کربن نانوتیوب

نانوتیوب های کربن(CNTs) چند شکل کربن هستند. شکل مولکولهای کربن استوانه ای را می گیرند و ویژگی های بدیعی دارند که آنها را بالقوه در کاربردهای متعدد نانوتکنولوژی ، الکترونیک ، نورشناسی و دیگر زمینه های علم مواد مفید می سازد. قدرت فوق العاده و ویژگی های الکتریکی منحصر به فرد از خود نشان می دهند ، و رسانه های مؤثر حرارت هستند . نانوتیوب های غیرآلی هم سنتز شده اند .

نانوتیوب ها اعضای خانواده ی ساختاری Fullereneهستند ، که همچنین بوکی بالز را شامل می شوند . در حالی که buckyballd شکل کروی دارند ، یک نانوتیوب استوانه ای است ، که حد اقل یک انتهای اش با نیم کره ای از ساختار buckyballs پوشیده شده است . اسم آنها از سایزشان مشتق می شود ، چون قطر نانوتیوب در حدود چند نانومتر است (حدودأ ۵۰۰۰۰ بار کوچکتر از پهنای موی انسان) ، در حالی که طولشان می تواند تا چند میلی متر باشد . دو نوع اصلی نانوتیوب ها وجود دارد : نانوتیوب های تک دیواره (SWNTs) و نانوتیوب های چند دیواره (NWNTs) .

Chris Cox ، یک کارآفرین معماری ، اخیرا نانوتیوب را به عنوان یک عنصر ساختمانی انتخاب کرد که اخیرأ برنده ی جایزه ی طراحی توسط مهندس معمار مورد تشویق ، امرسون پراسر(۲۰۰۶) بود.
تولید یک نانوتیوب به شیمی کوانتوم کاربردی ، مخصوصا پیوند مداری وابسته است. نانوتیوب ها کاملا از باندهای sp² ، مشابه باند گرافیت تشکیل شده اند . این ساختار متصل ، که قوی تر از باندهای sp³ ، است در الماس یافت می شود ، با قدرت منحصر به فردشان مولکولها را تامین می

کند . نانوتیوب ها طبیعتا خود را با “طناب ها ” هم راستا می کنند و با نیروهای وان دِر والس کنار هم نگهداشته می شوند . تحت فشار زیاد ، نانوتیوب ها می توانند ترکیب شوند ، بعضی باندهای sp² را با باندهای sp³ عوض می کنند ، برای تولید وایرهای محکم ، با طول نا محدود از طریق اتصال نانوتیوب پر فشار احتمال زیادی ارائه می کنند.

محتویات :۱- کشف ۱- ۱تک دیواره ۳- ۱Fullerite

۲- ۱ چند دیواره ۴- ۱ Torus‍‍‍‍‍‍

۲- خصوصیات ۱- ۲ قدرت ۴- ۲ حرارتی
۲- ۲ جنبش ۵- ۲ نقایص
۳- ۲ الکتریکی

۳- سنتز(تولید مصنوعی)۱- ۳ دشارژ کمانی ۳- ۳ ته نشینی ب

خار شیمیایی
۲- ۳ ذوب لیزری ۴- ۳ محیطهای طبیعی،فرعی و کنترل شده

۴- کاربردهای بالقوه ۱- ۴ ساختاری ۲- ۴ در مدارهای الکتریکی

۱- کشف
در سال ۱۹۵۲ ، رادو شکویچ و لوکیا نویچ تصاویر مشخص از تیوب های دارای قطر۵۰ نانومتر ساخته شده از کربن را در مجله ی روسی شیمی فیزیکی منتشر کردند . این اکتشاف به شدت مورد بی توجهی قرار گرفت ؛ این مقاله به زبان روسی منتشر شد ، و دستیابی دانشمندان غربی به مجله ی روسی طی جنگ سرد محدود بود . احتمال دارد که نانوتیوب های کربن قبل از این تاریخ تولید شده باشد ، اما ابداع میکروسکوپ انتقال الکترون دیدن مستقیم این ساختارها را ممکن ساخت

