कार्बन नैनोट्यूब

एकल दीवार वाले

File:Carbon_nanotube_armchair_povray.PNG|आर्मचेयर (n,n)
File:Carbon_nanorim_armchair_povray.PNG|काइरल वेक्टर मुड़ा हुआ है, जबकि अनुवाद वेक्टर सीधे रहता है
File:Carbon_nanoribbon_povray.PNG|ग्राफीन नैनोरिबन 
File:Carbon_nanorim_zigzag_povray.PNG|काइरल वेक्टर मुड़ा हुआ है, जबकि अनुवाद वेक्टर सीधे रहता है
File:Carbon_nanotube_zigzag_povray.PNG|ज़िगज़ैग (n, 0)
File:Carbon_nanotube_chiral_povray.PNG|काइरल (n, m)
File:Carbon_nanorim_chiral_povray.PNG|n और m को ट्यूब के अंत में गिना जा सकता है
File:Carbon_nanoribbon_chiral_povray.PNG|ग्राफीन नैनोरिबन
अधिकांश एकल-दीवार नैनोट्यूब (SWNT) का व्यास करीब 1 नैनोमीटर होता है, जहां ट्यूब की लंबाई कई लाख गुना अधिक हो सकती है। एक ग्रेफाइट की एक-एटम मोटी परत को जिसे ग्रफीन कहा जाता है, एक निर्बाध सिलेंडर में लपेट कर एक SWNT की संरचना को संकल्पित किया जा सकता है। जिस तरीके से ग्रफीन शीट को लपेटा जाता है उसे सूचकांकों की एक जोड़ी (n,m) के द्वारा दर्शाया जाता है जिसे काइरल वेक्टर कहा जाता है। n और m पूर्णांक, ग्रफीन के हनिकौम क्रिस्टल लैटिस में दो दिशाओं में यूनिट वैक्टर की संख्या को दर्शाते हैं। यदि m = 0, नैनोट्यूब को "ज़िगज़ैग" कहा जाता हैं। यदि n = m, नैनोट्यूब को "आर्मचेयर" कहा कहा जाता है। अन्यथा, उन्हें "काइरल" कहते हैं।
एकल-दीवार नैनोट्यूब, कार्बन नैनोट्यूब के एक महत्वपूर्ण प्रकार हैं क्योंकि ऐसा विद्युत् गुण प्रदर्शित करते हैं जो बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब (MWNT) प्रकार में नहीं पाया जाता. एकल-दीवार नैनोट्यूब, सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सबसे अधिक संभावित उम्मीदवार हैं जो वर्तमान में इलेक्ट्रोनिक्स में प्रयुक्त होने वाले माइक्रो इलेक्ट्रोमेकेनिकल से परे है। इन पद्धतियों का सबसे मूल निर्माण खंड बिजली का तार है और SWNTs उत्कृष्ट परिचालक हो सकते हैं। एक SWNTs के उपयोगी अनुप्रयोग पहले intramolecular क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (FET) के विकास में है। SWNT FETs का प्रयोग करते हुए पहले इंट्रामोलीक्युलर लॉजिक गेट का उत्पादन भी हाल ही में संभव हो पाया है। एक लॉजिक गेट का निर्माण करने के लिए आपके पास p-FET और एक n-FET, दोनों होना ज़रूरी है। क्योंकि SWNTs p-FETs होते हैं जब इनका संपर्क ऑक्सीजन से होता है और अन्यथा FETs रहते हैं, एक SWNT के आधे भाग को ऑक्सीजन के संपर्क में लाते हुए दूसरे आधे भाग को ऑक्सीजन से बचाना संभव है। इसका परिणाम एक एकल SWNT होता है जो समान अणु के भीतर p और n-प्रकार के दोनों FETs के साथ एक NOT लॉजिक गेट के रूप में कार्य करता है।
एकल-दीवार नैनोट्यूब का उत्पादन अभी भी बहुत महंगा है, यथा 2000 प्रति ग्राम करीब $1500 और अधिक किफायती संश्लेषण तकनीक का विकास कार्बन नैनोतकनीक के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है। यदि संश्लेषण का सस्ता तरीका नहीं खोजा जाता है, तो इसके कारण इस तकनीक को व्यावसायिक पैमाने पर लागू करना वित्तीय रूप से असंभव हो जाएगा. यथा 2007, कई आपूर्तिकर्ता यथा-उत्पादन आर्क डिस्चार्ज SWNTs ~ $50–100 प्रति ग्राम देते हैं।

