تفاوت گرافن و نانولوله های کربنی - ایران گرافن

در این قسمت به تفاوت میان گرافن و نانولوله های کربنی خواهیم پرداخت:

گرافن

گرافن یک صفحه دو بعدی از اتم های کربن است که در یک صفحه شش ضلعی قرار گرفته اند. این نازک ترین ماده ای است که وجود دارد و دارای خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی استثنایی است. گرافن رسانای خوبی برای الکتریسته و گرما است و همچنین بسیار قوی، انعطاف پذیر و شفاف است.

ویژگی‌های گرافن، آن را به ماده‌ای جذاب برای محققان و توسعه‌دهندگان تبدیل می‌کند که در سرتاسر جهان سخت تلاش می‌کنند تا کاربردهای بی‌پایانی برای این ماده بیابند. قطعات گرافن بسیار گسترده است و کاربردهای آن عبارت اند از: صفحه نمایش لمسی (برای نمایشگرهای LCD یا (OLED، تراشه های کامپیوتر، باتری های تولید انرژی، ابرخازن ها، تجهیزات پزشکی، فیلترهای آب، سلول های خورشیدی و غیره.

نانو لوله های کربنی

نانو لوله های کربنی ساختارهای استوانه ای هستند که از اتم های کربن ساخته شده اند. بسته به تعداد لایه های اتم کربن، می توانند تک جداره (SWCNT) یا چند جداره (MWCNT) باشند. در واقع، نانولوله‌های کربنی در قطرها، طول‌ها و محتوای گروه عملکردی مختلف وجود دارند که می‌توانند کاربرد آن‌ها را برای استفاده های خاص تنظیم کنند. نانو لوله ها دارای خواص منحصر به فردی هستند که آن ها را در کاربردهای مختلف از جمله الکترونیک، ذخیره انرژی و پزشکی مفید می کند. آن ها قوی، سبک و دارای رسانایی الکتریکی بالایی هستند.

خواص CNT ها با توجه به ویژگی های آن ها تغییر می کند. به عنوان مثال، MWCNT ها معمولا رسانا هستند در حالی که SWCNT ها می توانند رسانای الکتریکی باشند، ویژگی های یک نیمه هادی را نشان دهند یا نارسانا باشند. عواملی مانند ساختار، طول، مساحت سطح، بار سطحی، توزیع اندازه، شیمی سطح و حالت تجمع و همچنین خلوص نمونه‌ها تأثیر زیادی بر خواص نانولوله‌های کربنی دارند.

CNT ها دارای خواص مکانیکی، حرارتی و الکترونیکی منحصر به فردی هستند که آن ها را برای توسعه مواد جدید جذاب می کند. استحکام کششی مکانیکی چشمگیر، وزن سبک، هدایت حرارتی خوب و موارد دیگر از ویژگی های نانو لوله های کربنی هستند.

هر دو گرافن و نانولوله های کربنی دارای خواص مکانیکی و الکترونیکی استثنایی هستند که اغلب می توانند مشابه باشند. از این رو، آن ها اغلب به عنوان رقیب برای میزبانی از برنامه های مشابه در نظر گرفته می شوند. لازم به ذکر است که حوزه ای از تحقیقات نیز بر روی ترکیب گرافن و نانولوله های کربنی و استفاده از آن ها برای کاربردهای مختلف مانند الکترونیک، باتری، حسگرها و موارد دیگر متمرکز شده است.

با وجود این شباهت ها بین گرافن و نانولوله های کربنی، هنوز تفاوت هایی بین آن ها وجود دارد. در حالی که گرافن دوبعدی در نظر گرفته می شود، CNT ها اغلب یک بعدی در نظر گرفته می شوند. همچنین، گرافن (زمانی که ساختار ایده‌آل با خلوص اتم و شبکه لانه زنبوری کامل باشد) یک نیمه‌رسانا با فاصله‌ی باند صفر است، در حالی که CNTهای تک جداره دارای خواص فلزی یا نیمه‌رسانایی هستند، با فاصله‌ای که از صفر تا حدود ۲ eV متغیر است.

کار با CNT ها به دلیل دشواری ذاتی در مکان یابی دقیق و اتصال آنها، اغلب چالش برانگیز در نظر گرفته می شود. گرافن که دیرتر از CNT های قدیمی وارد صحنه شد، می تواند آسان تر به هم متصل شود و دوپ شود، اما مجموعه ای از چالش ها مانند استخراج، دستکاری و بار پایداری را به همراه دارد.

روش های تولید گرافن و نانولوله های کربنی

گرافن و نانولوله های کربنی هردو مواد مبتنی بر کربن با خواص منحصر به فرد هستند. با این حال، روش های تولید گرافن و نانولوله های کربنی به طور قابل توجهی متفاوت است.

گرافن معمولا با لایه برداری گرافیت با استفاده از روش های مکانیکی یا شیمیایی تولید می شود. در روش های مکانیکی، لایه های گرافن با اعمال نیروهای برشی بر روی ورقه های گرافیت جدا می شوند. در روش شیمیایی، گرافیت اکسیده می شود و اکسید گرافن را تشکیل میدهد، سپس می توان آن را احیا کرد و گرافن را تشکیل داد. روش دیگر شامل استفاده از رسوب شیمیایی بخار (CVD) است که در آن یک گاز حاوی کربن بر روی یک بستر رسوب می کند تا لایه ای از گرافن را تشکیل دهد.

