوب به روش فرایند آمیزه سازی پلیمری

در این روش دو پلیمر، یکی به عنوان شکل دهنده منافذ و دیگری به عنوان پیش ماده کربنی مورد نیاز می‌باشد. اولین و مهم‌ترین مرحله در این فرایند، تهیه یک کره پلیمری کوچک با ساختار پوسته-هسته (microcapsules) است. در این ساختار پلیمر شکل دهنده منافذ که به صورت هسته در می‌آید، در طی اعمال حرارت و در دماهای بالا به مرور ناپدید می‌شود. در حالیکه پیش ماده پلیمری کربن که به صورت پوسته شکل گرفته‌است، در دمای بالا کربن خالص تولید می‌کند.
معمولاً از پلی اتیلن و پلی متیل متاکریلات به عنوان قالب شکل دهنده منفذ، و از رزین فنیل فرمالدهید یا پلی اکریلونیتریل (PAN) که پس از کربونیزاسیون در دمای ۱۰۰۰ درجه به ترتیب ۵۰ و ۳۵ درصد کربن تولید می‌کنند، به عنوان پیش ماده کربنی استفاده می‌شود.
از مزایای این روش، کنترل قطر و ضخامت دیواره از راه بهینه‌سازی قطر کره در پلیمر شکل دهنده منافذ و ضخامت پوسته در پلیمر پیش ماده کربنی (PAN)، می‌باشد. همچنین قطر الیاف بدست آمده از ریسندگی آمیزه پلیمری نیز در کنترل پارامترهای ساختاری نانو تیوب‌ها مؤثر است.
دیگر مزیت این روش این است که؛ محصول نهایی پس از کربونیزاسیون، منحصراً نانو تیوب است و نیازی به انجام فرایندهای تخلیص و پالایش نخواهد بود.

تولید نانو تیوب به روش قالبی (template)

نانو تیوب را می‌توان توسط روشی که به اصطلاح کربونیزاسیون قالبی نامیده می‌شود و شامل رسوب‌گیری ،(چگالش) کربن از گاز پلی پروپیلن در دمای ۸۰۰ درجه و بر روی درونی‌ترین دیواره‌های مجراهای موجود در یک فیلم آنودی از جنس آلومینا تولید نمود.
رسوب‌گیری کربن بر دیواره متخلخل یا در پی انحلال آلومینا در HF و در دمای اتاق صورت می‌گیرد یا در NaoH محلول در آب و در دمای ۱۵۰ درجه، درون اتوکلاو.
در این روش ابعاد (قطر و طول) نانو تیوب‌ها به ترتیب با قطر کانال‌ها و ضخامت فیلم آلومینا تنظیم می‌شود و کنترل ابعاد کانال‌ها نیز به راحتی انجام پذیر است و در نتیجه تیوب‌های تهیه شده دارای طول و قطر کاملاً یکنواخت و همسان خواهند بود و در جهت کانال‌ها و عمود بر سطح فیلم آلومینا به خط شده و تراز می‌شوند.

تولید نانوتیوب کربنی توسط فرایند الکتروریسی یک پلی الکترولیک و پلیمریزاسیون چگالش گازی

سنتز نانو تیوب‌هایی با قطر ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر همواره یکی از اهداف علم شیمی مواد بوده‌است. در این روش با استفاده از فرایندهای الکتروریسی و پلیمریزاسیون چگالش گازی نانو تیوب‌هایی از پلی اکریلونیتریل که تثبیت اکسایشی نیز شده‌اند، بدست می‌آید که دارای قطر خارجی ۱۰۰ نانومتر و ضخامت دیواره ۱۴ نانومتر با طولی درمقیاس سانتیمتر می‌باشند.
در ابتدا نانو الیاف پلی سولفونات استایرن سدیم (PssNa) به عنوان هسته‌های فدا شونده توسط فرایند الکتروریسی تولید می‌شوند و سپس به وسیلهٔ پلیمریزاسیون چگالش گازی (VDP) مونومر اکریلونیتریل، سطح این نانو الیاف را با لفافی هموار از پلی اکریلونیتریل یا PAN با ضخامتی یکسان، می‌پوشانند. در ادامه و پس از پایدارسازی اکسایشی لفاف PAN، هسته های(PssNa) بواسطهٔ شستشو با آب از بین می‌روند و نانو تیوب‌های PAN بدست می‌آیند. در انتها و با کربونیزه کردن این تیوب‌های توخالی نانو تیوب‌های کربنی با مشخصات یادشده حاصل می‌شوند.
PAN یک پیش ماده مناسب برای تولید الیاف کربنی محسوب می‌شود. در ابتدا پایدارسازی اکسایشی این الیاف انجام می‌شود که در طی آن، با تشکیل حلقه‌های درون ذره ای، یک پیش ماده پلیمری با ساختار نردبانی شکل می‌گیرد. این پلیمرهای نردبانی شکل، مانند صفحات گرافیت به یکدیگر متصل خواهند بود. و در انتها با پیرولیز این پیش ماده در دمای بالای ۸۵۰ تا 1300 ᵒC و تحت اتمسفر گاز خنثی، الیاف گرافیتی کربنی حاصل می‌شود.

تولید نانوتیوب کربنی بر پایه نانوالیاف PAN

می‌توان نانو فیبرهای الکتروریسی شده را ذغالی کرده و از آن‌ها به عنوان بستر و زیر لایه برای شکل‌گیری نانو تیوب‌های چند دیواره استفاده نمود. در این روش MWNT توسط مکانیزم رشد کاتالیستی که در آن ذرات آهن نقش کاتالیست را بازی می‌کند، شکل می‌گیرند.
در این فرایند، نانو فیبرهایی که به روش الکتروریسی و با قطرهایی در اندازه چند نانومتر تا چند میکرومتر، تهیه شده‌اند را در یک ورقه نازک متخلخل متمرکز می‌کنند و نانو تیوب‌های چند دیواره بر روی این بستر ذغالی شده، و با ساختاری دارای سلسله مراتب ویژه و مشخص رشد می‌کنند.

ترشوندگی

در نانو لوله‌های کربنی سطح نانو لوله‌ها از نظر خیس شوندگی کاربردهای زیاد و مهمی دارد.