बहु-दीवार

बहु-दीवार नैनोट्यूब (MWNT) ग्रेफाइट के कई घुमावदार परतों (संघनित ट्यूब) से बने होते हैं। दो मॉडल हैं जिनका प्रयोग बहु-दीवार नैनोट्यूब के ढांचे का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है। रसियन डौल मॉडल में, ग्रेफाइट की चादरें संघनित सिलेंडरों में आयोजित होती हैं, उदाहरण है एक बड़े (0,10) एकल-दीवार नैनोट्यूब के भीतर एक (0,8) एकल-दीवार नैनोट्यूब (SWNT). पार्चमेंट मॉडल में, ग्रेफाइट की एक चादर अपने आप में घूमी हुई होती है, जो पार्चमेंट के चिट्ठे या एक गोलाकार लपेटे अखबार की तरह होती है। बहु-दीवार नैनोट्यूब में आतंरिक परत दूरी, ग्रेफाइट में ग्रफीन परतों के बीच की दूरी के करीब होती है, लगभग 3.3 Å.
दोहरी-दीवार कार्बन नैनोट्यूब (DWNT) की खास जगह पर यहां जोर दिया जाना चाहिए क्योंकि उनका आकृति विज्ञान और गुण, SWNT के समान है, लेकिन रसायनों के प्रति उनका प्रतिरोध काफी सुधारा हुआ है। यह विशेष रूप से तब महत्वपूर्ण है जब CNT में नए गुण जोड़ने के लिए कार्यात्मकता के आवश्यकता होती है (इसका अर्थ है नैनोट्यूब की सतह पर रासायनिक कार्यों को आरोपित करना). SWNT के मामले में, कोवैलेंट कार्यात्मकता कुछ C = C डबल बांड को तोड़ेगी, जिससे नैनोट्यूब पर संरचना में "छेद" हो जाएगा और इस प्रकार इसके यांत्रिक और विद्युत्, दोनों गुणों में संशोधिन होगा। DWNT के मामले में, केवल बाहरी दीवार में संशोधन किया जाता है। मीथेन और हाइड्रोजन में ऑक्साइड मिश्रण के चुनिंदा घटाव से, ग्राम-स्केल पर DWNT संश्लेषण, CCVD तकनीक द्वारा पहली बार 2003 में प्रस्तावित किया गया था.

टोरस

एक नैनोटोरस को सैद्धांतिक रूप से एक कार्बन नैनोट्यूब के रूप में वर्णित किया जाता है जिसे एक टोरस (डोनट आकार) में मोड़ा गया है। नैनोटोरी में कई विशिष्ट गुण होने की भविष्यवाणी की गई है, जैसे कुछ विशेष radii के लिए पूर्व में अपेक्षित चुंबकीय क्षण से 1000 गुना बड़ा. चुंबकीय क्षण, विद्युत् स्थायित्व व अन्य गुण, टोरस की त्रिज्या और ट्यूब की त्रिज्या के आधार पर व्यापक रूप से भिन्न होते हैं।

नैनोबड

कार्बन नैनोबड नव निर्मित पदार्थ हैं जिन्हें पूर्व में खोजे गए कार्बन के एलोट्रोप्स, कार्बन नैनोट्यूब और फुलरीन को मिश्रित करके बनाया गया है। इस नए पदार्थ में, फुलरीन-सदृश बड, कोवैलेंट रूप से अंतर्निहित कार्बन नैनोट्यूब की बाहरी बगल दीवार से बद्ध होते हैं। इस संकर पदार्थ में फुलरीन और कार्बन नैनोट्यूब, दोनों के उपयोगी गुण हैं। विशेष रूप से, उन्हें असाधारण रूप से अच्छा फील्ड उत्सर्जक पाया गया है। यौगिक पदार्थ में, संलग्न फुलरीन अणु, नैनोट्यूब के फिसलन को रोकते हुए आणविक एंकर के रूप में कार्य कर सकते हैं और इस प्रकार यौगिक के यांत्रिक गुणों में सुधार करते हैं।

कप स्टैक्ड कार्बन नैनोट्यूब

कप स्टैक्ड कार्बन नैनोट्यूब (CSCNTs) अन्य अर्ध-1 D कार्बन संरचनाओं से भिन्न हैं जो सामान्य रूप से इलेक्ट्रॉन के एक धातु परिचालक के रूप में व्यवहार करते हैं, CSCNTs ग्रफीन परतों के खड़े सूक्ष्म ढांचे के कारण अर्ध-परिचालक व्यवहार का प्रदर्शन करते हैं।

कठोरता

हीरे को सबसे कठोर पदार्थ माना जाता है और यह अच्छी तरह से ज्ञात है कि ग्रेफाइट उच्च तापमान और उच्च दबाव की परिस्थितियों में हीरे में परिवर्तित हो जाता है। SWNTs को घरेलु तापमान पर 24 GPa से ऊपर का दबाव देते हुए एक अत्यंत कठोर पदार्थ के संश्लेषण में, एक अध्ययन सफल रहा। इस पदार्थ की कठोरता को एक नैनोअभिस्थापक से 62-152 GPa मापी गई। सन्दर्भ हीरे और बोरान नाइट्राइड नमूनों की कठोरता क्रमशः 150 और 62 GPa थी। संपीड़ित SWNTs का थोक मापांक 462-546 GPa था, जिसने हीरे के 420 GPa के मूल्य को पीछे कर दिया।

गतिजन्य

बहु-दीवार नैनोट्यूब, एक दूसरे के भीतर समाहित बहु संघनित नैनोट्यूब, एक आश्चर्यजनक टेलिस्कोपीय गुण प्रदर्शित करते हैं जिसके तहत एक आंतरिक नैनोट्यूब केंद्र, अपने बाहरी नैनोट्यूब खोल में लगभग बिना घर्षण के खिसक सकता है, इस तरह एक आणवीय रूप से सटीक रेखीय या घूर्णी असर पैदा करता है।
यह आणविक नैनोतकनीक का एक पहला सही उदाहरण है, जिसके तहत उपयोगी मशीन बनाने के लिए परमाणु सटीक स्थिति में जाते हैं। पहले से ही इस गुण का उपयोग दुनिया के सबसे छोटे घूर्णी मोटर बनाने के लिया किया जा चूका है।
भावी अनुप्रयोग जैसे गीगाहर्ट्ज़ यांत्रिक ओसिलेटर की भी परिकल्पना की गई है।

