نانولوله‌های کربنی

[v.m 2020]

نانولوله‌های کربنی

کربن یکی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است که به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود. همه این چهار شکل، جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این چهار ماده عبارتند از:گرافیت، الماس، نانولوله ها و باکی بال ها.
از ‌قرارگرفتن شش اتم کربن که به صورت شش ضلعی منتظم که با پیوند کوالانسی کنار هم قرار می گیرند، لایه های گرافیتی تشکیل می شوند که این لایه ها با لایه های زیرین خود با پیوند واندروالسی به هم وصل می شوند .علت نرمی گرافیت نیز همین موضوع است.
نانولوله ها در حقیقت لایه های گرافیتی هستند که از دو نفطه به هم وصل شده اند و بسته به نوع اتصالشان به چند دسته تقسیم می شوند:
1- صندلی
2- زیگزاگ
3- نامتقارن
نانولوله های کربنی علاوه بر اینکه استحکام بسیار بالایی دارند، از انعطاف و پیچش پذیری خوبی نیز برخوردارند.یکی از کاربردهای آن، کامپوزیت است. مهم ترین خاصیت نانولوله ها، هدایت الکتریکی آنهاست که بستگی به میزان نظم قرار گرفتن اتم ها، مقدار این پارامتر متغیر است.


مقدمه
کربن یکی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. به عنوان مثال فولاد ـ که یکی از مهم‌ترین آلیاژهای مهندسی است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل می شود؛ با تغییر درصد کربن (به‌میزان تنها چندصدم درصد) می توان انواع فولاد را به دست آورد. «شیمی آلی» نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی «کربن» و «هیدروژن» می پردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایه‌گذاری شده است.
کربن، به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود که همه این چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این ساختارها عبارتند از:
1- گرافیت
2- الماس
3- نانولوله‌ها
4- باکی‌بال‌ها (مانند C60 در شکل زیر)

شکل1

گرافیت
گرافیت یکی از مهم‌ترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم کربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. این اتم های کربن به گونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک‌ شش ‌ضلعی منتظم را پدید می آورند و از مجموع آنها، صفحه ای به دست می آید که به عنوان یک « لایه گرافیت» در نظر گرفته می‌شود.

اتم‌های کربن با پیوندهای کووالانسی ـ که پیوندی قوی و محکم است ـ به یکدیگر متصل شده‌اند. لازم به ذکر است که اتم های کربن به کار رفته در یک لایه گرافیت نمی‌توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کووالانسی بدهند. بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس ـ که پیوندهایی ضعیف هستندـ به لایه زیرین متصل می شود. این مساله باعث می‌شود که صفحه‌های گرافیت به‌راحتی روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب در «روغن‌کاری» و «روان‌کاری» استفاده می‌شود. علت نرمی سطوحی که با مداد روی آنها نوشته شده است نیز همین نکته می باشد.

نانولوله‌ها
یک لایه گرافیت را در نظر بگیرید. اتم‌هایی را که در یک ردیف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ که نشان‌دهنده مختصات یک نقطه در صفحه است ـ مکان‌یابی می‌کنیم. به طوری که مختصاتn، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به ردیف اتم‌ها باشد.
همان‌طور که می‌دانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه، کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطه ی دیگر قرار دهیم. یک نانولوله مانند صفحه 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.

شکل2

نوع زیگزاگ
برای ساختن نوع زیگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهایی(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روی اتم ابتدایی (0و0) 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.

شکل3

نوع صندلی
در صورتی که اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت 45 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 یک خط مستقیم رسم کنیم که معادله آن «m=n» است. یعنی شماره 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.

شکل4

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.

شکل5

این لوله ها به علت آنکه دارای قطر چند نانومتری می باشند «نانولوله» نام گرفته اند. یعنی ما با اتصال دونقطه ی یک صفحه گرافیتی به هم، لوله‌ای را به دست آورده‌ایم که قطر فضای خالی داخلی آن چند میلیاردم یک متر است (اگر طول یک متر را به یک میلیارد قسمت تقسیم کنیم، ضخامتی معادل یک نانومتر به دست می‌آید).

خواص نانولوله‌ها
هریک از سه نوع نانولوله، به خاطر آرایش اتمی خاصی خود،‌ دارای خواصی می‌باشند که در اینجا به چند ویژگی مشترک بین آنها اشاره می‌کنیم:
1- خواص مکانیکی
نانولوله‌ها دارای پیوندهای محکمی 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 ایجاداستحکام بالا، شکل‌پذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد! در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد.

در بررسی کاربرد نانولوله‌ها و به کار گیری خواص آنها ، می توانیم به استفاده از این ترکیبات به عنوان «رشته» در مواد مرکب، اشاره کنیم؛ به چنین موادی «کامپوزیت» می‌گویند. ملموس‌ترین مثال کامپوزیت «کاه‌گِل» است. کاه‌گِل مخلوطی از «کاه» و «گِل» است که در آن، کاه به عنوان رشته‌هایی که استحکام و انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به گل دارد، پراکنده شده است تا مانع از ترک‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمینه» می نامیم. نانولوله ها نیز چون استحکام و شکل‌پذیری خوبی دارند، ‌در مواد مرکب با زمینه‌های فلزی، پلیمری و سرامیکی استفاده می‌شوند. اما مهم‌ترین فاکتوری که که باعث برگزیدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مرکب (کامپوزیت) شده است، وزن کم آن است، در حالی که استحکام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفاده چنین مواد مرکبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بدنه هواپیما و هلیکوپتر، زه راکت‌های تنیس و ...

2- خواص فیزیکی
مهم‌ترین خاصیت فیزیکی نانولوله‌ها،«هدایت الکتریکی» آنهاست. هدایت الکتریکی نانولوله‌ها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دسته‌ای به دسته دیگر کاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جایگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتی که یک الکترون (یا بار الکتریکی) وارد مجموعه ای از اتم ها می‌شود، ارتعاش اتم‌ها بیشتر شده و در اثر برخورد با یکدیگر بار الکتریکی وارد شده را انتقال می‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بیشتر باشد، هدایت الکتریکی 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.

* خواص فوق‌العاده نانولوله‌ها و روشهای پیچیده تولید آنها باعث شده است که قیمت هرگرم از این ماده حدود چندصد دلار باشد.