.
یک نوشته ی ویرایشی توسط Marc Monthioux و Vladimir Kuznestof در سال ۲۰۰۶ در مجله ی کربن ریشه ی جالب و اغلب اشتباه گزارش شده ای از نانوتیوب کربن را توضیح داده است . یک بخش عمده از مقاله ی علمی آکادمی و عامه پسند کشف تیوب های تو خالی سایز نانومتری

متشکل از کربن گرافیت را به Iijima Sumio از NEC در سال ۱۹۹۱ نسبت دادند .
کشف Iijima از نانوتیوب های کربن در ماده ای نامحلول میله های گرافیت قوس – سوخته سر و صدایی تولید کرد که حالا با نانوتیوب های کربن ارتباط دارند . تحقیقات نانوتیوب ها به شدت تسریع یافت و با کشف های مستقل Bethune در IBM و Iijima در NEC از نانوتیوب های کربن تک دیواره دنبال شد تا آنها را با افزودن کاتالیزور رسانش فلزی به کربن در دشارژ قوسی آنها را مخصوصأ تولید کنند .

تکنیک دشارژ قوسی در تولید Fullerene Buckminster مشهور در مقیاس ترکیبی معروف بود ، و این نتایج پدیدار شدند تا اداره ی اکتشافات تصادفی مربوط به Fullerene را ادامه دهد. مشاهده ی اولیه ی fullerene در طیف سنجی جرم جسم انبوه پیش بینی نشده بود، و اولین تکنیک تولید انبوه توسط کراچمر و هاف من چندین سال قبل از درک این که Fullerenes را تولید می کند،استفاده می شد.
مناسب به نظر می رسد که نانوتیب ها نیک بختانه کشف شدند. هر چند ،مقاله ای توسط اُبرل

ین، اِندو و کویاما منتشر شده در ۱۹۷۶ به وضوح اثبات کرد فیبرهای توخالی کربن با قطرهای نانومتری از تکنیک بخار – رشد استفاده می کنند.
در سال ۱۹۸۷،هوارد جی . تِنِنت از کاتالیز Hyperion در اختراع ثبت شده ی ایالات متحده برای تولید “فیبریل های کربن مجزای استوانه ای” با “قطر ثابت بین حدودﺃ ۵/۳ و حدود ۷۰ نانومتر، طول² ۱۰ برابر قطر، وناحیه ی بیرونی لایه های چندگانه ی اساسٲ پیوسته ی اتم های کربن مرتب شده و هسته ی مشخص داخلی …” منتشر شد.جدیدﺃ ،اِندو با کشف CNTها ، و Iijima برای توضیح ساختارs NT معتبر شدند.

۱-۱- تک دیواره
اکثر نانو تیوب های تک دیواره (SWNT) قطر حدودﺃ ۱ نانومتر دارند، و طول تیوب که می تواند چند هزار بار بزرگتر باشد. نانوتیوب های تک دیواره با طولی تا حدود سانتی متر ها تولید شده اند. ساختار SWNT را می توان با پوشاندن یک لایه به ضخامت یک اتم گرافیت به نام گرافن به استوانه ی بی درز ذهنی سازی کرد.طریق پوشش صفحه ی گرافن با یک جفت نشانه (n,m) به نام بردار chiral نمایانده می شود.عدد صحیح m,n بر تعداد بردارهای یونیتی در امتداد دو مسیر در شبکه ی کریستالی طرح لانه زنبوری گرافن دلالت دارند. اگر m=0 ، نانوتیوب ها “زیگزاگ” نامیده می شود. اگر n=m ، نانوتیوب ها “صندلی دسته دار armchair”نامیده می شوند. در غیر این صورت “chiral” خوانده می شوند.
نانوتیوب های تک دیواره تنوع بسیار مهم نانوتیوب کربن هستند چون ویژگی های مهم الکتریکی را نشان می دهند که بین گونه های متفاوت نانوتیوب کربن چند دیواره (MWNT) مشترک نیستند. نانوتیوب های تک دیواره به احتمال زیاد کاندیدای مینیاتوری کردن الکترونیک ها بعد از مقیاس میکروی الکترومکانیکی هستند که اخیرﺃ مبنای الکترونیک مدرن می باشد.
اصولی ترین بلوک های ساختمانی این سیستم ها وایرسیم الکتریکی است، و SWNTs می توانند بهترین هادی باشند. یک کاربرد مفید SWNT ها در توسعه ی اولین ترانزیستورهای میدان اثر درون