वैद्युत

ग्राफीन की सममिति और अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक संरचना की वजह से, एक नैनोट्यूब का ढांचा, इसके विद्युत गुणों को अत्यधिक प्रभावित करता है। दिए गए एक (n, m) नैनोट्यूब के लिए, यदि n = m, नैनोट्यूब धात्विक है; अगर n - m, 3 का एक गुणज है, तो नैनोट्यूब एक अत्यंत छोटे बैंड अंतराल वाला अर्ध-परिचालक है, अन्यथा नैनोट्यूब एक मध्यम अर्धचालक है। इस प्रकार सभी आर्मचेयर (n = m) नैनोट्यूब धात्विक हैं और नैनोट्यूब (5,0), (6,4), (9,1), आदि अर्ध-परिचालक हैं। सिद्धांत रूप में, धात्विक नैनोट्यूब 4 × 10⁹ A/cm² की एक विद्युत घनत्व धारा को ले जा सकता है, जो तांबा जैसी धातुओं से 1,000 गुना से अधिक बड़ा है।
अंतरसम्बंधित आतंरिक खोल वाले बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब, अपेक्षाकृत एक उच्च संक्रमण तापमान प्रदर्शित करते हैं Tc = 12 K. इसके विपरीत, Tc मूल्य, ऐसे परिमाण का एक क्रम है जो एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब की रस्सियों के लिए न्यून है या हमेशा की तरह गैर अंतरसम्बंधित खोल वाले MWNTs के लिए।

तापीय

सभी नैनोट्यूब को, ट्यूब के साथ बहुत अच्छा ताप परिचालक माना जाता है, जो "बैलिस्टिक चालन" के रूप में ज्ञात एक गुण का प्रदर्शन करते हैं, लेकिन पार्श्विक रूप से ट्यूब धुरी के लिए अच्छे विसंवाहक. मापन, SWNTs के घरेलु तापमान पर तापीय चालकता को करीब 3500 W/(m·K) दिखाते हैं, इसकी तुलना में तांबा, अपनी अच्छी तापीय चालकता के लिए ज्ञात एक धातु, 385 W.m⁻¹। K⁻¹ संचारित करता है। कार्बन नैनोट्यूब का तापमान स्थिरता, अनुमानित रूप से, निर्वात में 2800 डिग्री सेल्सियस तक और हवा में करीब 750 डिग्री सेल्सियस है।

दोष

तमाम पदार्थों की तरह, क्रिस्टलीयग्राफिक दोष की मौजूदगी पदार्थ के गुणों को प्रभावित करता है। दोष, परमाणु रिक्तियों के रूप में हो सकते हैं। ऐसे दोषों का उच्च स्तर, तनन-सामर्थ्य को 85% तक कम कर सकता है। कार्बन नैनोट्यूब दोष का एक दूसरा रूप स्टोन वेल्स दोष है, जो बांड के पुनर्निर्माण के द्वारा एक पंचकोण और सप्तकोण जोड़ी बनाता है। CNTs की बहुत छोटी संरचना के कारण, ट्यूब का तनन-सामर्थ्य एक चेन के समान उसके सबसे कमजोर वर्ग पर निर्भर रहता है, जहां सबसे कमजोर कड़ी की मज़बूती चेन की अधिकतम शक्ति बन जाती है।
क्रिस्टलीयग्राफिक दोष, ट्यूब के विद्युत गुण को भी प्रभावित करते हैं। एक आम परिणाम है - ट्यूब की दोषपूर्ण क्षेत्र के माध्यम से न्यून चालकता. आर्मचेयर-प्रकार के ट्यूब में एक दोष (जो बिजली के चालाक हैं) आसपास के क्षेत्र को अर्ध-परिचालक बना सकते हैं और एकल मोनोएटोमिक रिक्तियां चुंबकीय गुण को प्रेरित करती हैं।
क्रिस्टलीयग्राफिक दोष, ट्यूब के तापीय गुणों को अत्यधिक प्रभावित करते हैं। इस तरह के दोष, फोनन प्रकीर्णन को प्रेरित करते हैं, जो बदले में फोनन की विश्रांति दर को बढ़ाता है। यह मीन फ्री पाथ को कम कर देता है और नैनोट्यूब संरचनाओं की तापीय चालकता को कम कर देता है। फोनन ट्रांसपोर्ट सिमुलेशन से संकेत मिलता है कि स्थानापन्न सम्बन्धी दोष जैसे की नाइट्रोजन या बोरान, उच्च फ्रीक्वेंसी ऑप्टिकल फोनन के प्रकीर्णन को मुख्य रूप से प्रेरित करेंगे। हालांकि, बड़े पैमाने दोष जैसे स्टोन वेल्स दोष, विस्तृत श्रृंखला की आवृत्तियों पर फोनन प्रकीर्णन को प्रेरित करता है जिसके परिणामस्वरूप तापीय चालकता में काफी कमी हो जाती है।

एक आयामी परिवहन

नैनोस्केल आयामों की वजह से, इलेक्ट्रॉन, केवल ट्यूब धुरी के आस-पास फैलते हैं और इलेक्ट्रॉन परिवहन में कई क्वांटम प्रभाव शामिल है। इस कारण से, कार्बन नैनोट्यूब को अक्सर "एक-आयामी" सन्दर्भित किया जाता है।

संश्लेषण

पर्याप्त मात्रा में नैनोट्यूब के उत्पादन के लिए तकनीकें विकसित की गई हैं, जिसमें शामिल है आर्क डिस्चार्ज, लेज़र पृथक्करण, उच्च दबाव कार्बन मोनोआक्साइड (HiPCO) और रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी). इनमें से अधिकांश प्रक्रियाएं निर्वात में या प्रक्रिया गैसों के साथ संपादित होती है। CNTs का CVD विकास, निर्वात में या वायुमंडलीय दबाव में हो सकता है। नैनोट्यूब की एक बड़ी मात्रा को इन विधियों द्वारा संश्लेषित किया जा सकता है; कटैलिसीस में सुधार और सतत विकास प्रक्रिया, CNTs को आर्थिक रूप से अधिक व्यावहारिक बना रही है।

