اتم های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی شرکت دارند. ظرفیت این عنصر 4 است و با اتم های مشابه خود نیز می تواند پیوند یابد. در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده میشود و بنابراین خواص گوناگونی نیز ایجاد میکند.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد میگذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها، از جمله ی این پارامترهاست.
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتمهای کربن تشکیل میشوند. در آن هر اتم کربن با سه کربن دیگر تشکیل پیوند کوالانسی می دهد و شبکه ای از شش ضلعی های منتظم را به وجود می آورد. به همین دلیل صفحات گرافن از استحکام بالایی یرخوردار است. نانولوله های کربنی، صفحات گرافنی هستند که به صورت لوله ای شکل در ابعاد نانومتر درست شده باشند. صفحات گرافیت نیز از اتصال چندین صفحه گرافن توسط پیوند واندروالس به وجود می آید.علت نرمی گرافیت همین پیوند های واندروالس است. گرافن، به عنوان یک لایهی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است.
برای توصیف نانولولههای کربنی، ما به یک صفحه ی دو بعدی متشکل از ششضلعی های منتظم احتیاج داریم (صفحهی مختصات گرافنی).در این صفحهیِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکهی هم اندازه و زاویه ی بین این دو را 60 درجه تعریف می کنیم. برای حرکت روی این صفحه میتوانیم، بردار C=mi+nj را تعریف نماییم.
همچنین می توانیم زاویه ی بین بردار کایرال و محور i را به عنوان زاویه ی کایرال که مشخصه ی راستای بردار کایرال است، درنظر بگیریم.
مقدمه
همانطور که میدانید، اتمهای کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت دارند و پایه و اساس فناوریهای مختلفی هستند. این اتمها علاوه بر ترکیب شدن با عناصر دیگر، میتوانند با اتمهای کربن نیز پیوند دهند. اتمهای کربن از نظر ترتیب پر شدن اوربیتالها، دارای ساختار الکترونی 1s22s22p2 هستند. بنابراین چهار الکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتمها مهیا میسازد. پیوندهایی که این اتمها تشکیل میدهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده میشود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد میکند. این اتمها در ساختار الماس چهار پیوند یگانهی کوالانس ایجاد میکنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند میدهد. بنابراین از تمام 4 ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. در ساختار گرافیت، نانولوله و فولرن نیز پیوندهای یگانهای بین اتمهای کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند میدهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها اتم کربن یکی از ظرفیتهای خود را مصرف نمیکند. این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است، به شکل یک پیوند آزاد در خارج از صفحهای که دیگر اتمها در آن قرار دارند، قرار میگیرد. این پیوند آزاد یا معلق میتواند در شرایطی با گروههای عاملی یا دیگر اتمهای رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد میگذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولوله های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوهی چینش اتمها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره ها، نقص های ساختاری و گروه های عاملی موجود بر روی نانولوله از جمله خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص نقش دارند. در این مقاله و مقالهی بعدی به نحوهی چینش اتمها در نانولوله های کربنی میپردازیم. برای این منظور نانولوله های کربنی را بر اساس ظاهر فیزیکی دسته بندی میکنیم. این قبیل دسته بندیها، موجب سهولت بررسی این مواد میگردد.
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمیآید، یک استوانه ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است. طول هر نانولوله میتواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله ی 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. در این مقاله برای بررسی شکل ظاهری نانولوله ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز میکنیم.
گرافن
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتمهای کربن تشکیل میشوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با 120° است. در این حالت، اتمهای کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکهای از شش ضلعیهای منتظم را ایجاد میکنند (شکل 1). البته این ایده آلترین حالت یک صفحهی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونهای تغییر میکند که در آن پنجضلعی ها و هفتضلعی هایی نیز ایجاد میشود.
شکل 1- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتمهای کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده اند.
در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروههای عاملی و هم چنین اتمهای هیدروژن است. پیوند بین اتمهای کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار میرود که نانولوله های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک مادهی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه های گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل میشود. اما همانطور که میدانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟
آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه میدارد، پیوندهای واندروالس بین آنهاست. این پیوند بسیار ضعیف است. بنابراین لایه های گرافن به راحتی میتوانند روی هم بلغزند و به همین دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
گرافن، به عنوان یک لایهی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولوله های کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آنها بستگی دارد که در آینده به آن اشاره خواهیم کرد.
صفحه ی مختصات گرافنی:
صفحه ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را میشناسید. این صفحه، شبکه ای است که از مربعهایی با طول و عرض واحد تشکیل شده است. در این صفحه دو بردار یکهی i و j هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آنها میتوان از نقطه ی مبدا به هر نقطهی دیگری مثل (nوm) رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل k=mi+nj امکان پذیر میگردد.
شکل 2- صفحه ی مختصات دکارتی؛ بردارهای یکهی i و j هم اندازه و بر یکدیگر عمود هستند.
دستگاه مختصات کارتزین، یک دستگاه دو بعدی است که در آن دو بردار یکه ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاههای مختصات به این شکل نیستند. بلکه میتوان دستگاه هایی را تعریف کرد که در آن اندازهی بردارهای یکه نابرابر و زاویه ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه ی مختصات گرافنی. برای توصیف نانولوله های کربنی ما به یک صفحه ی دو بعدی متشکل از ششضلعیهای منتظم احتیاج داریم (صفحهی مختصات گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتمهای کربن (به ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.
در این صفحه یِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکهی هم اندازه ی i و j را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، تعریف میکنیم. زاویهی بین این دو بردار برابر با 60° است. برای حرکت روی این صفحه میتوانیم بردار C=mi+nj را تعریف نماییم. این بردار را بردار کایرال مینامیم (بعدها میگوییم که چگونه میتوانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کردهایم.
شکل 3- بردارهای یکه ی i و j در صفحه ی مختصات گرافنی
شکل 4- بردارهای کایرال c=4i+2j و c=i+3j در صفحه ی مختصات گرافنی
همچنین میتوانیم زاویه ی بین بردار کایرال و محور متناظر با بردار یکه ی i را به عنوان زاویه کایرال که مشخصه ی راستای بردار کایرال است در نظر بگیریم. این زاویه در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که در آینده خواهیم دید، این زاویه یکی از مشخصه های نانولوله های کربنی میباشد.
شکل 5- زاویه ی کایرال بین بردار c=4i+3j و محور مربوط به بردار یکه ی i
علاقه مندی ها (Bookmarks)