مولکولی (FETs) است. تولید اولین دروازه ی گیت منطقی درون مولکولی با استفاده ازSWNT FETs اخیرﺃ هم ممکن شده است. برای تولید یک گیت منطقی باید هر دو p-FET وn-FET را داشته باشید.چونSWNT ها هنگام در معرض قرارگیری اکسیژن p-FET اند و هنگام عدم معرض بودنn-FET هستند،قادرند از نیمی از SWNT از در معرض قرارگیری اکسیژن حفاظت کنند،در حالی که نیمی دیگر در معرض اکسیژن قرار می گیرند. حاصل یک SWNT تک است که با FET های هر دو

نوع n- و p- در یک مولکول به عنوان گیت منطقی NOT عمل می کند.
تولید نانوتیوب های تک دیواره هنوز بسیار گران است، و گسترش تکنیک های تولید مصنوعی قابل پرداخت تر برای آینده ی تکنولوژی کربن حیاتی است. اگر ابزار ارزان تر تولید کشف نشود،به کارگیری این تکنولوژی را برای کاربردهای مقیاس تجاری به لحاظ مالی غیرممکن می کند.

 

۲-۱- چند دیواره
نانو تیوب های چند دیواره(NWNT) شامل لایه های چندگانه ی گرافیت که برای شکل دادن یک تیوب دور خودشان می غلتند. دو مدل وجود دارد که برای توضیح ساختارهای نانوتیوب های چند دیواره کاربرد دارند. در مدل Doll روسیه صفحات گرافیت در استوانه های هم مرکز مرتب می شوند، مثلا یک نانوتیوب تک دیواره(۰,۸) در یک نانوتیوب بزرگتر تک دیواره ی (۰,۱۰).در مدل پوست نوشته Parchment، یک صفحه ی واحد گرافیت دور خودش می غلتد در حالی که به یک زنجیره ی طوماری پوست نوشته یا روزنامه ی لوله شده شباهت دارد.

۳-۱- Fullerite

یک Fullerite یک نانوتیوب شدیدﺃ تراکم ناپذیر است. نانوتیوب های پلیمر شده ی تک دیواره (P-SWNT) طبقه ای از Fullerite ها هستند و از نظر سختی با الماس قابل مقایسه اند. هر چند، به علت شیوه ای که نانوتیوب ها به هم می پیچند ، P-SWNT ها شبکه ی کریستالی مشابهی ندارند که برش ماهرانه ی الماس ها را ممکن سازند. این ساختار مشابه منجر به یک ماده کمتر شکننده می گردد، چون هر تاثیری که ساختار تحمل می کند در کل ماده پخش می شود.

۱-۴- Torus

یک نانوتروس یک نانوتیوب کربن است به تروس (شکل دونات) خمیده است. نانو تروس ها ویژگی های منحصر به فرد بسیاری دارند، مثلا لحظه های مغناطیسی ۱۰۰۰ بار بزرگتر از مغناطیسی است که قبلا برای محدوده ی خاصی انتظار می رفت. ویژگی های بسیاری از قبیل برهه ی مغناطیسی، ثبات گرمایی وغیره بسته به شعاع تروس و شعاع تیوب به طور گسترده متفاوت هستند.

۲- ویژگی ها
۱-۲- استحکام
نانوتیوب های کربن یکی از محکم ترین مواد شناخته شده هم به لحاظ قدرت کشش پذیری و هم مقیاس کشسانی هستند. این استحکام از باندهای کووالانس SP ² منتج می شود که در میان اتم های فردی کربن شکل می گیرند. در سال ۲۰۰۰، یک نانوتیوب کربن چند دیواره تست شد تا استحکام کشش پذیری ۶۳GPa داشته باشد. در مقایسه،استیل پر کربن استحکام کشش پذیری حدود ۱٫۲GPa دارد.CNT ها معیار کشسانی بسیار بالایی در حدود ۱ TPa دارند. چون نانوتیوب های کربن برای یک جامد ۱٫۳ -۱٫۴ g/cm³ تراکم اندکی دارند،استحکام ویژه اش شناخته شده ترین مواد هستند.