आर्क डिस्चार्ज

नैनोट्यूब को 1991 में एक आर्क डिस्चार्ज के दौरान, ग्रेफाईट इलेक्ट्रोड की कार्बन कालिख में देखा गया, 100 amps के विद्युत का उपयोग करके, जिसे फुलरीन का उत्पादन करना था। बहरहाल, कार्बन नैनोट्यूब का पहला स्थूल उत्पादन 1992 में NEC के फंडामेंटल रिसर्च लेबोरेटरी में दो शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था। प्रयोग विधि 1991 वाली के समान ही थी। इस प्रक्रिया के दौरान, नकारात्मक इलेक्ट्रोड में निहित कार्बन का उच्च तापमान विसर्जन के कारण उर्ध्वपातन होता है। चूंकि शुरू में नैनोट्यूब, इस तकनीक के उपयोग से खोजे गए थे, यह नैनोट्यूब संश्लेषण का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला तरीका है।
इस विधि के लिए उपज, वजन के हिसाब से 30 प्रतिशत तक है और यह 50 माइक्रोमीटर तक की लंबाई वाले एकल और बहु-दीवार नैनोट्यूब, दोनों का उत्पादन करता है, जिसमें कुछ ही संरचनात्मक दोष होते हैं।

लेज़र पृथक्करण

लेज़र पृथक्करण प्रक्रिया में, एक स्पंदित लेजर, एक उच्च तापमान रिएक्टर में एक लक्ष्यित ग्रेफाइट को वाष्पीकृत करता है जबकि एक अक्रिय गैस को चेंबर में बहाया जाता है। और जब वाष्पीकृत कार्बन संघनित होता है तो नैनोट्यूब रिएक्टर की ठंडी सतहों पर विकसित होते हैं। नैनोट्यूब इकट्ठा करने के लिए पानी से ठंडी की गई सतह को प्रणाली में शामिल किया जा सकता है।
इस प्रक्रिया को राईस यूनिवर्सिटी के डॉ॰ रिचर्ड स्मॉले और सहयोगियों द्वारा विकसित किया गया, जो कार्बन नैनोट्यूब की खोज के समय, विभिन्न धातु अणुओं के उत्पादन के लिए धातुओं को एक लेजर से विस्फोट कर रहे थे। जब उन्होंने नैनोट्यूब के अस्तित्व के बारे में सुना तो उन्होंने बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब का निर्माण करने के लिए, धातुओं को ग्रेफाइट से प्रतिस्थापित कर दिया।  बाद में उस वर्ष, इस दल ने एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब के संश्लेषण के लिए ग्रेफाईट के यौगिक और धातु उत्प्रेरक कण (सबसे अच्छी उपज कोबाल्ट और गिलट मिश्रण से थी) का इस्तेमाल किया।
लेज़र पृथक्करण विधि 70% के आसपास उत्पन्न करती है और मुख्य रूप से प्रतिक्रिया तापमान द्वारा निर्धारित नियंत्रणीय व्यास के साथ, एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब का उत्पादन करती है। तथापि, यह आर्क डिस्चार्ज या रासायनिक वाष्प जमाव से ज्यादा महंगी है।

रासायनिक वाष्प जमाव (CVD)

