ננו-צינורית פחמן

ננו-צינורית פחמן (באנגלית: Carbon nanotube, בראשי תיבות: CNT) היא ננו-צינורית עשויה פחמן טהור, המהווה מולקולה בודדת.

עובי הצינורית נמדד בננומטרים, ואורכה יכול להגיע אף למילימטרים אחדים, כלומר פי מיליון מעובייה. הצינורית מופיעה כתוצר לוואי של תהליכי ייצור תעשייתיים או נוצרת בידי אדם באופן מכוון. קיימים שני סוגי צינוריות: ננו-צינורית פחמן חד-מעטפתית (Single Wall Carbon Nanotube, SWCNT) וננו-צינורית פחמן רב-מעטפתית (Multiple Wall Carbon Nanotube, MWCNT). ננו-צינורית פחמן היא ננו-חומר, כלומר מבנה חומרי זעיר ביותר המשמש בתעשיית הטכנולוגיה הזעירה (ננוטכנולוגיה).

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

אפשר לייצר בתהליך כימי ננו-צינוריות אי-אורגניות שאינן מבוססות על פחמן, אלא על יסוד אחר כדוגמת טונגסטן וגופרית. אך מכיוון שהצינוריות עשויות הפחמן הן הרווחות כיום הן בתעשייה והן במחקר, השם "ננו-צינוריות" ללא ציון החומר ממנו הן עשויות מתייחס לרוב לצינוריות עשויות פחמן, וכך גם ראשי התיבות SWNT (ננו-צינורית חד-מעטפתית) ו-MWNT (ננו-צינורית 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 
בדומה לגְרַפֶן (יריעה בודדת של גרפיט) ולפֿוּלֶרֶן, הננו-צינורית מורכבת מאטומי פחמן בלבד, שיוצרים רשת של טבעות באמצעות הקשרים הכימיים ביניהם; ובדומה לגרפן ולגרפיט, כל הטבעות בננו-צינורית הן טבעות משושות. בעוד לגרפן צורה מישורית, ולפולרן צורה כדורית, הננו-צינורית היא אַלוטרופּ בעל צורה גלילית.

ניתן בקירוב טוב לתאר צינורית זו כמקטע של יריעת סריג משושה מישורי דו-ממדי, המגולגל לאורך אחד מקווי סימטריית סריגי בראבה שלו, ובכך יוצר 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 עצמו בנוי כמו הננו-צינורית החד-מעטפתית, ובין מעטפת למעטפת קיימים קשרי ואן דר ואלס, המחזקים 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.

 חוזק 
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, שהיא הזווית של משושה. מבנה זה יוצר קשר חזק במיוחד בדומה למבנה הקשרים בין הפחמנים בגרפיט, החזק יותר מהכלאת מסלולי sp³ המאפיינים יהלומים.

 מבנה 
ננו-צינורית פחמן אידיאלית (בעלת אורך אינסופי) ניתנת לתיאור כסריג של משושים משוכללים על משטח גלילי, שהקודקודים בו הם אטומי פחמן. ייתכנו כמה קיפולים של יריעת גרפן לצינורית:
 ממוזער|צינורית פחמן במבנה "כורסה" "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 הגליל עובר מקודקוד לקודקוד בזווית 60° ימינה ושמאלה לסירוגין, כלומר כאשר אלכסון המשושים פונה לכיוון ציר האורך של הצינורית.
ממוזער|צינורית פחמן במבנה זיגזג

היסטוריה
צילומי ננו-צינוריות ראשונים הופיעו במאמר בכתב עת סובייטי לכימיה פיזיקלית משנת 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 מהמרכז הלאומי למחקר מדעי בצרפת (CNRS) צינורות חלולים זעירים כגלילי גרפיט חד מעטפתיים, ופיתח תהליך לייצורם באמצעות פאזת אדים (VPCF - Vapor Phase Carbon Fiber). תהליך זה מכונה כיום על שמו תהליך אֶנדוֹ, אך סבורים שהתהליך המקורי שגילה הפיק דווקא צינוריות רב-מעטפתיות ולא חד-מעטפתיות. התהליך שהוא החל לפתח משמש באופן בסיסי, יחד עם שכלולים, לייצור המוני של צינוריות רב-מעטפתיות בימינו.

שלוש שנים מאוחר יותר, בשנת 1979, בכנס הדו-שנתי ה-14 של אוניברסיטת פנסילבניה בעניין פחמן, הציג ג'ון אברמסון ראיות לקיומם של סיבי פחמן זעירים בצורת צינוריות, הנוצרים בקשת חשמלית. אברמסון אפיין את הצינוריות ושיער שניתן לייצרן בסביבת חנקן בלא צורך בלחץ גבוה.

בשנת 1981 פרסם צוות חוקרים סובייטיים תוצאות מחקר עם אפיון כימי ומבני של צינוריות פחמן, הנוצרות מפחמן חד-חמצני בתהליך תרמו-קטליטי פרופורציונלי, כלומר בחימום כמות מדויקת של החומר היסודי בסביבה 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, רשם הווארד ג. טננט מחברת Hyperion Catalysis מארצות הברית פטנט אמריקאי לייצור "סיבי פחמן גלילי" בעלי "קוטר קבוע של 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 של  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 מחשיבים את איג'ימה לממציא השיטה ומגלה התופעה.

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

 ראו גם 
 בורון ניטריד
 נייר באקי

 קישורים חיצוניים 





הערות שוליים

קטגוריה:פחמן: אלוטרופים
קטגוריה:הנדסה כימית
קטגוריה:ננוטכנולוגיה
קטגוריה:משושים