از سوی دیگر، نانو لوله های کربن معمولا با استفاده از CVD تولید می شوند، جای که گاز حاوی کربن در دمای بالا از روی یک کاتالیزور فلزی عبور می کند. سپس اتم های کربن در یک ساختار لوله مانند در اطراف ذره کاتالیزور جمع می شوند. روش دیگر شامل تخلیه قوس است که در آن از ولتاژ بالا برای تبخیر الکترودهای کربن استفاده می شود که سپس به نانو لوله ها متراکم می شوند.

تفاوت های کاربردی گرافن و نانولوله های کربنی

کامپوزیت‌های دارای ترکیب گرافن می‌توانند قوی‌تر و سفت‌تر از کامپوزیت‌های نانولوله‌های کربنی باشند. همچنین گرافن در انتقال خواص خود به ماده ای که با آن مخلوط شده است بهتر از نانولوله های کربنی است. گرافن به دلیل سطح بزرگی که دارد، تماس بیشتری با مواد پلیمری اطرافش برقرار می کند. همچنین قرار دادن دقیق نانولوله ها و اتصال آن ها می تواند چالش برانگیز باشد. در حالی که اتصال گرافن آسان تر است.

کاربردهای گرافن و نانولوله های کربنی

در حالی که نانولوله های کربنی و گرافن دارای طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه هستند،  به دلیل تفاوت های ساختاری آن ها اغلب به روش های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از کاربردهای قابل توجه گرافن عبارت است از:

• الکترونیک: رسانایی الکتریکی بالای گرافن آن را برای کاربردهایی مانند الکترونیک انعطاف پذیر، ترانزیستورها و صفحه نمایش لمسی مناسب می کند.
• ذخیره انرژی: مواد مبتنی بر گرافن برای ابرخازن ها و باتری ها در حال بررسی هستند، زیرا سطح بزرگ گرافن می تواند قابلیت های ذخیره سازی انرژی را افزایش دهد.
• مواد کامپوزیتی: گرافن را می توان در کامپوزیت ها گنجاند تا خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آن ها را بهبود ببخشد.
• حسگرها: حساسیت استثنایی گرافن به عوامل مختلف از جمله گازها، نور و کرنش، آن را برای کاربردهای حسگر امیدوار کننده می کند.

از سوی دیگر نانولوله های کربنی در موارد زیر کاربرد دارند:

• الکترونیک: نانولوله های کربنی می توانند به عنوان بلوک های سازنده دستگاه های الکترونیکی در مقیاس نانو مانند ترانزیستورها و اتصال دهنده ها عمل کنند.
• مواد کامپوزیتی: نانو لوله های کربنی می توانند کامپوزیت ها را تقویت کرده و استحکام، سفتی و هدایت الکتریکی آن ها را افزایش دهند.
• ذخیره انرژی: نانو لوله های کربنی برای کاربرد در باتری ها، ابرخازن ها و پیل های سوختی مورد مطالعه قرار گرفته اند.
• سیستم های نانوالکترومکانیکی (NEMS): نانولوله های کربنی را می توان در دستگاه های NEMS گنجاند که از خواص مکانیکی قابل توجه آن ها برای سنجش، تحریک و تصویر برداری استفاده می کنند.
• پزشکی و بیوتکنولوژی: نانولوله های کربنی به دلیل خواص منحصر به فرد خود، پتانسیل هایی برای دارورسانی، حسگرهای زیستی و مهندسی بافت نشان می دهند.

به طور کلی گرافن و نانولوله های کربنی شامل پیوند sp2 بین اتم های کربن خود هستند و این باعث می شود که هر دوی آن ها بسیار مقاوم، حتی مقاوم تر از الماس، سخت ترین ماده شناخته شده تا آن زمان باشند. جدا از داشتن بالاترین استحکام کششی، هر دوی این مواد( گرافن و نانولوله های کربنی) به دلیل آرایش مولکولی منحصربه‌فردشان در رسانایی گرما و الکتریسیته عالی عمل می‌کنند.

تفاوت ویژگی بین گرافن و نانولوله های کربنی در این است که اگرچه گرافن یک نیمه هادی با شکاف صفر با اثر هال کوانتومی غیرعادی است، نانولوله های کربنی بسته به نوع ساختار می توانند نیمه رسانا با شکاف نواری متفاوت یا کاملاً فلزی باشند. این باعث می شود که جدا از کاربردهای هم پوشانی دارشان برای استفاده های مختلف در زمینه های مختلف مناسب باشند.

شایان ذکر است که گرافن و نانولوله های کربنی به طور فعال مورد تحقیق قرار دارند و کاربردهای آن ها روز به روز در حال گسترش می باشد.

منبع:

https://www.layeronematerials.com/insights/difference-between-nanotubes-and-graphene

https://www.graphene-info.com/carbon-nanotubes