कार्बन के उत्प्रेरक भाप चरण जमाव की पहली सूचना 1959 में दी गई थी, लेकिन 1993 तक इस प्रक्रिया द्वारा कार्बन नैनोट्यूब नहीं बनाए गए। 2007 में, सिनसिनाटी विश्वविद्यालय (UC) में शोधकर्ताओं ने फर्स्टनैनो ET3000 कार्बन नैनोट्यूब विकास प्रणाली पर 18 mm लंबाई के संरेखित कार्बन नैनोट्यूब विन्यास का विकास करने के लिए एक प्रक्रिया इजाद की। 
CVD के दौरान, धातु उत्प्रेरक कणों की एक परत से एक सबस्ट्रेट तैयार किया जाता है, आम रूप से गिलट, कोबाल्ट,, लोहा, या एक संयोजन. इन धातु नैनोकणों को अन्य तरीकों द्वारा भी उत्पादित किया जा सकता है, जैसे आक्साइड की कटौती या आक्साइड के ठोस घोल से. नैनोट्यूब के व्यास, जिन्हें बढ़ाना है वे धातु कणों के आकार से संबंधित होते हैं। इसे धातु के व्यवस्थित (या मुखौटा युक्त) जमाव, ताप देकर, या किसी धातु की परत के प्लाज्मा निक्षारण द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। सबस्ट्रेट को लगभग 700 डिग्री सेल्सियस तक गरम किया जाता है। नैनोट्यूब के विकास को आरंभ करने के लिए, रिएक्टर में दो गैसों को बहाया जाता है: एक प्रक्रिया गैस (जैसे अमोनिया, नाइट्रोजन या हाइड्रोजन) और एक कार्बन-युक्त गैस (जैसे एसिटिलीन, ईथीलीन, इथेनॉल या मीथेन). नैनोट्यूब, धातु उत्प्रेरक के स्थलों पर बढ़ते हैं; कार्बन युक्त गैस को उत्प्रेरक कण की सतह पर तोड़ा जाता है और कार्बन, कण के छोर पर चला जाता है जहां यह नैनोट्यूब का निर्माण करता है। इस क्रियाविधि का अभी भी अध्ययन किया जा रहा है। उत्प्रेरक कण, विकास प्रक्रिया के दौरान, उत्प्रेरक कण और सबस्ट्रेट के बीच आसंजन के आधार पर, बढ़ते नैनोट्यूब के मुहाने पर या नैनोट्यूब के तल पर बने रह सकते हैं।
कार्बन नैनोट्यूब के वाणिज्यिक उत्पादन के लिए CVD एक आम तरीका है। इस प्रयोजन के लिए, धातु नैनोकणों को एक उत्प्रेरक सहायक के साथ मिश्रित किया जाता है जैसे MgO या Al₂O₃ ताकि धातु के कणों के साथ कार्बन फीडस्टॉक की उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की अधिक उपज के लिए सतही क्षेत्र में वृद्धि की जा सके। इस संश्लेषण मार्ग में एक मुद्दा, एसिड प्रयोग, जो कभी-कभी कार्बन नैनोट्यूब के मूल ढांचे को नष्ट कर सकता है, के द्वारा उत्प्रेरक समर्थन को हटाना है। हालांकि, वैकल्पिक उत्प्रेरक समर्थन जो पानी में घुलनशील हैं, नैनोट्यूब विकास के लिए प्रभावी सिद्ध हुए हैं।
विकास प्रक्रिया (प्लाज्मा वर्धित रासायनिक वाष्प जमाव*) के दौरान यदि एक प्लाज्मा, एक तीव्र विद्युत् क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा उत्पन्न होता है, तो नैनोट्यूब विकास, विद्युत क्षेत्र की दिशा का अनुगमन करेगा।  रिएक्टर के ज्यामिति को समायोजित करके, खड़े संरेखित कार्बन नैनोट्यूब को संश्लेषित करना संभव है (यानी, सबस्ट्रेट के लम्बवत), एक आकृति विज्ञान जो नैनोट्यूब से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन में रुचि रखने वाले शोधकर्ताओं की रूचि का केंद्र रहा है। प्लाज्मा के बिना, परिणामस्वरूप प्राप्त नैनोट्यूब अक्सर अनियमित उन्मुख होते हैं। प्रतिक्रिया की कुछ स्थितियों के तहत, यहां तक कि एक प्लाज्मा के अभाव में, नजदीकी अंतराल में रखे नैनोट्यूब, एक ऊर्ध्वाधर वृद्धि बनाए रखते हैं जो एक जंगल के कालीन से मिलते-जुलते ट्यूबों के एक घने विन्यास में परिणत होता है।
नैनोट्यूब संश्लेषण के विभिन्न तरीकों में, औद्योगिक पैमाने पर जमाव के लिए CVD सबसे अधिक आशा दिखाता है, इसका कारण है इसकी कीमत/इकाई अनुपात और क्योंकि CVD एक वांछित सबस्ट्रेट पर सीधे नैनोट्यूब निर्माण करने में सक्षम है, जबकि अन्य विकास तकनीक में नैनोट्यूब को एकत्र करना पड़ता है। विकास स्थान, उत्प्रेरक के ध्यानपूर्वक जमाव से नियंत्रित किये जा सकते हैं। 2007 में, मेजो विश्वविद्यालय के एक दल ने कपूर से कार्बन नैनोट्यूब निर्माण की एक उच्च दक्षता CVD तकनीक का प्रदर्शन किया। राइस विश्वविद्यालय में शोधकर्ताओं ने, हाल ही में दिवंगत डॉ॰ रिचर्ड स्मौले के नेतृत्व में, विशेष प्रकार के नैनोट्यूब की बड़ी और शुद्ध मात्रा के उत्पादन के तरीके को खोजने पर ध्यान केन्द्रित किया। उनके तरीके में एक एकल नैनोट्यूब से काटे गए कई छोटे बीजों से लंबे तंतुओं का विकास किया जाता है; परिणामस्वरूप प्राप्त सारे तंतुओं का व्यास मूल नैनोट्यूब के समान ही पाया गया और आशा है कि वे उसी प्रकार के होंगे जैसे मूल नैनोट्यूब हैं। परिणामस्वरूप प्राप्त नैनोट्यूब के वर्गीकरण और उपज में सुधार और विकसित किये गए ट्यूब की लंबाई की आवश्यकता है।
बहु-दीवार नैनोट्यूब के CVD विकास का उपयोग कई कंपनियों द्वारा टन पैमाने पर सामग्री के उत्पादन के लिए किया जाता है, जिसमें शामिल हैं नैनोलैब, बायर, अर्केमा, नैनोसिल, नैनोथिंक्स, हाईपीरियन कटैलिसीस, मित्सुई और शोवा ड़ेंको.

प्राकृतिक, आकस्मिक और नियंत्रित फ्लेम वातावरण

फुलरीन और कार्बन नैनोट्यूब आवश्यक रूप से उच्च तकनीकी प्रयोगशालाओं के उत्पाद नहीं हैं; उन्हें आमतौर पर साधारण फ्लेम की तरह लौकिक स्थानों पर गढ़ा जाता है, जलती मीथेन, ईथीलीन, और बेंजीन, द्वारा उत्पादित किया जाता है और उन्हें घरेलु और बाहरी, दोनों हवा की कालिख में पाया गया है। हालांकि, इन स्वाभाविक रूप से होने वाली किस्मों के आकार और गुणवत्ता में बहुत ही अनियमित हो सकती है क्योंकि जिस वातावरण में उन्हें उत्पादित किया जाता है वह अक्सर अत्यंत अनियंत्रित होता है। इस प्रकार, यद्यपि कुछ अनुप्रयोगों में उनका इस्तेमाल किया जा सकता है, एकरूपता के उच्च स्तर पर उनमें कमी हो सकती है जो अनुसंधान और उद्योग, दोनों की कई जरूरतों को पूरा के लिए आवश्यक है। हाल के प्रयासों ने नियंत्रित फ्लेम वातावरण में अपेक्षाकृत अधिक एकरूप कार्बन नैनोट्यूब के उत्पादन पर ध्यान केंद्रित किया है। इस तरह के तरीके में, बड़े पैमाने पर, कम लागत वाले नैनोट्यूब संश्लेषण की संभावनाएं हैं, हालांकि उन्हें तेज़ी से बढ़ रहे बड़े पैमाने पर CVD उत्पादन के साथ मुकाबला करना होगा।

