نانولوله های کربنی و کاربردهایشان

یک روبات کوچک به اندازه یک گلوبول قرمز به بدن فرد بیمارتزریق می شود تا سلول های سرطانی را که در ناحیه ای حساس ازمغز او قرار گرفته، نابود کند.گلوله های ریز ودرشت به سوی سرباز شلیک می شود، اما او همچنان به پیشروی خود ادامه میدهد. اولباسی ضد گلوله به تن داردکه از یونیفرم نظامی اش هم سبک تر است…
نه اشتباه نکنید،اینها طرحهای داستان آسیموف نیستند، بلکه تصویر های روشن از جهان آینده،جهان فناوری نانو هستند.

گسترش فناوری نانو در سالهای اخیر از چنان سرعتی برخوردار بوده که شکی باقی نمی گذارد که جهان آینده در سیطره قدرت برتر قرن نانوتکنولوژی خواهد بود.آنچه دارد اتفاق می افتد بی شباهت به یک کودتا نیست.
سربازان نانو به سرعت مراکز مهم دانش بشری را به تسخیر خود در می آورندو ژنرالهای دست نشانده خود را حاکم میکنند.پیروزی نانو از هم اکنون آغاز شده است.

نانو یک پیشوند یونانی به معنای یک میلیاردم متر چیزی در حدود چند برابر قطر اتم است نانو تکنولوژی تولید ساختار هایی در مقیاس نانو (۱۰به توان۹ متر( است. این ساختار ها توانایی کنترل خواص ذاتی مواد ،مثل دمای ذوب،خواص مغناطیسی وحتی رنگ ماده را فراهم می آورند.دنیای نانوسرزمین عجایب است.
نیروهای معمولی جهان دردنیای ظاهراکوچک اما فوق العاده گسترده نانو اثری ندارد.برای مثال در محدوده ی اتم ها،نیروی جاذبه هیچ نقشی نمی تواند داشته باشد واز آنجا که این ساختار ها تقریبا فاقد جرم هستند،نیروی اینرسی نیز کاملا خنثی شده است.در این قلمرو،اتم ها وذرات،رفتاری غیر متعارف از خود به نمایش می گذارندواز آنجا که اساسا طبیعت از همین ذرات تشکیل شده است،شناخت نحوه عمل آنها،به یک معنا شناخت بهتر نحوه ی شکل گیری و کارکرد جهان است.
ایده ساخت اجرام در ابعاد نانو برای اولین بار توسط یک فیزیکدان به نام ریچاردفاینمن ارایه شد.او در سال ۱۹۵۹در انیستیتو تکنولوژی کالیفرنیا نشان داد که اصول ومبانی فیزیک،امکان ساخت اتم به اتم اجرام را رد نمی کرد.
اوگفت میتوان بااستفاده از ماشین های کوچک،ماشین هایی به مراتب کو چکتر ساخت وسپس این کاهش را تا سطح خود اتم ادامه داد.
تحقیق در قلمرو نانوتکنولوژی از اواخردهه۱۹۵۰آغاز شدو در دهه ۱۹۹۰ نخستین نتایج چشمگیرآن،خود را به رخ کشید.یک گروه از محققان شرکت آی بی ام موفق شدند۳۵ اتم گزنون را به روی یک صفحه از جنس نیکل درج کنند. این اولین نگارش در دنیای نانو بو

د.
نوشتن در جهان نانو اندکی با جهان معمول متفاوت است. حدود۲۵۰ میلیون حرف نانو متری را که معادل۳۰۰کتاب۳۰۰ صفحه ای،میتوان بر روی سطح مقطع یک موی انسان نوشت.
محققان دیگری به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنکبوتها ورشته های ابریشم پرداختند.تا بتوانند موادی نازک ترومقاوم تر تولید کنند.

تاریخچه اکتشاف
تا به امروز با دو نمونه از کربن خالص به خوبی آشنا بودیم: گرافیت و الماس که از نظر ظاهر و خواص کاملا با هم متفاوتند اما می دانیم که هر دوی آنها فقط و فقط از اتم های کربن تشکیل شده اند و تفاوت آنها مربوط به شیوه آرایش اتمهای کربن در آنها.در الماس هر اتم با سه اتم مجاور خود پیوند دارد و یک شبکه مستحکم سه بعدی به وجود می آورند که امکان عبور نور از خلال آن وجود دارد به همین علت الماس شفاف است و بسیار سخت.اما در گرافیت اتمها به صورت ورقه ورقه تشکیل می شوند و روی هم قرار میگیرند که پیوند بین این ورقه ها چندان قوی نیست به همین دلیل

