ננו-צינורית פחמן

ננו-צינורית פחמן (Carbon nanotube או CNT) היא צינורית זעירה עשויה פחמן טהור, הנוצרת מאליה תוך כדי תהליכי ייצור תעשייתיים או נוצרת בידי אדם בייצור מלאכותי מכוון. רוחבה של הצינורית נמדד בננומטרים, ואורכה הטיפוסי יכול להגיע אף למילימטרים אחדים. קיימים שני סוגי צינורית: צינורית זעירה חד-מעטפתית (ٍSingle Wall Carbon Nanotube, SWCNT) וצינוריות זעירה רב-מעטפתית (Multiple Wall Carbon Nanotues, MWCNT). ננו-צינורית פחמן היא ננו-חומר כלומר מבנה חומרי יסודי זעיר ביותר המשמש בתעשיית הטכנולוגיה הזעירה (ננו-טכנולוגיה).

צינורית חד-מעטפתית יכולה להגיע לכל היותר לרוחב ננומטר בודד, כלומר מיליונית  המילימטר, או אחד חלקי חמישים-אלף מעוביה של שערה, ואם תהיה עבה מכך, הצינורית תקרוס או תיסתם. לעומת זאת צינורית רב-מעטפתית עשויה להגיע לרוחב של עשרות ננומטרים תוך שמירה על יציבותה ומעבר פתוח דרכה. צינוריות מסוג זה נוצרים תוך כדי תהליכים תעשייתיים. צילומי צינוריות כאלו נתגלו כבר בשנות החמישים אך פרצו לתודעה רק בשנת 1991.

אפשר לייצר בתהליך כימי ננו-צינוריות אנאורגנית שאינן מבוססות על פחמן, דוגמת טונגסטן וגופרית. אך היות שהצינוריות עשויות הפחמן הן הרווחות כיום הן בתעשייה והן במחקר, השם ננו-צינוריות ללא ציון החומר מהן עשויות מתייחס לרוב לצינוריות עשויות פחמן, וכך גם ראשי התיבות, SWNT צינורית זעירה חד-מעטפתית או MWNT לצינורית רב-מעטפתית, מתייחסים על פי רוב לצינוריות פחמן.

צינורית זעירה חד מעטפתית SWCNT 
השם "ננו צינורית פחמן", מתאר בדרך כלל מבנה צינורי בעל מעטפת יחידה (Single Wall Carbon Nanotube).

מבנה הצינורית החד מעטפתית 
צינורית זו מאטומי פחמן טהור עשויה גְרַפֶן - יריעת גרפיט מגולגלת לצורת גליל. ננו-צינורית היא אַלוטרופּ - חלופה מבנית מולקולרית בין הגרפן, לבין כלובי וכדוריות הפֿוּלֶרֶנים, שהם משפחת מבנים מולקולריים כדוריים העשויים אף הם פחמן טהור.

ניתן לתאר צינורית זו בקירוב טוב, כמקטע של יריעת סריג משושה מישורי דו-ממדי, המגולגלת לאורך אחד מקווי סימטריית סריגי בראבה שלה, ובכך יוצרת סליל של משושים המתחברים זה לזה במדויק, ומתקבל צינור חלול של יריעה המשכית ללא תפר.

חלק מהצינוריות סגורות בשני קצותיהן במבנה כיפתי בעל צורת חצי כדור.

צינורית זעירה רב מעטפתית 
קיימות צינוריות רב מעטפתיות העשויות צינור בתוך צינור, בדומה לטבעות העצים. כל צינור בפני עצמה עשויה כצינורית הזעירה החד-מעטפתית ובין מעטפת למעטפת קיימים קשרי ואן דר ואלס, המחזקות את המבנה הרב מעטפתי.

תכונות ושימושים
הצינוריות מפגינות חוזק יוצא דופן, תכונות חשמליות ייחודיות ומוליכות חום גבוהה. תכונות אלה הופכות אותן לבעלות פוטנציאל רב לשימוש בתחומים מגוונים כמו: ננוטכנולוגיה, אלקטרוניקה, אופטיקה והנדסת חומרים.

בשל המבנה שלהן, הן משמשות כקצה החוד של מיקרוסקופ מנהור סורק, על מנת להבטיח שלחוד לא יהיה יותר מקצה אחד.

חזק מיהלום 
ננו-צינוריות מורכבות מאטומי פחמן בלבד, הקשורים זה לזה בהכלאת מסלולי אלקטרון sp², חישוב היברדיזציה אורביטלית לפיו שלושת האלקטרונים מרמה 2 נמצאים במישור אחד, ובזווית של 120 מעלות, זה מזה, כלומר שליש עיגול, שהוא הזווית של משושה. מבנה זה יוצר קשר חזק במיוחד בדומה למבנה הקשרים בין הפחמנים בגרפיט, החזק יותר מהכלאת מסלולי sp³ המאפיינים יהלומים.