अनुप्रयोग संबंधित मुद्दे

कार्बन नैनोट्यूब के कई इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोग महत्वपूर्ण रूप से, चुनिंदा रूप से अर्ध-परिचालक या धातु CNTs के उत्पादन की तकनीक पर निर्भर करते हैं, विशेषतः एक निश्चित काईरैलिटी वाले. अर्ध-परिचालक और धातु CNTs को अलग करने के कई तरीके ज्ञात हैं, लेकिन उनमें से ज्यादातर यथार्थवादी प्रौद्योगिकीय प्रक्रियाओं के लिए उपयुक्त नहीं हैं। अलग करने की एक व्यावहारिक विधि में हिमीकरण, विगलन और एगरोज़ जेल में सन्निहित SWNTs के संपीड़न के एक अनुक्रम का उपयोग होता है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरुप एक 70% धात्विक SWNTs युक्त घोल प्राप्त होता है और 95% से युक्त अर्ध-परिचालक SWNTs जेल छोड़ देता है। इस विधि द्वारा तरलीकृत घोल, विभिन्न रंग दिखाते हैं। इसके अलावा, शुद्धता, कॉलम क्रोमैटोग्राफी विधि द्वारा, SWNT उच्च को अलग कर सकती है। उपज, अर्धचालक प्रकार के SWNT में 95% और धात्विक प्रकार के SWNT में 90% होती है।
अलगाव का एक विकल्प, धात्विक CNTs या अर्ध-परिचालक विकास का चयनात्मक विकास है। हाल ही में, एक नया CVD नुस्खा घोषित किया गया जिसमें इथेनॉल और मेथनॉल गैसों और क्वार्ट्ज सबट्रेट का एक संयोजन शामिल है जो क्षैतिज रूप से संरेखित 95-98% के अर्ध-परिचालक नैनोट्यूब में फलित होता है।
नैनोट्यूब को आमतौर पर चुंबकीय धातु (Fe, Co), जो इलेक्ट्रॉनिक (स्पिंट्रोनिक) उपकरणों के उत्पादन को आसान करता है, के नैनोकणों पर विकसित किया जाता है। एक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर के माध्यम से करेंट के विशेष नियंत्रण को ऐसे एक एकल-ट्यूब नैनोसंरचना में प्रदर्शित किया गया है।

संरचनात्मक

कार्बन नैनोट्यूब के बेहतरीन यांत्रिक गुणों के कारण, कई संरचनाओं को प्रस्तावित किया गया है, जिसमें रोज़मर्रा की वस्तुएं जैसे कपड़े और स्पोर्ट्स गिअर से लेकर युद्ध जैकेट और स्पेस लिफ्ट शामिल हैं। हालांकि, कार्बन नैनोट्यूब प्रौद्योगिकी को परिष्कृत करने में स्पेस लिफ्ट को आगे प्रयासों की आवश्यकता है, चूंकि कार्बन नैनोट्यूब के व्यावहारिक तनन-सामर्थ्य को अभी भी बहुत सुधारा जा सकता है।
भविष्य के लिए, शानदार सफलताएं पहले ही प्राप्त की जा चुकी हैं। नैनोटेक संस्थान में रे एच. बाऊमन के नेतृत्व में प्रमुख कार्य यह दिखाते हैं कि एकल और बहु-दीवार नैनोट्यूब, इतनी कठोर वस्तुओं का उत्पादन कर सकते हैं जिनकी मिसाल मानव निर्मित और प्राकृतिक दुनिया में मौजूद नहीं होगी।