گرافیت نرم و شکننده است و به این دلیل که این ورقه ها به صورت بی نظم کنار هم قرار گرفته اند،گرافیت کدر است.تاحدود پانزده سال پیش الماس و گرافیت تنها ساختار های مولکولی شناخته شده از کربن خالص بودند.
اما باید گفت که با استفاده از نانو فن آوری ،اتمهای کربن می توانند به گونه های کاملا متفاوتی آرایش یابند و مواد بی نظیری با خواص باورنکردنی پدید آورند.در سال ۱۹۸۵ با کشف کورتو (korto) و همکارانش، فیزیکدان ها ، شیمیدان ومهندسین مواد با مولکول جدیدی از اتم های کربن که

بعدا فلورین نام گرفت آشنا شدند.
آنها شکل جدیدی از کربن را یافته اند که به گمان آنها به شکل توپ فوتبال است.امروز این گمان به یقین تبدیل شده وراهی تازه در ساخت ریزمحصولات گشوده شده است.
این سه شیمیدان به نامهای هارولد کروتو از دانشگاهی در انگلیس، رابرت کرل و ریچاردسمیلی از دانشگاه رایس هوستون به خاطر پزوهشهای کاربردی خود،جایزه نوبل شیمی دریافت کردند.
آنچه مورد توجه ما در اینجاست مولکول دیگری است که از کشیدن و بسط یک فلورین کروی حول یک محور آن حاصل می شود.این مولکول را نانولوله(nanotube) می نامند که در سال ۱۹۹۱ توسط ای جی ما (Iijima) در آزمایشگاه مرکزی شهر NEC کشف شد.

یک صفحه کاغذ را در نظر بگیرید وقتی دو لبه آن را به یک دیگر بچسباند به شکل یک لوله در خواهد آمد.این دقیقا همان وضعی است که برای یک ورقه گرافیت پیش می آید و به یک نانو تیوپ تبدیل می شود.قطر نانولوله ها در حد چند نانو و طولشان در حد میکرون است.برای ارائه یک مقایسه برای تصور نازکی نانولوله ها ،اگر قطر یک نانو لوله را ۵۰ نانو متر در نظر بگیریم آنگاه آن نانولوله ۲۰۰۰۰ بار نازک تر از موی انسان خواهد بود!

خواص مکانیکی
نانوتیوپ ها یکی از سخت ترین مواد شناخته به شمار می روندوبهتری

ن الیافی هستند که از ساختار گرافیت ساخته شده اند مقاومت یک نانوتیوپ نسبت به وزنش، ۵۰۰برابرآلمینیوم است.
نانوتیوپ هادر عین استحکام بالا بسیار انعطاف پذیر هستند. وبه خاطر تو خالی بودن-مویینگی-کاربردهای گسترده ای در نانوتکنولوژی دارند.مطالعات نظری مدول یانگی در حدود ۱-۵ Tpa برای نانولوله ها تک دیواره (SWNT) پیشنهاد کرده اند.مدول یانگ بالا برای نانو لوله ها معرف آن است که آنها در مقابل کنشهایی به صورت خمش ، کشش و پیچش مقاومت بسیار زیادن از خود نشان می دهند و به راحتی دچار تغییر شکل پلاستیک و ا شکسته شدن پیوند نمی شوند،مگر اینکه در ساختار خود دارای برخی عیوب توپولوژیک باشند.

خواص شیمیایی
نانولوله ها همچنین خواص شیمیای ممتازی نیز برخوردارند.به عنوان مثال توانایی آنها در جذب درصد بالای هیدروژن موضوعی است که در آلهای اخیر در سطح جهانی مورد توجه قرار گرفته است ، چرا که آنها را به عنوان منبع ذخیره سازی هیدروژن مطرح می کند که برای استفاده در ماشینهای هیدروژن سوز ایده آل است. با استفاده از لوله‌هاي نانوكربني هر ۶۵ كيلوگرم هيدروژن را مي‌توان به ازاي يك مترمكعب جاذب در نانولوله‌های كربنی جايگزين كرد.
همچنین در سالهای اخیر گزارشهای زیادی مبنی بر استفاده از نانو لوله ها به عنوان حس گرهای گاز به چشم می خورد که آنها را به عنوان حس گرهای پیش رفته گاز مطرح می کند.

