نانو ساختارهای کربنی
قبل از هرچیزی بهتر است به تفسیر گرافن که یکی از صورتهای مهم کربن است بپردازیم.
گرافن چیست؟
فرم های مختلف کربنی وجود دارند که می توانند از نظر ساختار و خصوصیات بسیار متفاوت باشند. ساختارهای گرافن به عنوان یکی از اصلی ترین فرم های کربن معرفی شده اند. گرافن پایه بسیاری ترکیب های دیگر نظیر فولرن به عنوان یک نانو ماده صفر بعدی، نانو لوله های کربنی به عنوان نانو ماده یک بعدی و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی است.
می دانیم که اتم کربن دارای چهار الکترون در لایه ظرفیت خود می باشد که این چهار الکترون آزاد امکان تشکیل پیوند با اتم های دیگر را برقرار می کنند مثلا در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند کووالانسی ایجاد می کنند یعنی هر چهار الکترون کربن در تشکیل پیوند شرکت کرده اند، در ساختار گرافیت، نانولوله، فولرن و گرافن نیز پیوندهای یگانه ای بین اتم های کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها اتم کربن یکی از ظرفیت های خود را مصرف نمی کند.
این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است، می تواند به صورت خارج از صفحه ای با دیگر اتم ها تشکیل پیوند دهد. در ساختار گرافن هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند کووالانسی برقرار می کند که این سه پیوند در صفحه بوده و بسیار مستحکم می باشد که اتم ها با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند، یک اوربیتال در خارج از صفحه باقی مانده، برای ایجاد پیوند واندروالسی بین صفحات است در این حالت، اتم های کربن در وضعیتی قرار می گیرند که شبکه ای از شش ضلعی های منظم را در حالت ایده آل ایجاد می کنند، به دلیل پیوندهای کووالانسی در یک صفحه ساختار گرافن مستحکم می باشد و انتظار می رود که نانو لوله های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند.
گرافیت نیز که یک ماده کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه های گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل می شود، همان طور که می دانیم، گرافیت بسیار نرم است. آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آن ها است. این پیوند بسیار ضعیف است. بنابراین لایه های گرافن به راحتی می توانند روی هم بلغزند و به همین دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
نانو لوله های کربنی، صفحات گرافنی هستند که به صورت لوله ای شکل در ابعاد نانومتر درست شده باشند. یک نانولوله، همان طور که از نامش برمی آید، یک استوانه ی تو خالی با قطری در حد نانومتر تا چند میکرومتر است. این ساختار ها به دیل خصوصیات منحصر به فرد در زمینه های بسیار متنوعی مورد توجه قرار گرفته اند در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد می گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانو مواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از این قبیل پارامترها هستند.
نانو لوله های کربنی می توانند مانند فلزات یا نیمه رسانه ها عمل کنند و با توجه به ساختار، قطر و چرخش خواص فلزی یا نیمه رسانا داشته باشند مهم این که الکترون ها بسته به نحوه آرایش نانو لوله های کربنی به طور متفاوتی در طول نانو لوله حرکت می کنند که باعث ایجاد خصوصیات نیمه رسانا یا فلزی در این مواد می شود. اندازه کوچک، سبک بودن، استحکام بالا و هدایت الکتریکی عالی مواردی است که باعث شده از نانو لوله های کربنی به طور گسترده در تقویت مواد، صفحه نمایش مسطح با انتشار میدانی، حسگرهای شیمیایی، دارو رسانی و علم نانو الکترونیک استفاده گردد.
