* دانشكده مهندسي مكانيك، پرديس دانشكده هاي فني، دانشگاه تهران

چکیده:

هر چند کشف نانو لوله ها (تيوب ها)ي كربني (Carbon Nanotubes, CNT) تصادفي بوده، اما انقلابي در دور نماي تكنولوژيكي قرن پيش رو به وجود آورده است. انتظار مي رود همان طوريكه تكنولوژيهاي بر مبناي سيليكون جامعة كنوني را تحت پوشش قرار داده است؟ جامعه آينده نيز تحت تاثير نانو تيوبهاي كربني قرار گرفته و CNT ها به يك جز كليدي نانو تكنولوژيكي تبديل شوند. تقريبا هر هفته پتانسيل كاربردي جديدي از CNT ها كشف مي شود و دانشمندان را به سمت اين نانو لوله ها متوجه کرده و كنجكاوي آنها را بر مي انگيزد. كاربردهاي تجاري  رايج اين مواد شامل اجزاي سيستم سوخت، وسايل نقلية موتوري و لوازم ورزشي ويژه مي باشد. انتظار مي رود در مدت كوتاهي تقاضاي جهاني براي نانولوله ها به طور چشمگيري افزايش يافته و تا سال 2009 به بيش از 200 ميليون دلار برسد. البته برخي از مشكلات نظير هزينه هاي بالا، خلوص نامناسب و بازده توليد كم هنوز وجود دارند كه بايد مورد توجه قرار گيرند. اگر اين مشکلات حل شوند انتظار مي رود كه افزايش تقاضاي جهاني نانولوله ها شتاب بيشتري گرفته و تا سال 2020 به بيش از 9 ميليارد دلار برسد. روشهاي مختلفي براي توليد نانو تيوب هاي کربني وجود دارد که هر کدام مزايا و محدوديت هايي دارند. انتخاب روش توليد بهينه، امر ساده اي نيست چرا که معيارهاي کمي و کيفي زيادي براي اين انتخاب وجود دارند که مقايسة آنها با يکديگر را کاري دشوار مي کند. در اين مقاله ابتدا روشهاي مختلف ساخت CNTها و مزايا و محدوديت هاي هر کدام بررسي شده و در نهايت با استفاده از روشهاي تصميم گيري چند معياره و توسط دو مدل پيشنهادي بهترين روش توليد نانو تيوب هاي کربني انتخاب مي گردد.

كليد واژه: CVD حرارتي، CVD گازي، سايش ليزري، قوس الکتريکي، نانوتيوب، کاتاليست شناور، کوره خورشيدي، AHP

منبع: sid.ir

4- باکی‌بال‌ها (مانند C60 در شکل زیر)

شکل1

گرافیت

گرافیت یکی از مهم‌ترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم کربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. این اتم های کربن به گونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک‌ شش ‌ضلعی منتظم را پدید می آورند و از مجموع آنها، صفحه ای به دست می آید که به عنوان یک « لایه گرافیت» در نظر گرفته می‌شود.

اتم‌های کربن با پیوندهای کووالانسی ـ که پیوندی قوی و محکم است ـ به یکدیگر متصل شده‌اند. لازم به ذکر است که اتم های کربن به کار رفته در یک لایه گرافیت نمی‌توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کووالانسی بدهند. بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس ـ که پیوندهایی ضعیف هستندـ به لایه زیرین متصل می شود. این مساله باعث می‌شود که صفحه‌های گرافیت به‌راحتی روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب در «روغن‌کاری» و «روان‌کاری» استفاده می‌شود. علت نرمی سطوحی که با مداد روی آنها نوشته شده است نیز همین نکته می باشد.

نانولوله‌ها

یک لایه گرافیت را در نظر بگیرید. اتم‌هایی را که در یک ردیف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ که نشان‌دهنده مختصات یک نقطه در صفحه است ـ مکان‌یابی می‌کنیم. به طوری که مختصاتn، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به ردیف اتم‌ها باشد.

همان‌طور که می‌دانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه، کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطه ی دیگر قرار دهیم. یک نانولوله مانند صفحه گرافیتی است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند، انواع مختلفی از نانولوله ها را خواهیم داشت.