विद्युत् सर्किट में

नैनोट्यूब आधारित ट्रांजिस्टर बनाए गए हैं जो घरेलु तापमान पर काम करते हैं और जो एक एकल इलेक्ट्रॉन के प्रयोग से डिजिटल परिवर्तन करने में सक्षम हैं। नैनोट्यूब की प्राप्ति में एक प्रमुख बाधा है, बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तकनीक का अभाव. हालांकि, 2001 में IBM शोधकर्ताओं ने बड़ी तादाद में नैनोट्यूब ट्रांजिस्टरों के निर्माण के तरीके का प्रदर्शन किया, बहुत कुछ सिलिकॉन ट्रांजिस्टर की तरह. उनकी प्रक्रिया "रचनात्मक विध्वंस" कहलाती है जिसमें वेफर पर दोषपूर्ण नैनोट्यूब का स्वत: विनाश भी शामिल है।
IBM प्रक्रिया को आगे विकसित किया गया और दस बीलियन सही ढंग से संरेखित नैनोट्यूब जंक्शनों वाले एकल चिप वेफर्स बनाए गए। इसके अलावा, यह भी दर्शाया गया कि गलत तरीके से संरेखित नैनोट्यूब को, मानक फोटोलिथोग्राफी उपकरण का उपयोग करते हुए स्वतः हटाया जा सकता है।
पहला नैनोट्यूब इंटिग्रेटेड मेमोरी सर्किट 2004 में बनाया गया था। नैनोट्यूब की चालकता का विनियमन प्रमुख चुनौतियों में से एक रहा है। सतह के सूक्ष्म लक्षणों के आधार पर एक नैनोट्यूब एक सादे परिचालक के रूप में या एक अर्धपरिचालक के रूप में कार्य कर सकता है। गैर अर्धपरिचालक ट्यूब को हटाने के लिए एक पूर्ण स्वचालित विधि विकसित की गई है।
कार्बन नैनोट्यूब ट्रांजिस्टर बनाने का एक और तरीका है उनके यादृच्छिक नेटवर्क का इस्तेमाल करना। ऐसा करके एक व्यक्ति उनकी सारी विद्युत् भिन्नताओं का औसतिकरण करता है और वह वेफर स्तर पर बड़े पैमाने में उपकरणों का उत्पादन कर सकता है। इस तरीके को सबसे पहले नैनोमिक्स इंक. द्वारा पेटेंट करवाया गया। (मूल आवेदन की तिथि जून 2002) यह सबसे पहले अमेरिकी नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला द्वारा शैक्षणिक साहित्य में 2003 में स्वतंत्र शोध कार्य के माध्यम से प्रकाशित हुआ। इस विधि ने नैनोमिक्स को एक लचीले और पारदर्शी सबस्ट्रेट पर पहला ट्रांजिस्टर बनाने में भी सक्षम किया।
कार्बन नैनोट्यूब के बड़े ढांचे को इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के तापीय प्रबंधन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। लगभग 1 mm मोटी एक कार्बन नैनोट्यूब परत का उपयोग एक विशेष सामग्री के रूप में शीतलक बनाने के लिए किया गया, इस सामग्री का घनत्व बहुत कम है, इसी तरह की तांबे की संरचना से ~ 20 गुना कम वजन, जबकि दोनों सामग्रीयों के लिए शीतलक विशेषताएं समान हैं।

कागज बैटरी के रूप में

कागज बैटरी एक बैटरी है जिसे सेलूलोज़, जो संरेखित कार्बन नैनोट्यूब से भरा है, की कागजनुमा पतली शीट का उपयोग करने के लिए अभिकल्पित किया गया है (जो अन्य चीज़ों के अलावा नियमित कागज का प्रमुख घटक है). नैनोट्यूब, इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करते हैं; भंडारण उपकरणों को बिजली संचालित करने की अनुमति देते हैं। यह बैटरी, जो एक-लिथियम आयन बैटरी और एक सुपरसंधारित्र, दोनों के रूप में काम करती है, एक पारंपरिक बैटरी की तुलना में लंबे समय तक, निरंतर बिजली उत्पादन और साथ ही साथ एक सुपरसंधारित्र की उच्च ऊर्जा का त्वरित विस्फोट प्रदान कर सकती है - और जबकि एक पारंपरिक बैटरी में कई अलग घटक शामिल होते हैं, एक कागज बैटरी, बैटरी के सभी घटकों को एक एकल ढांचे में एकीकृत करती है और इसे अधिक ऊर्जा कुशल बनाती है।

औषधि वितरण के लिए एक पोत के रूप में

नैनोट्यूब के बहुमुखी ढांचे का प्रयोग शरीर के अन्दर और आसपास स्थानीयकृत दवा वितरण के लिए किया जा सकता है। यह कैंसर की कोशिकाओं के उपचार में विशेष रूप से उपयोगी है। वर्तमान में, शरीर के विशिष्ट अंगों को लक्षित करने में अपनी कमज़ोर क्षमता की वजह से रसायन-चिकित्सा, अक्सर स्वस्थ और साथ ही साथ कैंसर कोशिकाओं को नष्ट कर देती है। नैनोट्यूब को किसी दवा से भरा जा सकता है और विशिष्ट क्षेत्रों में पहुंचाया जा सकता है जहां एक रासायनिक ट्रिगर, नैनोट्यूब से दावा को निकाल सकता है। नैनोट्यूब को सील करने के लिए डाई और एक पॉलिमर कैप का उपयोग करने वाले एक परीक्षण को साहित्य में सूचित किया गया है।

सौर सेल

न्यू जर्सी प्रौद्योगिकी संस्थान में विकसित सौर कोशिकाएं, सांप सदृश ढांचे के निर्माण के लिए कार्बन नैनोट्यूब और कार्बन बकिबॉल (फुलरीन के रूप में ज्ञात) के एक मिश्रण द्वारा गठित, कार्बन नैनोट्यूब काम्प्लेक्स का उपयोग करती हैं। बकिबॉल, इलेक्ट्रॉनों को फंसाते हैं, हालांकि वे इलेक्ट्रॉनों को प्रवाहित नहीं कर सकते. पॉलीमर को उत्तेजित करने के लिए सूरज की रोशनी जोड़ें और बकिबॉल इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेगा। तांबे के तारों की तरह बर्ताव कर रहे नैनोट्यूब, तब इलेक्ट्रॉन या विद्युत् प्रवाह को बनाने में सक्षम होंगे।