خواص الکتریکی و کاربردها در الکترونیک
نانولوله های کربنی تنها موادی هستند که با توجه به هندسه ساختاری خود می توانند به هر یک از سه صورت رسانا ،نیمه رسانا و عایق یافت شوند .به این معنی که بسته به اینکه نانولوله به چه صورت از پیچاندن صفحه گرافیت درست شود می توانند در هر یک از سه حالت فوق قرار بگیرد.این همان خاصیت بزرگی است که نانولوله ها را برای صنعت الکترونیک مناسب می کند.چرا که امروزه صنعت الکترونیک در ساخت قطعاتی مثل ترانزیستور به ابعاد بسیار کوچکی رسیده است (ابعاد میکرون با تکنولوژی سیلیکون) ولی ادامه این روند با تکنولوژی مذکور ممکن نیست و دانشمندان به این محدودیت رسیدند که چطور می توان سیلیکون و مس را برای تولید ترانزیستور های کوچک تر با هم پیوند داد.

انجاست که صنعت برای رسیدن به ابعاد نانو محتاج نانولوله های کربنی است.این نانولوله ها سیمهای بزرگی هستند که الکترون در آنها آزادانه حرکت می کند.
قطر نانو لوله ها از طول موج دوبروی برای الکترون کوچکتر است.و این باعث پدیدار شدن یکی از خواص جالب نانو تیوپ می شود به این صورت که مصافت آزاد میانگین الکترون در لوله خیلی بیشتر از فاصله اتمها در شبکه است.بنابر این الکترون ها با تحرک بالا در طول لوله جریان میابند و این مشخصه جالبی برای استفاده از انها در سیمهای کوانتمی است.
مسیر یک بعدی on-dimensionality واژه ای برای توصیف سیم های نانو است.در فضای یک بعدی الکترون ها فقط از یک درجه آزادی برخوردارند بر خلاف معمول که در سیم های عادی از سه درجه آزادی برخورداند و می توانند در مسیرهای مختلفی حرکت کنند.این رفتار یک بعدی باعث می شود که الکترون ها درون باند انرژی گسسته ، کوانتیزه شوند.
دانشمندان حتی با استفاده از نانو تکنولوژی به روشهایی دست پیدا کرده اند که ساخت ترانزیستورهای در ابعاد نانو را امکان پذیر می سازد.آنها این ایده را مطرح کرده اند که ترانزیستورها را می توان توسط نانولوله ها ساخت.

از آنجا که کربن نانولوله از شبکه شش ضلعی از اتم ها کربن تشکیل شده ، هر اتم کربن یک پیوند شیمایی sp2 دارد.هر اتم کربن چهار الکترون در لایه ظرفیت خود دارد ، سه تا از آنها در اربیتال سیگما هستند و انرژی آنها -۲٫۵ev است و زیر لایه فرمی قرار دارند و نمی توانند در رسانایی شرکت کنند.الکترون چهارم با اینکه در اربیتال Pi قرارداد بازهم اندکی زیر لایه فرمی قرار

دارد از این رو این الکترون برای کنترل ویژگیهای رسانایی کربن نانولوله در نظر گرفته شده است.
راههایی برای پیوند نانولوله های با خواص فلزی ،نیمه رسانا و عایق در نظر گرفته شده است به این ترتیب میتوانیم اتصالات فلز-فلز ، فلز-نیمه رسانا ، نیمه رسانا –نیمه رسانا را که در الکترونیک برای ساخت دیود ها و ترانزستورها استفاده می شود را بازآفرینی کنیم.
سه روش برای تغییر ساختار الکترونی نانولوله وجود دارد:
۱- روش توپولوژی

۲- پیوند زنی و ایجاد پیوندهای دو رگه
۳- پیوندهای ناتمام
با این روشها می توان سطح فرمی را تغییر داد و خواص الکترونیکی نانو لوله ها را دستکاری کرد.ترکیب پنج تایی و هفت تایی کربن ها کنار یکدیگر هم راهی برای تغییر این خواص است.یک ترکیت پنج تایی الکترون جذب می کند و یک ترکیب هفت تایی الکترون دفع می کند.

نمایش پیوندهای پنج تایی و هفت تایی در پیوند دو نانو لوله با خواص متفاوت
دانشمندان کربنی ساخته اند که مانند سوییج های ترانزستوری عمل می کند و روشی برای مهار زنجیر نانولوله براسیستم های الکترونیکی ابداع کرده اند.

دانشمندان عملی شدن مواد نانو را از طریق تئوری و شبیه سازی های رایانه ای بررسی می کنند.آن