تحت کشیدگی بیش از حد،تیوب ها تغییر شکل فالب پذیر را تحمل می کند، که بدان معناست که تغییر شکل دائمی است. این تغییر در کشیدگی های حدود ۵% شروع می شود و می تواند حداکثر کشیدگی ای که تیوب تن می دهد را افزایش دهد پیش از آن که توسط انرژی کشیدگی رها شده بشکند.
CNTها تحت فشردگی آنقدر محکم نیستند. به خاطر ساختار تو خالی و درصد ظاهریشان،تمایل دارند هنگام قرارگیری در فشردگی ، فشارپیچشی یا خمیدگی، دستخوش کج شدگی قرار بگیرند.

۲-۲- جنبشی

نانوتیوب های کربن چند دیواره ، نانوتیوب های هم مرکز چندگانه دقیقأ درون یکدیگر لانه می کنند، یک خصیصه ی تلسکوپی جالب را نشان می دهند که بدان وسیله هسته ی نانوتیوب درونی سر می خورد، تقریبأ بدون اصطکاک ، درون پوسته ی نانوتیوب بیرونی پس یک حالت چرخشی یا خطی به لحاظ اتمی کامل را خلق می کنند. این یکی از اولین نمونه های واقعی نانوتکنولوژی مولکولی است، قرارگیری دقیق اتمها برای ایجاد ابزار آلالت سودمند می باشد. فعلأ این ویژگی برای تولید کوچکترین موتور چرخشی جهان و یک نانوهیوستارت بهره برداری شده است. کاربردهای آتی مثل نوسانگر مکانیکی گیگاهرتز پیش بینی شده است.

۳-۲- الکتریکی
به دلیل ساختار متقارن و منحصر به فرد الکترونی گرافن ، ساختار نانوتیوب به شدت به ویژگی های الکتریکی اش اثر می گذارد. برای یک نانوتیوب فرضی(n,m) ، اگر۲n+m=3q (q یک عدد صحیح است) ،آن گاه نانوتیوب فلزی است، در غیر این صورت نانوتیوب نیمه هادی است.پس تمام نانوتیوب های آرمیچر(n,m) فلزی اند و نانوتیوب های (۹,۱),(۶,۴),(۵,۰) و غیره نیمه رسانا هستند. در تئوری ، نانوتیوب های فلزی می توانند تراکم الکتریکی بیش از ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از فلزاتی مثل نقره و مس داشته باشند.

۴-۲- گرمایی

تمام نانوتیوب ها انتظار می رود که در طول تیوب رسانگرهای بسیار خوب گرمایی باشند، در حالی که ویژگی مشهور به “هدایت بالستیک” را نشان می دهند ، اما از کنار به محور تیوب نارسان ها (عایق های) خوبی هستند. پیش بینی می شود که نانوتیوب های کربن بتوانند تا ۶۰۰۰ وات در هر متر در هر درجه ی کلوین در دمای اتاق را منتقل می کنند. ثبات گرمایی نانوتیوب کربن برآورد می شود تا ۲۸۰۰ درجه ی سلسیوس در خلأ و حدود ۷۵۰ درجه سلسیوس در هوا باشد.
۵-۲- نقص ها

 نقصی که در نانوتیوب های کربن رخ می دهد به نام نفص”شیارهای سنگ” شناخته می شود، که با مرتب کردن مجدد باندها جفت ۵ ضلعی ۶ ضلعی خلق می کند. به دلیل ساختار تقریبأ یک بعدی CNT ها، استحکام کشش پذیری تیوب به ضعیف ترین جزء آن در یک رفتار مشابه به زنجیره وابسته است، جایی که نقص در یک اتصال واحد استحکام کل زنجیره را حذف می کند.
ویژگی های الکتریکی تیوب هم تحت تأثیر وجود خرابی ها است. نتیجه ی معمول رسانایی کاهش یافته از طریق منطقه ی معیوب تیوب است. بعضی تشکیل نقص ها در تیوب های نوع آرمیچر(که فلزی اند) می تواند باعث شود که منطقه ی محصور کننده ی آن نقص نیمه رسانا شود. به علاوه تهی بودگی های تک اتمی ویژگی های مغناطیسی ایجاد می کند.
ویژگی های گرمایی تیوب به شدت تحت تأثیر نقص ها هستند. چنین نقص هایی به پراکندگی فونون ها منجر می شوند، که در عوض درصد آسودگی فونون ها را زیاد می کند. این مسیر آزاد متوسط و رسانایی حرارتی ساختارهای نانوتیوب راکاهش می دهد.

