نانو لوله های کربنی چیست؟ - ایران گرافن

نانو لوله های کربنی (CNTs) مولکول‌های استوانه‌ای هستند که از ورقه‌های رول‌شده اتم‌های کربن تک لایه (گرافن) تشکیل شده‌اند. آنها می توانند تک جداره (SWCNT) با قطر کمتر از 1 نانومتر (nm) یا چند جداره (MWCNT)، متشکل از چندین نانولوله به هم پیوسته متحدالمرکز، با قطرهای بیش از 100 نانومتر باشند. طول آن ها می تواند به چند میکرومتر یا حتی میلی متر برسد. مانند گرافن بلوک سازنده آن ها از کربن است. CNT ها از نظر شیمیایی با پیوندهای sp2 پیوند خورده اند و شکلی بسیار قوی از تعامل مولکولی ایجاد کردند.

این ویژگی همراه با تمایل طبیعی نانولوله های کربنی به ایجاد لوله با هم از طریق نیروهای واندروالس، فرصتی را برای توسعه مواد بسیار با استحکام و وزن کم که دارای خواص الکتریکی و حرارتی بسیار رسانا هستند، فراهم می‌کند. این باعث می شود آن ها برای کاربردهای متعدد بسیار جذاب باشند.

آلوتروپ های کربن

کربن چهارمین عنصر فراوان در جهان است و بسته به آرایش اتم‌های کربن، شکل‌های متنوعی به خود می‌گیرد که آلوتروپ نامیده می‌شوند. آلوتروپ های کربن خواص منحصر به فردی از قدرت و هدایت الکتریکی را نشان می دهند.

کربن جامد در دمای اتاق دارای دو ساختار کلاسیک است: الماس و گرافیت. در سال 1985، کشف وجود آلوتروپ سوم و جدید کربن دارای شصت اتم کربن کاملاً متقارن (همچنین به عنوان C60، فولرن یا باکی‌بال شناخته می‌شود) به معنای پیشرفت بزرگی بود و زمینه جدیدی از نانوشیمی کربن را باز کرد. سپس در سال 1991 نانو لوله های کربنی و گرافن در سال 2004 کشف شدند.

خواص الکتریکی نانو لوله های کربنی

جهت چرخش (غلت خوردن یا بردار کایرال) لایه‌های گرافن، خواص الکتریکی نانو لوله های کربنی را تعیین می‌کند. Chirality زاویه شبکه شش ضلعی اتم کربن نانولوله را توصیف می کند.

نانو لوله های کربنی دسته دار که به دلیل شکل صندلی‌مانند لبه‌هایشان به این نام خوانده می‌شود، دارای شاخص‌های کایرال یکسانی هستند و به دلیل رسانایی کامل بسیار مورد نیاز هستند. آن ها بر خلاف نانو لوله های زیگزاگی هستند که ممکن است نیمه هادی باشند. چرخاندن یک ورق گرافن فقط به اندازه 30 درجه، نانولوله ای را تشکیل می دهد که از شکل صندلی به زیگزاگ یا برعکس تغییر می دهد.

در حالی که MWCNT ها همیشه رسانا هستند و حداقل به همان سطح رسانایی فلزات می رسند، رسانایی SWCNT ها به بردار کایرال آن ها بستگی دارد: آن ها می توانند مانند یک فلز رفتار کنند و رسانای الکتریکی باشند؛ ویژگی های یک نیمه هادی را نشان دهند؛ یا غیر هدایت کننده باشد. به عنوان مثال، یک تغییر جزئی در گام پیچ می تواند نانو لوله های کربنی را از یک فلز به یک نیمه هادی با شکاف بزرگ تبدیل کند.

خواص نانو لوله های کربنی

نانو لوله های کربنی جدا از خواص الکتریکی خود که از گرافن به ارث می‌برند، CNTها همچنین دارای خواص حرارتی و مکانیکی منحصربه‌فردی هستند که آن ها را برای توسعه مواد جدید جذاب می‌کند:

1.استحکام کششی مکانیکی آن ها می تواند 400 برابر فولاد باشد.

2.آن ها بسیار سبک وزن هستند چگالی آن ها یک ششم چگالی فولاد است.

3.هدایت حرارتی آن ها بهتر از الماس است.

4.آن ها نسبت مساحت بسیار بالایی (بیش از 1000) دارند، یعنی نسبت به طول آن ها بسیار نازک هستند.

5.یک ناحیه سطح نوک نزدیک به حد تئوری (هرچه سطح نوک کوچکتر باشد، میدان الکتریکی متمرکزتر و ضریب افزایش میدان بیشتر است).

