شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی(2)
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمیآید، یک استوانهی تو خالی با قطری در حد نانومتر است. طول هر نانولوله میتواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولولهی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیوارهی آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتمهای کربن به نام گرافن به دست میآید. طول زیاد نانولوله نسبت به قطر، آبگریز بودن ساختار کربنی فضای خالی درون نانولوله آن را شبیه به چیزی مثل یک لوله یا کپسول می کند که می تواند برای ذخیره و انتقال داروها یا گازها و مایعات استفاده شود. حتی نانولوله می تواند آنقدر بلند باشد که از آن رشته های محکم رسانای الکتریسیته ساخته شود. خواص ارتجاعی نانولوله را نیز نباید رها کرد از این ساختار ساده یک رادیوی کوچک ساخته اند که در آن نانولوله تمام وظایف رادیو را به تنهایی انجام می دهد.
انواع نانولوله های کربنی
نانولوله‌ها به دو دسته تك جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) تقسیم می‌شوند، نانو لوله های تك جداره نیز بر حسب آرایش اتمهای كربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی (Armchair)یاآرمچیر و كایرال( chiral )یا نامتقارن كه دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ (Zigzag) كه خاصیت نیمه‌رسانایی دارد، تقسیم می‌شوند.
در ساختارهای زیگزاگ و دسته صندلی، ردیف های لانه زنبوری موجود در دیواره نانولوله، عمود بر محور نانولوله یا موازی با آن هستند. در ساختار کایرال، این ردیف ها زوایای متفاوتی با محور نانولوله می سازند. این ساختار را ساختار مارپیچ نیز می نامند.
اولین نانولوله های کربنی که ایجیما در سال 1991 مشاهده کرد، نانولوله های کربنی چند دیواره نامیده شد؛ هر کدام از آنها از تعدادی استوانه از اتم های کربنی که به شکل آنتنی در داخل هم قرار گرفته اند تشکیل شده اند. دو سال بعد، ایجیما و دونالد بثن همزمان بدون اطلاع از کار هم نانولوله های کربنی تک دیواره ای را ساختند که تنها یک لایه از اتم های کربن را در برداشت. هر دو نوع نانولوله ساخته شده به روش مشابهی ساخته شده و خیلی از خصوصیات آن ها مثل هم بود. بارزترین این خصوصیات باریک بودن و طول خیلی بلندشان بود. بیشتر نانولوله های تک دیواره قطری نزدیک به یک نانومتر دارند که طول آن ممکن است هزاران مرتبه بزرگتر از قطر لوله باشد.
نانولوله‌های كربنی تك جداره فقط از كربن و یك ساختارساده (ورقه‌ای از شش ضلعی‌های منظم) تشكیل شده‌اند. برخی پیش‌بینی‌ها حاكی از آن است كه تك جداره ها می‌توانند رسانا یا نیمه‌رسانا باشند. این هدایت الكتریكی بالا بستگی به هندسه دقیق اتمهای كربن دارد. از آغاز كار روی تك جداره ها از آن ها به عنوان یك پدیده تك بعدی نام برده می‌شد تا این كه این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت كرد. علت علاقه به این نانولوله‌های تك جداره و تلاش برای جایگزین كردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظری و تأثیرات آزمایشگاهی، بر خصوصیات عالی مكانیكی و رسانایی الكتریكی آن ها مانند فلزات می‌باشد. البته تولید نانو لوله های تك جداره دارای هزینه بالایی است و تولید به همراه پایدار كردن خصوصیات آن ها در حین فراوری پلیمر- نانولوله مشكل می‌باشد. هر چند نانولوله‌هایی كه با استفاده از تكنیك لانگهوری- بلاجت كه شامل حركاتی افقی و عمودی شبیه نقاشی سنتی ژاپن می‌باشد تولید شده‌اند، علاوه بر این كه ثابت نگه داشته می‌شوند- توسط ژلاتین و تشكیل نانوژل كربنی- از لحاظ نوری نیز یكدست و همگن و از لحاظ ساختاری قابل كنترل می‌باشند.
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمیآید، یک استوانهی تو خالی با قطری در حد نانومتر است. طول هر نانولوله میتواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد
بر عكس در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله‌های كربنی چند جداره باعث شده كه پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم تا حدی كه محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های كربنی چند جداره (جایگزین كربن بلك Carbon-black) در پودرهای رنگ استفاده شده است.
یكی از معایب نانولوله‌های چند جداره نسبت به تك جداره این است كه استحكام‌دهی آن ها كمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. اما از آنجا كه در حال حاضر كاربردهای نانولوله‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الكتریكی می‌شود تا بهبود خواص مكانیكی، كاربرد نانولوله‌های كربنی چند جداره بسیار زیاد می‌باشد. ازطرفی تكنیك‌های موجود نیز برای تولید نانولوله‌های تك جداره به اندازه كافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت‌آور است و در نهایت ممكن است به ساختار نانولوله صدمه نیز بزند.
خواص نانولوله‌ها
نانولولھ ھای کربنی دارای خواص منحصر بھ فردی ھستند کھ این خواص، آنھا در زمره بهترین مواد،جهت کاربردهای ویژه قرار می دهد.
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
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 استفادة چنین مواد مركبی می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
بدنة هواپیما و هلیكوپتر، زه راكت‌های تنیس و ...
خواص فیزیكی
مهم‌ترین خاصیت فیزیكی نانولوله‌ها،«هدایت الكتریكی» آنهاست. هدایت الكتریكی نانولوله‌ها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دسته‌ای به دستة 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 1000 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.
ادامه دارد...
مریم نایب زاده بخش دانش و زندگی تبیان
منبع: nanoclub-nanotech -nanocyl-nano- nanogloss