۳- سنتز
برای تولید نانوتیوب ها در مقادیر قابل اندازه گیری، مثل دشارژکمان،ذوب لیزری،مونواکسید پرفشار کربن(Hip co) ، و ته نشینی بخار شیمیایی (CVD) تکنیک هایی بسط یافته است. اکثر این فرآیندها در خلأ یا با گازهای پروسه اتفاق می افتند. رشد CVD ازCNTها در خلأ یا در فشار اتمسفری رخ می دهد. مقادیر زیاد نانوتیوب ها را می توان با این متدها سنتز کرد؛ پیشرفت در کاتالیز و رشد پیوسته ی فرآیندهاCNTها را به لحاظ تجاری ارزشمندتر می کند.

۱-۳- دشارژ کمانی(جرقه ای)
نانوتیوب ها در سال ۱۹۹۱ در دوده ی کربن الکترودهای گرافیت طی دشارژ کمانی مشاهده شد، با استفاده از یک جریان ۱۰۰ آمپری که برای تولید Fullerenes در نظر گرفته شده بود. گر چه اولین محصول ماکروسکوپی نانوتیوب های کربن در سال ۹۲ توسط دو دانشمند در لابراتوار تحقیقات بنیادی NEC انجام گرفت. متد مورد استفاده همان متد سال سال ۱۹۹۱ بود. طی این فرآیند، کربن در الکترود منفی تصعید شد و این به دلیل دماهای زیادی بود که از دشارژ ناشی شده بود. چون نانوتیوب ها در آغاز با استفاده از این تکنیک کشف شد، پر کاربردترین متد سنتز نانوتیوب به شمار می رود.
بازده این متد تا ۳۰ درصد در وزن است و هر دو نانوتیوب تک وچند دیواره را تولید می کند، ه

ر چند کاملأ کوتاه(۵۰ میکرون) هستند.

۲- ۳ ذوب لیزری
در این فرایند ، یک لیزر پالس داده هدف گرافیت در رآکتور پر دما را بخار می کند در حالی که گاز ساکن به محفظه هواگیری می شود . نانوتیوب ها در سطوح خنک تر راکتور گسترش می یابند ، به محض این که کربن بخار شده به مایع تبدیل می شود . سطح آب خنک شده در سیستم شامل می شود تا نانوتیوب ها را جمع کند.
ریچارد اسمالی و همکاران در دانشگاه رایس آن را کشف کردند ، که ریچارد اسمالی در زمان کشف نانوتیوب های کربن داشت برای تولید مولکولهای متعدد فلز ، فلزات را با لیزر منفجر می کرد. وقتی خبر این کشف را شنیدند فلزات را با گرافیت جایگزین کردند تا نانوتیوب های کربن تولید کنند .
این متد بازذه حدود ٪۶۵ دارد و نانوتیوب های کربن تک دیواره با قطر قابل کنترل تولید می کند که با عکس العمل حرارتی تعیین می شود . هر چند ، از هر دو متد دشارژ کمانی یا ته نشینی بخار شیمییایی گران تر است.

۳-۳- ته نشینی بخار شیمیایی(CVD)
ته نشینی کاتالیزوری فاز بخار کربن اولین بار در سال ۱۹۵۹ گزارش شد ، اما تا سال ۱۹۹۳ بود که نانوتیوبهای کربن با این فرایند شکل گرفت.
طی CVD ، یک زیربنا با لایه ای از ذرات کاتالیزوری فلز تهیه می شود ، متداول ترین شان نیکل ، کبالت ، آهن یا یک ترکیب است . ضخامت و قطر نانوتیوب هایی که باید بزرگ شوند به سایز ذرات فلز مربوط است. این را می توان با ته نشینی الگوبندی شده ی فلز ، گرم کردن و سرد کردن به آهستگی ، یا با حکاکی پلاسمای لایه ی فلز کنترل کرد. زیر بنا تا حدود ۷۰۰˚C گرم می شود .