شکل2

نوع زیگزاگ

برای ساختن نوع زیگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهایی(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روی اتم ابتدایی (0و0) انطباق می دهیم. برای اطمینان از درستی روش ساخت باید دقت کنیم که در آخر کار، در راستای افقی یک خط شکسته زیگزاگ به دور نانولوله ببینیم.

شکل3

نوع صندلی

در صورتی که اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روی هم قرار بگیرند، نانولوله نوع صندلی به دست می آید. در این حالت می‌توانیم بین این دو اتم یک خط مستقیم رسم کنیم که معادله آن «m=n» است. یعنی شماره ستون و ردیف هر یک از آنها با یکدیگر برابر است. در این حالت با یک بار گردش به دور نانولوله تعدادی صندلی پشت سر هم خواهیم دید.

شکل4

نوع نامتقارن

در این حالت نیز مشابه روش صندلی عمل می‌کنیم، با این تفاوت که در مختصات اتم انتهایی، m≠n خواهد بود. اگر یک بار افقی به دور نانولوله بچرخیم مجموعه‌ای از صندلی‌ها را می‌بینیم که نسبت به افق، به صورت مایل قرار گرفته‌اند.

برای ساختن مدلی از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافی است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ی انتهایی را بر نقطه ی ابتدایی منطبق نمایید.

شکل5

این لوله ها به علت آنکه دارای قطر چند نانومتری می باشند «نانولوله» نام گرفته اند. یعنی ما با اتصال دونقطه ی یک صفحه گرافیتی به هم، لوله‌ای را به دست آورده‌ایم که قطر فضای خالی داخلی آن چند میلیاردم یک متر است (اگر طول یک متر را به یک میلیارد قسمت تقسیم کنیم، ضخامتی معادل یک نانومتر به دست می‌آید).

خواص نانولوله‌ها

هریک از سه نوع نانولوله، به خاطر آرایش اتمی خاصی خود،‌ دارای خواصی می‌باشند که در اینجا به چند ویژگی مشترک بین آنها اشاره می‌کنیم:

1- خواص مکانیکی

نانولوله‌ها دارای پیوندهای محکمی در بین اتم‌هایشان می باشند وبه همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله ی کربنی چند برابر نیرویی است که برای شکستن یک قطعه فولاد ـ با ضخامتی معادل یک نانو لوله ـ احتیاج داریم.

اما جالب است که بدانیم پیوندهای بین اتمی در نانولوله‌ها علاوه بر ایجاداستحکام بالا، شکل‌پذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد! در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد.

در بررسی کاربرد نانولوله‌ها و به کار گیری خواص آنها ، می توانیم به استفاده از این ترکیبات به عنوان «رشته» در مواد مرکب، اشاره کنیم؛ به چنین موادی «کامپوزیت» می‌گویند. ملموس‌ترین مثال کامپوزیت «کاه‌گِل» است. کاه‌گِل مخلوطی از «کاه» و «گِل» است که در آن، کاه به عنوان رشته‌هایی که استحکام و انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به گل دارد، پراکنده شده است تا مانع از ترک‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمینه» می نامیم. نانولوله ها نیز چون استحکام و شکل‌پذیری خوبی دارند، ‌در مواد مرکب با زمینه‌های فلزی، پلیمری و سرامیکی استفاده می‌شوند. اما مهم‌ترین فاکتوری که که باعث برگزیدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مرکب (کامپوزیت) شده است، وزن کم آن است، در حالی که استحکام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفاده چنین مواد مرکبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بدنه هواپیما و هلیکوپتر، زه راکت‌های تنیس و ...

2- خواص فیزیکی

مهم‌ترین خاصیت فیزیکی نانولوله‌ها،«هدایت الکتریکی» آنهاست. هدایت الکتریکی نانولوله‌ها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دسته‌ای به دسته دیگر کاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جایگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتی که یک الکترون (یا بار الکتریکی) وارد مجموعه ای از اتم ها می‌شود، ارتعاش اتم‌ها بیشتر شده و در اثر برخورد با یکدیگر بار الکتریکی وارد شده را انتقال می‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بیشتر باشد، هدایت الکتریکی آن دسته از نانولوله‌ها بیشتر خواهد بود. تقسیم بندی ابتدای متن بر اساس نظم اتمهای کربن در نانولوله و در نتیجه رسانایی آنها‌ انجام شده است؛ برای مثال نانولوله نوع صندلی 1000 بار از مس رساناتر است، در حالی که نوع زیگزاگ و نوع نامتقارن نیمه رسانا هستند. خاصیت نیمه رسانایی نانولوله ها بسته به نوع آنها تغییر می کند.