अल्ट्रासंधारित्र

विद्युतचुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के लिए MIT प्रयोगशाला, अल्ट्रासंधारित्र में सुधार करने के लिए नैनोट्यूब का उपयोग करती है। पारंपरिक अल्ट्रासंधारित्र में प्रयुक्त सक्रिय लकड़ी के कोयले में कई विभिन्न आकार के छोटे खोखले छेद होते हैं, जो विद्युत चार्ज को संग्रहित करने के लिए एक साथ एक बड़ी सतह का निर्माण करते हैं। चूंकि चार्ज को प्राथमिक चार्ज, यानी इलेक्ट्रॉनों में क्वान्टाइज़ किया जाता है और ऐसे प्रत्येक प्राथमिक चार्ज को एक न्यूनतम जगह की आवश्यकता होती है, इलेक्ट्रोड सतह का एक महत्वपूर्ण अंश, भंडारण के लिए उपलब्ध नहीं होता, क्योंकि खोखले स्थान चार्ज की आवश्यकताओं के साथ संगत नहीं हैं। एक नैनोट्यूब इलेक्ट्रोड के साथ रिक्त स्थानों को आकार में बनाया जा सकता है - कुछ बहुत बड़े या बहुत छोटे - और परिणामस्वरूप, क्षमता में काफी वृद्धि की जानी चाहिए।

अन्य अनुप्रयोग

कार्बन नैनोट्यूब को नैनोइलेक्ट्रोमेकेनिकल सिस्टम में लागू किया गया है, जिसमें यांत्रिक स्मृति तत्व (नेन्टेरो इंक द्वारा विकसित NRAM) और नैनो पैमाने के इलेक्ट्रिक मोटर्स शामिल है (देखें नैनोमोटर).
मई 2005 में, नैनोमिक्स इंक ने बाजार पर एक हाइड्रोजन सेंसर रखा जो एक सिलिकॉन प्लेटफोर्म पर कार्बन नैनोट्यूब को एकीकृत करता है। तब से नैनोमिक्स, कार्बन डाइऑक्साइड, नाइट्रस ऑक्साइड, ग्लूकोज, DNA खोज के क्षेत्र में ऐसे कई सेंसर अनुप्रयोगों को पेटेंट करवाता रहा है।
फ्रैंकलिन, मैसाचुसेट्स का एइकोस इंक और सिलिकॉन वैली, कैलिफोर्निया, का उनिडिम इंक, ईण्डीयम टिन ऑक्साइड (ITO) को प्रतिस्थापित करने के लिए कार्बन नैनोट्यूब के पारदर्शी, विद्युत प्रवाहकीय फ़िल्में विकसित कर रहे हैं। कार्बन नैनोट्यूब फ़िल्में, ITO फिल्मों की तुलना में यांत्रिक रूप से वस्तुतः अधिक मजबूत हैं, जो उन्हें उच्च विश्वसनीयता वाले टचस्क्रीन और लचीले डिस्प्ले के लिए आदर्श बनाता है। ITO को प्रतिस्थापित करने के लिए इन फिल्मों के उत्पादन को सक्षम बनाने में कार्बन नैनोट्यूब की मुद्रण योग्य जल-आधारित स्याही इच्छित हैं। कंप्यूटर, सेल फोन, PDA और ATM के डिस्प्ले के इस्तेमाल के लिए नैनोट्यूब फ़िल्में संभावनाएं प्रदर्शित करती हैं।
नैनोरेडियो, एक एकल नैनोट्यूब वाला रेडियो रिसीवर, को 2007 में प्रदर्शित किया गया। 2008 में यह दिखाया गया कि नैनोट्यूब का एक शीट, यदि एक वैकल्पिक विद्युत् लगाया जाए तो लाउडस्पीकर के रूप में काम कर सकता है। ध्वनि की उत्पत्ति कंपन से नहीं बल्कि थर्मोअकुस्टिक के माध्यम से होती है।
कार्बन नैनोट्यूब की उच्च यांत्रिक शक्ति के कारण, उनसे चाकू-रोधी और बुलेटप्रूफ कपड़े बनाने के लिए अनुसंधान किया जा रहा है। नैनोट्यूब, प्रभावी ढंग से गोली को शरीर में प्रवेश करने से रोकेंगे, हालांकि गोली की गतिज ऊर्जा से हड्डियों के टूटने और आंतरिक रक्तस्राव की संभावना रहेगी.
कार्बन नैनोट्यूब से बने एक फ्लाईव्हील को, एक निर्वात में एक अस्थायी चुंबकीय धुरी पर अत्यधिक उच्च वेग से घुमाया जा सकता है और संभवतः एक पारंपरिक जीवाश्म ईंधन की बराबरी वाले घनत्व पर ऊर्जा संग्रहित कर सकता है। चूंकि फ्लाईव्हील में बिजली के रूप में बहुत कुशलता से ऊर्जा जोड़ी और घटाई जा सकती है, इससे बिजली भंडारण का एक तरीका मिल सकता है, जिससे विद्युत ग्रिड अधिक कुशल और चर बिजली आपूर्तिकर्ता (जैसे पवन टर्बाइन) बन सकते हैं और ऊर्जा ज़रूरतों को पूरा करने में और अधिक उपयोगी हो सकते हैं। इस बात की व्यावहारिकता विशाल, अखंड नैनोट्यूब संरचनाओं के निर्माण की लागत और तनाव में उनकी असफलता दर पर काफी निर्भर करती है।
कार्बन नैनोट्यूब द्वारा रियोलोजिकल गुण भी बहुत प्रभावी ढंग से दिखाया जा सकता है।
नाइट्रोजन-युक्त कार्बन नैनोट्यूब प्लैटिनम उत्प्रेरक की जगह ले सकते हैं जिनका प्रयोग ईंधन सेल में ऑक्सीजन को कम करने में होता है। ऊर्ध्व संरेखित नैनोट्यूब का एक फ़ॉरेस्ट, क्षारीय घोल में ऑक्सीजन को प्लैटिनम की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से कम सकता है, जो 1960 के दशक के बाद से ऐसे अनुप्रयोगों में प्रयोग किया जाता रहा है। नैनोट्यूब से, कार्बन मोनोआक्साइड विषाक्तता के अधीन ना होने का अतिरिक्त लाभ है।