מבנה 
צינורית פחמן אידיאלית (בעלת אורך אינסופי) ניתן לתאר כסריג של משושים משוכללים על משטח גלילי ושהקודקודים בו הם אטומי פחמן. ייתכנו כמה קיפולים של הגרפן לצינורית
  "כורסא" (armchair) כאשר המסלול על היקף הגליל עובר 2 צעדים של 60° ימינה ואחר כך שני צעדים שמאלה לסירוגין כך שאלכסון המשושים מופנה לכיוון ההיקף.
"זיגזג" - כאשר המסלול על היקף בגליל עובר מקודקוד לקודקוד בזווית 60° ימינה ושמאלה לסירוגין. כלומר כאשר אלכסון המשושים פונה לכיוון ציר האורך של הצינורית

היסטוריה
צילומי ננו-צינוריות ראשונים הופיעו במאמר בעיתון סובייטי לכימיה פיזיקלית, בשנת 1952, מאת מדענים אשר פיענחו נכונה שמדובר בצינוריות חלולות עשויות פחמן ברוחב ננומטרים בודדים, אך בשעתו משמעות הגילוי וחשיבותו לא הוכרו על ידי חוקרים אחרים, והתופעה עצמה לא נחקרה, כפי הנראה עקב חשיפה נמוכה של מחקר סובייטי למערב בתקופת המלחמה הקרה.

בשנת 1976 זיהה מורינוֹבּוּ אֶנדוֹ מחברת CNRS צינורות חלולים זעירים, כגלילי גרפיט חד מעטפתיים, ופיתח תהליך לייצורם באמצעות שלב אידוי (VPCF - Vapor Phase Carbon Fiber). תהליך זה מכונה כיום על שמו תהליך אֶנדוֹ, אך סבורים שהתופעה המקורית שגילה הייתה דווקא צינוריות רב-מעטפתיים ולא חד-מעטפתיים. התהליך שהוא החל לפתח משמש באופן בסיסי, יחד עם שכלולים, לייצור המוני של צינוריות רב-מעטפתיות בימינו.

שלש שנים מאוחר יותר בשנת 1979, בשעת כנס הביאנלה הדו-שנתי ה-14 של אוניברסיטת פנסילבניה בעניין פחמן, הציג ג'ון אברמסון ראיות לקיומן של סיבי פחמן זעירים בצורת צינוריות, הנוצרות בעת "פריקת קשת" חשמלית. אברמסון אפיין את הצינוריות ושיער שניתן לייצרן בסביבת חנקן בלא צורך בלחץ גבוה.

בשנת 1981 צוות מדענים חוקרים סובייטיים פרסם תוצאות מחקר עם אפיון כימי ומבני של צינוריות פחמן, הנוצרים מחד תחמוצת הפחמן בתהליך תרמו-קטליטי פרופורציונלי, כלומר בחימום כמות מדויקת של החומר היסודי בסביבתו של חומרים מעוררים. הצינוריות הוצגו בתצלומי מיקרוסקופ אלקטרונים חודר TEM ובניתוח שבירת קרני רנטגן XRD. החוקרים תיארו צינוריות רב שכבתיות שהתגבשו על ידי גלגולם של שכבות גרפן זה על זה לגלילים. הם הציגו שתי אפשרויות למבנה המשושים בשכבות הגרפן: סידור גלילי מדורג הדומה לכורסה (ננוטיוב כורסה) וסידור סלילי מתפתל ספירלי (ננוטיוב כיראלי).

בשנת 1987, הווארד ג. טננט פרסם בעיתון קטליזת היפריון מארצות הברית פטנט אמריקאי לייצור "סיבי פחמן גלילי" בעלי "קוטר קבוע בין כ-3.5 ל 70 ננומטר. באורך 102 פעמים הקוטר, ואת האזור החיצוני של מספר רב של שכבות מתמשכות של אטומי פחמן מסודרים וליבה פנימית נפרדת ...".

הפרסום הגדול והפריצה הניכרת בתחום החלה עם פרסום המאמר הממצה של יימה (יש הרושמים איג'ימה) סומיו מחברת NEC בשנת 1991. במאמר תיאר את סוגי הצינוריות, את המבנה שלהם, ואת המגבלות והיכולות של כל סוג. למאמר הייתה חשיפה נרחבת, ובעקבותיו הגיע פרץ של מחקר, פיתוחים וחידושים נוספים, ומאמרי המשך. רבים ציטטו את סומיו כממציא השיטה ומגלה התופעה.

צמד חוקרים, ולדימיר קוזניצב ומרק מרטיו, התחקו אחר השתלשלות תולדות הגילויים והמחקרים בעניין הצינוריות הזעירים והעמידו דברים על דיוקם במאמר מערכת בכתב העת "פחמן" משנת 2006.

ראו גם 
 בורון ניטריד
 נייר באקי

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

פחמן
הנדסה כימית
ננוטכנולוגיה
משושים