نانولوله‌های کربنی

كربن یكی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است و كاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه یكی از مهم‌ترین آلیاژهای مهندسی است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل می شود؛ با تغییر درصد كربن (به‌میزان تنها چندصدم درصد) می توان انواع فولاد را به دست آورد. «شیمی آلی» نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی «كربن» و «هیدروژن» می پردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر كربن پایه‌گذاری شده است.
كربن، به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود که همه این چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های كربن به صورت كاملاً منظم در كنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این ساختارها عبارتند از:
۱- گرافیت
۲- الماس
۳- نانولوله‌ها
۴- باكی‌بال‌ها (مانند C۶۰ در شکل زیر )
● گرافیت:
گرافیت یكی از مهم‌ترین ساختارهای كربن در طبیعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم كربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. این اتم های كربن به گونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند كه یك‌ شش ‌ضلعی منتظم را پدید می آورند و از مجموع آنها، صفحه ای به دست می آیدكه به عنوان یک « لایهٔ گرافیت» در نظر گرفته می‌شود.
اتم‌های كربن با پیوندهای كووالانسی ـ كه پیوندی قوی و محکم است ـ به یکدیگر متصل شده‌اند. لازم به ذكر است كه اتم های كربن به کار رفته در یک لایهٔ گرافیت نمی‌توانند با كربنی خارج از این لایه پیوند كووالانسی بدهند. بنابراین یک لایهٔ گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس ـ كه پیوندهایی ضعیف هستندـ به لایهٔ‌ زیرین متصل می شود. این مساله باعث می‌شود كه صفحه‌های گرافیت به‌راحتی روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب در «روغن‌كاری» و «روان‌كاری» استفاده می‌شود. علت نرمی سطوحی که با مداد روی آنها نوشته شده است نیز همین نکته می باشد.
● نانولوله‌ها
یك لایه گرافیت را در نظر بگیرید. اتم‌هایی را كه در یك ردیف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ كه نشان‌دهندهٔ مختصات یك نقطه در صفحه است ـ مكان‌یابی می‌كنیم. به طوری كه مختصات n، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به ردیف اتم‌ها باشد.
همان‌طور كه می‌دانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه، کافی است یك نقطه از صفحه را روی نقطه ی دیگر قرار دهیم. یك نانولوله مانند صفحهٔ گرافیتی است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند، انواع مختلفی از نانولوله ها را خواهیم داشت.
۱. نوع زیگزاگ
برای ساختن نوع زیگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده {(۰و۱) ، (۰و۲) و ... }، اتم انتهایی(۰و۵) را با خم کردن صفحه، بر روی اتم ابتدایی (۰و۰) انطباق می دهیم. برای اطمینان از درستی روش ساخت باید دقت کنیم که در آخر کار، در راستای افقی یک خط شکسته زیگزاگ به دور نانولوله ببینیم.
۲. نوع صندلی
در صورتی كه اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت ۴۵ درجه نسبت به آن قرار دارد، روی هم قرار بگیرند، نانولوله نوع صندلی به دست می آید. در این حالت می‌توانیم بین این دو اتم یك خط مستقیم رسم كنیم كه معادلهٔ آن «m=n» است. یعنی شمارهٔ ستون و ردیف هر یک از آنها با یکدیگر برابر است. در این حالت با یک بار گردش به دور نانولوله تعدادی صندلی پشت سر هم خواهیم دید.
۳. نوع نامتقارن
در این حالت نیز مشابه روش صندلی عمل می‌کنیم، با این تفاوت که در مختصات اتم انتهایی، m≠n خواهد بود. اگر یک بار افقی به دور نانولوله بچرخیم مجموعه‌ای از صندلی‌ها را می‌بینیم که نسبت به افق، به صورت مایل قرار گرفته‌اند.
برای ساختن مدلی از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافی است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ی انتهایی را بر نقطه ی ابتدایی منطبق نمایید.
این لوله هاا به علت آنکه دارای قطر چند نانومتری می باشند «نانولوله» نام گرفته اند. یعنی ما با اتصال دونقطه ی یك صفحهٔ گرافیتی به هم، لوله‌ای را به دست آورده‌ایم كه قطر فضای خالی داخلی آن چند میلیاردم یك متر است. (اگر طول یك متر را به یك میلیارد قسمت تقسیم كنیم، ضخامتی معادل یك نانومتر به دست می‌آید)
● خواص نانولوله‌ها
هریك از سه نوع نانولوله، به خاطر آرایش اتمی خاصی خود،‌ دارای خواصی می‌باشند كه در اینجا به چند ویژگی مشترك بین آنها اشاره می‌كنیم:
۱. خواص مكانیكی
نانولوله‌ها دارای پیوندهای محكمی در بین اتم‌هایشان می باشند وبه همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله ی کربنی چند برابر نیرویی است که برای شکستن یک قطعه فولاد ـ با ضخامتی معادل یک نانو لوله ـ احتیاج داریم.
اما جالب است که بدانیم پیوندهای بین اتمی در نانولوله‌ها علاوه بر ایجاداستحكام بالا، شكل‌پذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد! در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای كششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد.
در بررسی كاربرد نانولوله‌ها و به کار گیری خواص آنها ، می توانیم به استفاده از این ترکیبات به عنوان «رشته» در مواد مركب،اشاره كنیم؛ به چنین موادی «كامپوزیت» می‌گویند. ملموس‌ترین مثال كامپوزیت «کاه‌گِل» است. كاه‌گِل مخلوطی از «کاه» و «گِل» است که در آن، كاه به عنوان رشته‌هایی كه استحكام و انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به گل دارد، پراكنده شده است تا مانع از ترك‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمینه» می نامیم. نانولوله ها نیز چون استحكام و شكل‌پذیری خوبی دارند، ‌در مواد مركب با زمینه‌های فلزی، پلیمری و سرامیكی استفاده می‌شوند. اما مهم‌ترین فاكتوری که كه باعث برگزیدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزیت) شده است، وزن كم آن است ، در حالی که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفادهٔ چنین مواد مركبی می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
بدنهٔ هواپیما و هلیكوپتر، زه راكت‌های تنیس و ...
۲. خواص فیزیكی
مهم‌ترین خاصیت فیزیكی نانولوله‌ها،«هدایت الكتریكی» آنهاست. هدایت الكتریكی نانولوله‌ها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دسته‌ای به دستهٔ دیگر كاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جایگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتی كه یك الكترون (یا بار الكتریكی) وارد مجموعه ای از اتم ها می‌شود، ارتعاش اتم‌ها بیشتر شده و در اثر برخورد با یکدیگر بار الكتریكی وارد شده را انتقال می‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بیشتر باشد، هدایت الكتریكی آن دسته از نانولوله‌ها بیشتر خواهد بود. تقسیم بندی ابتدای متن بر اساس نظم اتمهای کربن در نانولوله و در نتیجه رسانایی آنها‌ انجام شده است؛ برای مثال نانولوله نوع صندلی ۱۰۰۰ بار از مس رساناتر است، در حالی که نوع زیگزاگ و نوع نامتقارن نیمه رسانا هستند. خاصیت نیمه رسانایی نانولوله ها بسته به نوع آنها تغییر می کند.
▪ خواص فوق‌العادهٔ نانولوله‌ها و روشهای پیچیده تولید آنها باعث شده است که قیمت هرگرم از این ماده حدود چندصد دلار باشد.

نویسنده: مهدی حبیب نژاد

منبع : باشگاه دانش‌آموزی نانو