نانو تیوپهای كربنی و روشهای ساخت آنها

یكی از اكتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology , كشف Nanotube است نانو تیوبها صفحاتی از اتمهای كربن هستند كه درون قسمتی غلطك مانند حركت می كنند ودر ظاهر شبیه توریهای سیمی هستند كه بر روی یك سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد

● نانو تیوپهای (نانو تیوب) كربنی:

یكی از اكتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology ، كشف Nanotube است .نانو تیوبها صفحاتی از اتمهای كربن هستند كه درون قسمتی غلطك مانند حركت می كنند ودر ظاهر شبیه توریهای سیمی هستند كه بر روی یك سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد. Carbon Nanotube لوله كربنی تو خالی است .

نانو تیوب های كربنی از منابع كربنی مانند گرافیت یا گازهای هیدروكربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الكتریكی ، TCVD و Laserr ablation ساخته می شوند . این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد (۷۰۰-۱۰۰۰ m۲/gr) ، استحكام زیاد (حدودا ۵۰ برابر فولاد) و خصوصیات الكتریكی و الكترونیكی استثنایی موارد كاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه كاتالیست ، تقویت مكانیكی پلیمرها و كمپوزیت ها و ساخت قطعات الكترونیكی دارند .آنها ۱۰ برابر از فولاد محكمتر ند در حالیكه وزنشان یك ششم وزن فولاد است.

این امتیاز باعث شده است كه آنها اولین انتخاب برای ساختن پلها، هواپیماها وحتی سفینه های فضایی باشند. تنها مشكل این است كه بزرگترین نانو تیوبی كه در آزمایشگاه ساخته می شود تنها چند میلینتر است. اما این مسئله باعث شده كه درمورد ماشینهای كوچك ، نانو تیوب ها ی كربنی ایده آل باشند.

یكی از مشكلاتی كه بر كیفیت ابزار MEMSتاثیر منفی می گذارد ساییدگی قسمتهای بسیار كوچك آنهاست كه در هر ثانیه هزاران بار اتفاق می افتد. اما در یاتاقانهای ساخته شده از نانو تیوبها تقریبا هیچ گونه اصطحكاكی وجود ندارد.وامتیازمهم این است كه نانو تیوبها در هر دو حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واین ویژگی موجب استفاده آنها در وسایل مختلف الكتریكی شده است. نانو تیوبها دو نوع هستند : نانو تیوبهای چند دیواره ای و تك دیواره ای كه به ترتیب در سال ۱۹۹۱ و ۱۹۹۳ كشف شدند.

نوع چند دیواره ای از الیاف گرافیتی ساخته می شود در حالی كه نانو تیوبهای تك دیواره ای از الیاف فولرن كشیده شده تشكیل شده اند . از زمان كشف این مواد كاربرد های مختلفی پیشنهاد شده است كه از آن جمله می توان استفاده از نوع چند دیواره ای را در نوك ای . اف . ام حامل و در مورد نوع تك دیواره به منظور استفاده در وسایل الكترونیكی یا به عنوان محیط مناسب جهت ذخیره هیدروژن اشاره نمود .

نانو تیوبهای تك دیواره از دیواره های استوانه ای گرافن به قطر ۱ تا ۲ نانومتر تشكیل شده است . نوع چند دیواره ای ,دیواره های ضخیم تری دارد و از چندین استوانه هم محور گرافن كه با فاصله ۳۴ نانومتر (در حد فاصله لایه های گرافیت) از هم جدا شده اند ,تشكیل گردیده است . قطر خارجی نانو تیوب چند دیواره ای ۲ تا ۲۵ نانومتر و سوراخ داخلی آن در محدوده ۱ تا ۸ نانومتر قرار دارد و ما بین لایه های منفرد گرافیت هیچگونه نظم سه بعدی وجود ندارد . طول متوسط نانو تیوب می تواند چندین میكرون باشد .

اولین بار نانو تیوبها در سال ۱۹۹۱ توسط «سومیو ایجیما» و به صورت کاملا اتفاقی در هنگام مطالعه سطوح الکترودهای کربن در هنگام تخلیه قوس الکتریکی کشف شد.

● دامنه کاربرد:

محاسبات اولیه نشان داده اند كه نانو تیوبها بسته به هلیسیتی و قطرشان می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشد . دو سر تیوب حالت فلزی از خود نشان می دهند .نانو تیوب در عین استحكام بالا بسیار انعطاف پذیر است .

اكثر كاربرد ها بر اساس ساختار الكترونیكی ,استحكام مكانیكی ,انعطاف پذیری و ابعاد نانو تیوب پیشنهاد شده است . كاربرد الكترونیكی بر پایه نانو تیوب تك دیواره ای است در حالی كه در مورد سایر كاربردها تفاوتی میان نوع چند دیواره ای و تك دیواره ای وجود ندارد . كاربرد نانو تیوب به عنوان وسایل الكترونیكی كوچك مورد توجه بیشتری قرار گرفته است . به عنوان مثال نوع تك دیواره ای كه بین دو الكترود فلزی قرار داده شده , مشابه وسایل نیمه رسانای مرسوم است و عملكرد آن در حد وسایل موجود برآورد شده است (عملكرد از لحاظ سوییچینگ). نانو تیوبها می توانند به دلیل استحكام و انعطاف پذیری در ساختمان مواد به كار روند و موادی با خواص بهتر را ایجاد كنند .