7. آن ها درست مانند گرافیت، از نظر شیمیایی بسیار پایدار هستند، خاصیتی که آن ها را در برابر خوردگی بسیار مقاوم می کند و تقریباً در برابر هر گونه تماس شیمیایی مقاومت می کنند، مگر اینکه همزمان در معرض دمای بالا و اکسیژن قرار گیرند.

8.فضای داخلی توخالی آن ها را می توان با نانومواد مختلف پر کرد و آن ها را از محیط اطراف جدا و محافظت کرد؛ که برای کاربردهای نانوپزشکی مانند دارورسانی بسیار مفید است.

همه این ویژگی‌ها نانو لوله‌های کربنی را کاندیدای ایده‌آل برای دستگاه‌های الکترونیکی، حسگرهای شیمیایی/الکتروشیمیایی و زیستی، ترانزیستورها، ساطع‌کننده‌های میدان الکترونی، باتری‌های لیتیوم یونی، منابع نور سفید، سلول‌های ذخیره هیدروژن، لوله‌های پرتو کاتدی (CRTs)، تخلیه الکترواستاتیکی(ESD)  و کاربردهای محافظ الکتریکی می کند.

نانو لوله های کربنی چگونه ساخته می شوند؟

در حال حاضر سه روش اصلی برای تولید نانو لوله های کربنی موجود است: تخلیه قوس، فرسایش لیزری گرافیت، و رسوب بخار شیمیایی (CVD). که در ادامه به هریک از آن ها اشاره شده است:

1. تخلیه قوس: در این روش یک قوس الکتریکی با جریان بالا بین دو الکترود گرافیتی در یک اتمسفر گاز بی اثر مانند هلیوم ایجاد می شود. گرمای تولید شده توسط قوس باعث تبخیر و فراریت الکترودهای گرافیتی می شود که منجر به تشکیل CNTها می شود. نانو لوله های کربنی روی قسمت های خنک تر دیواره های راکتور یا روی بستری که در راکتور قرار داده شده است، جمع آوری می شوند.
2. فرسایش لیزری گرافیت: این روش شامل استفاده از لیزر برای تبخیر و از بین بردن یک هدف گرافیتی است که منجر به تشکیل CNTها می شود. هدف گرافیتی در یک محفظه واکنش پر از گاز بی اثر مانند آرگون یا هلیوم قرار می گیرد تا از اکسیداسیون در طول فرآیند جلوگیری شود. پرتو لیزر بر روی هدف گرافیت متمرکز شده و باعث گرم شدن و تبخیر سریع می شود. با تبخیر هدف گرافیت، اتم های کربن در فاز گاز آزاد می شوند.
   • سپس این اتم های کربن تحت هسته زایی قرار می گیرند و نانو ذرات کوچکی را تشکیل می دهند. نانو ذرات به عنوان کاتالیزور برای رشد CNT عمل می کنند. تحت شرایط دما و فشار خاص در محفظه واکنش، اتم های کربن از فاز بخار توسط این ذرات جذب شده و شروع به رشد عمودی به نانو لوله های کربنی می کنند. نانو لوله های کربنی تشکیل شده با استفاده از روش های مختلفی مانند فیلتراسیون یا سانتریفیوژ جمع آوری می شوند.
3. رسوب شیمیایی بخار (CVD): در این روش، یک گاز حاوی کربن، مانند متان یا اتیلن، به همراه یک ماده کاتالیزور، معمولا فلزات واسطه مانند آهن، کبالت، یا نیکل به راکتور وارد می شود. راکتور تا دمای بالا (معمولا در حدود 600 – 900 درجه سانتیگراد) گرم می شود و در عین حال جریان گاز کنترل شده را حفظ می کند. اتم های کربن از گاز تجزیه می شوند و روی سطح کاتالیزور رسوب می کنند و نانو لوله های کربنی را تشکیل می دهند. ذرات کاتالیزور به عنوان دانه برای رشد CNTها عمل می کنند و نانو لوله های کربنی به صورت عمودی از این ذرات کاتالیزور رشد می کنند. CNT را می توان بر روی یک بستر یا به عنوان یک ساختار توده مانند جمع آوری کرد.

هر سه روش تخلیه قوس، فرسایش لیزری گرافیت و CVD می توانند نانو لوله های کربنی تک جداره (SWCNT) یا نانو لوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) را تولید کنند که این بستگی به شرایط و پارامترهای مورد استفاده در طول فرآیند سنتز دارد.

منبع:

https://www.physics.purdue.edu/quantum/files/CarbonNano/cntpt.pdf

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X03001268