برای شروع رشد نانوتیوب ها ، دو گاز به راکتور نشت می شود : گاز پروسه(مثل آمونیاک ، نیتروژن ، هیدروژن و غیره) و گاز حاوی کربن(مثل استالین ، اتیلن ، اتانول و غیره) . نانوتیوب ها در سایت هایی از کاتالیز فلز رشد می کنند ؛ گاز حاوی کربن در سطح ذره ی کاتالیز تجزیه می شود ، و کربن به لبه های ذره منتقل می شود ، جایی که نانوتیوب ها را تشکیل می دهد. ذرات کاتالیز در اصل در نوک نانوتیوب در حال رشد طی فرآیند رشد باقی می مانند ، اگرچه در برخی موارد در پایه ی

نانوتیوب باقی می مانند ، که این به چسبندگی میان ذره ی کاتالیز و زیربنا بستگی دارد.
اگر با به کار گیری یک میدان قوی الکتریکی طی فرایند رشد یک پلاسما تولید شود ( پلاسما ته نشینی بخار شیمیایی را زیاد می کند ، آن گاه رشد نانوتیوب از مسیر میدان الکتریکی تبعیت می کند . با تنظیم درست هندسه ی راکتور تولید نانوتیوب های بالانس شده ی عمودی کربنی ممکن

می شود ( به عبارتی ، عمود بر زیربنا ) ، یک ساختارشناسی که مورد توجه محققان علاقمند به برون فرست الکترون از نانوتیوب ها است . بدون پلاسما ، نانوتیوب های حاصل اغلب به طور تصادفی جهت گیری می شوند ، در حالی که به یک کاسه اسپاگتی شباهت دارند . تحت شرایط خاص واکنش ، حتی در غیاب پلاسما ، نانوتیوب های کنار هم مسیر رشد عمودی را حفظ می کنند که منجر به آرایش متراکمی از تیوب های شبیه به فرش یا جنگل می گردد .
ازابزار و وسایل مختلف سنتز نانوتیوب، CVD برای ته نشینی در مقیاس صنعتی به لحاظ نسبت قیمت/واحد آتیه دارترین متد را نشان می دهد. نسبت به سنتز CVD نانوتیوب ها مزیت های دیگری وجود دارد.بر خلاف متدهای فوق،CVD قادر است نانوتیوب ها را مستقیمأ روی یک زیرساخت مطلوب رشد دهد، در حالی که نانوتیوب ها باید در تکنیک های دیگر رشد جمع آوری شوند.سایت های رشد تحت کنترل ته نشینی دقیق کاتالیز است. به علاوه، هیچ متد رشد دیگری برای تولید نانوتیوب های بالانس شده ی عمودی گسترش نیافته است.
اخیرأ، این حوزه از سنتز به طور قابل توجهی توسط یک تیم از محققان در دانشگاه Rice پیشرفت

کرده است. تیم، که تا همین اواخر تحت رهبری دکتر ریچارد اسمالی بود، بر یافتن متدهای تولید انواع خاص بزرگ و خالص نانوتیوب ها متمرکز بوده است.رویکرد آن ها رشد دادن فیبرهای بلند از بسیاری دانه های کوچک است که این دانه ها از یک نانوتیوب واحد بریده شدند؛ تمام فیبرهای حاصل باید از همان نوعی باشند که نانوتیوب اصلی آن ها را دارد.

۴-۳- محیط های طبیعی، فرعی و کنترل شده
Fullerenes و نانوتیوب های کربن لزومأ محصول لابراتوارهای فناوری سطح بالا نیستند؛ معمولأ در مکان های عادی ای مثل شعله های عادی شکل می گیرند، توسط متان سوخته،اتیلن سوخته، و بنزن سوخته تولید می شوند، و در دوده ی هوای درون و بیرون ساختمان یافت می شوند.