* خواص فوق‌العاده نانولوله‌ها و روشهای پیچیده تولید آنها باعث شده است که قیمت هرگرم از این ماده حدود چندصد دلار باشد.

میانگین امتیاز : 4.1/5 | تعداد رای : 28

مطالعه شد

منبع: nano.ir

این نوشتار به هیچ منبع و مرجعی استناد نمی‌کند. لطفاً به بهبود این نوشتار با افزودن یادکرد به منابع قابل اعتماد کمک کنید. مواد بدون منبع ممکن است به چالش کشیده و حذف شوند .

تصویر سه بعدی از یک لوله کربنی.

نانولوله‌های کربنی‌ که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده‌است در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد.

خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشد. کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله متمرکز شده‌است. کوشش‌های گسترده‌ای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شکل نانولوله‌ها بر خواص الکتریکی صورت گرفته‌است. می‌توان گفت این علاقه ویژه به نانولوله‌ها از ساختار و ویژگی‌های بی‌نظیر آن‌ها سرچشمه می‌گیرد.

ویژگی‌های نانولوله‌های کربنی

روش‌های تولید نانو لوله‌های کربنی

کاربردهای نانولوله‌های کربنی

جمع بندی[ ویرایش ]

بعد از ساخت اولین نانولوله، دانشمندان بر روی روش‌های سنتز این نانولوله فعالیت زیادی انجام داده و توانستند به روش‌های مختلفی دست یابند و سپس سعی کردند با ارائه روش‌های متنوع بر مشکلات موجود نیز فائق بیایند که بعضی از مشکلات تا حدی مرتفع و بعضی نیز همچنان پابرجاست. با این وجود امروزه سنتز نانولوله‌ها یک مسأله کاملاً حل شده‌است لذا کمتر محققی به دنبال سنتز نانولوله با روش‌های خاص می‌باشد. می‌توان گفت امروزه بعد از گذر از مرحله سنتز به مرحله تجاری‌سازی نانولوله‌ها رسیده‌ایم، مرحله‌ای که می‌تواند توان رقابتی بالای شرکت‌ها را نمایان سازد.

بعضی اوقات تجارت به جهان داروینی شبیه می‌شود، جهانی که شرکت‌ها برای تسلط بر یکدیگر در آن با هم به رقابت می‌پردازند. در این فرایند شرکت‌های ضعیف‌تر مجبور به ترک صحنه سرمایه‌گذاری تجاری می‌شوند. به نظر می‌رسد این ماجرا در مورد یکی از شاخه‌های اصلی فناوری نانو یعنی نانولوله‌های کربنی نیز صادق می‌باشد.

شرکت‌هایی از سراسر جهان، از جزیره کوچک قبرس گرفته تا جمهوری خلق چین، ادعای ریسک و سرمایه‌گذاری بر روی نانولوله‌های کربنی را دارند. محصولاتی که از فولاد سخت‌تر، از آلومینیوم سبک‌تر و از مس ضریب هدایت بیشتری داشته و نیمه‌هادی خوبی نیز هستند. تولید کنندگان در حال سرمایه‌گذاری جهت پیشبرد این بخش و کاهش قیمت‌های این فرآورده هستند. اما در واقع بقای این شرکت‌ها وابسته به نوع نانولوله‌هایی است که ارائه می‌دهند، چه از لحاظ کیفی و چه از لحاظ ثبت اختراعات در این زمینه.

درست است که هنوز سوددهی اقتصادی نانولوله‌ها کاملاً روشن نیست، اما دانشمندان معتقدند چیزی قوی‌تر از فولاد به خوبی می‌تواند جای خود را در بازار باز کند. لذا در آینده نه چندان دور شرکت‌هایی که از نانولوله جهت بهتر کردن کیفیت محصولات خود استفاده می‌کنند بازار آینده را در اختیار خواهند گرفت.

منبع: wikipedia.org

عبارات مشایه
مطالب مرتبط :