● مشخصات :

ساختار تو خالی نانو تیوب سبك بودن آن را به دنبال دارد . چگالی نوع چند دیواره ای ۸/۱ و نوع تك دیواره ای ۸/۰ است . استحكام ویژه آنها حداقل ۱۰۰ برابر فولاد است . نانو تیوبها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالای برخوردارند . اكسایش نانو تیوب از دو سر تیوب آغاز می شود . این عمل باعث باز شدن تیوب خواهد شد . انتقال الكترون در نانو تیوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شدیدا رسانا هستند. رسانایی گرمایی آنها در جهت محوری نیز بالا است .

نانو تیوبها از لحاظ كاتالیزوری فعال می باشند. نانو تیوبها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند . از نانو تیوبهای چند دیواره ای به عنوان الكترود در واكنشهای بیوالكترو شیمیایی استفاده شده است . نانو تیوبها می توانند واكنشهای احیای اكسیژن را كاتالیز كنند. سرعت انتقال الكترون در نانو تیوب بیشتر از الكترودهای كربنی است . ذخیره هیدروژن در داخل حفره های نانو تیوبهای تك دیواره ای امكان پذیر خواهد بود .

● روشهای تولید نانو تیوب كربنی:

در سال ۱۹۹۱ توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما كه متخصص میكروسكوپ آزمایشگاه NECبود ،آزمایشی به وقوع پیوست كه تا به حال سهم به سرتئی در توسعه نانو تكنولوژی داشته است. وی كه به دستكاری وتغییر روش های ارائه شده توسط محققین موسسه ی فیزیك هسته ای ماكس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الكترد گرافیت را به جای اتصال در فاصله كمی از یكدیگر قرار داد وبین آنها قوس الكتریكی برقرار كرد. این آزمایش سبب شد كه وی به طور كاملا اتفاقی نانو تیوب های كربنی را كشف كند. اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به دلیل خواص مكانیكی والكتریكی جالب ومتنوع آنها ست .پیش بینی می شود كه این مواد بتوانند در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به كار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تیوب كربن وجود دارد،كه از بقیه اشكال آن تا حدودی متمایز است:

۱) نانو لوله تك جداره Single Wall

۲) نانو لوله چند جداره Multi Wall

این دو مورد وخصوصا نوع تك جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به خود جلب كرده است.نانو لوله تك جداره از یك ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به وجود آمده كه دو سر آن به حالت كروی مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده كه درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب كربنی تك جداره ،سه روش از اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از :

▪ روش قوس الكتریكی:

روش قوس الكتریكی همان روشی است كه توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به كار برده شد،بااین وجود مقدار محصول به وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست آورد.و به همین دلیل پیش بینی میشود كه در آـینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به كار رود.

در روش قوس الكتریكی از دو الكترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله كمی از یكدیگر قرار می دهند به خاطر اینكه خلوص بدست آمده در روش ایجیمیا بسیار پاییین بود Journet وهمكار انش در سال ۱۹۹۷ به دستكاری متد بكار رفته توسط ایجما پرداختند وبا بهینه كردن پارامتر های تولید توانستند نانو لوله های تك دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .

آنها از آند گرافیتی با قطر ۱۶ وطول ۴۰ میلی متر وهمچنین الكترود دیگری با قطر ۱۶ وطول ۱۰۰ میل متر به عنوان كاتد استفاده كردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله Single Wall میان اند كاتالیست Ni,Yپرگردید. عمود بودن یا در امتداد هم قرار داشتن كاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد.

برای اجرای قوس الكتریكی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا كرده وسپس در فشاری پایین (معمولا بین ۲۶۰ تا ۳۶۰ torr) از هلیوم ویا آرگون كه گازهای بی اثر هستند پر كنیم .یكی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الكتریكی پایداری قوس الكتریكی اعمال شده ونیز مقدار شدت جریان وولتاژ است كه می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.

در صورتی كه محصول مورد نظر نانو تیوب های Multi Wallباشد دیگر اجباری در استفاده از كاتالیزگرها نداریم با اینكه محصول به دست آمده توسط روس قوس الكتریكی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار كم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شودف زیرا مقدارمحصول برای یك كار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلكه آنچه مهم است خلوص محصول وكامل بودن ساختار آن است .

كه روش قوس الكتریكی تا حد زیادی این مشكل را بر طرف میكند واما مشكل دیگردر روش قوس الكتریكی تكنیك خلا است كه در بسیاری از آزمایشگاههای سطح پایین امكان آن وجود ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون كه هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده است ولی این مورد تالثیر چندانی نداشته ومشكل بوجود آمده دیگر امكان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است.

---