نانوتیوب های کربنی
نانوتیوب های کربنی
و اما آخرين خبر درباره تعمير لوله هاي کربني:
رفتار ميکروسکپي يک نانوتيوب کربني(لوله نانويي از جنس کربن) که پاره است ، همانند حرکت يک کفش دوزک بنظر مي رسد. شکاف موجود در بافت نانو تيوب ناشي از تنشهاي حرارتي وارد شده به آن بوده و در حين فرآيند گذر از ساختارپنج جهي به هفت وجهي کربن در طول لوله دوخته مي شود.
نانو تيوپهاي كربني:
نانو تيوب كربني بهترين گزينه است كه تقريبا به طور اتفاقي توسط يك محقق ژاپني در سال 1991كشف شد.نانو تيوبها صفحاتي از اتمهاي كربن هستند كه درون قسمتي غلطك مانند حركت مي كنند ودر ظاهر شبيه توريهاي سيمي هستند كه بر روي يك سمت آنها پوششي قرار گرفته باشد.اين نانو تيوبها فوق العاده محكم هستند.
آنها 10 برابر از فولاد محكمتر ند در حاليكه وزنشان...
در پست قبلی یک رابطه معرفی کردم که تعداد اتمهای یک ذره کروی را به شعاع ذره مربوط میکرد. در این رابطه مقدار ثابتی وجود داره (a) که در این پست میخوام این مقدار را محاسبه کنم. قبل از محاسبه کمی باید در مورد چیدمان اتمها در ماده توضیح بدم.
نخست اینکه همونطور که همه میدونیم در فیزیک کلاسیک اتمها را به صورت کره فرض میکنند. بنابراین وقتی اتمها کنار هم قرار میگیرند حتمن فضای خالی بین آنها وجود خواهد داشت. به عبارت دیگر، کره یه حجم فضاپرکن نیست. (به این ترتیب چگالی مواد علاوه بر جرم اتمهای سازندهاش به مقدار فضای خالی بین اتمها هم بستگی داره.)
دوم اینکه طبق محاسبات براووه نقاط هندسی تنها به 14 صورت میتوانند تشکیل یه ساختار فضایی تکرارپذیر بدهندکه به آنها "شبکه براووه" میگن. معروفترین آنها سه شبکه مکعبی (cubic) و یک شبکه شش گوشه (hexagonal) هستند که اغلب عناصر خالص در این شبکه ها به صورت جامد هستند. "شبکه واحد" هم کوچکترین واحد ممکنه که به عنوان معرف شبکه نشان داده میشه.
با استفاده از این دو نکته برای هر شبکه براووه یه عدد به دست میاد که "چگالی شبکه"(A) هست (مستقل از نوع ماده). این عدد مشخص میکنه که فشردگی ساختار چقدره. این عدد برابر است با حجم کل اتمهای موجود در یک شبکه واحد به حجم کل شبکه واحد.
بنابراین رابطه بین حجم کل یه جسم (در اینجا ذره کره) و حجم یک اتم به شکل زیر به هم مربوط میشن:
چگالی شبکه* تعداد اتمها *حجم یک اتم = حجم کل جسم کروی
یا
(4/3π) r^3 = (4/3π) r0^3 * n * A
که r0 شعاع اتم هست. اگه این رابطه را با رابطه ای که در پست قبلی هست مقایسه کنیم مقدار ثابت a برابر است با:
a = r0^3 * A
بنابراین این ثابت برای مواد مختلف متفاوت خواهد بود. مقدار A در بسیاری از منابع بلورشناسی ذکر شده و مقدار آن حداکثر 0.741 هست. این مقدار مربوط به وقتی هست که اتمها در کنار هم به راحتی قرار بگیرند. مثل توپهای حوض پر از توپ که توی پارکها برای بازی بچه ها هست. برای آهن من با فرض اینکه r برحسب نانومتر باشه a را به دست آوردم: 0.00136025568 . آهن در دماهای متفاوت در دو شبکه متفاوت شکل می گیره. که من این عدد را برای شبکه مکعبی مرکزدار به دست آوردم. کسی می دونه مقدار چگالی شبکه برای مکعبی مرکز دار چقدره؟
چندتا اتم میشه یک نانومتر؟ قطر اتمهای آهن 2.52 آنگسترومه، پس 4 تا اتم آهن پشت سر هم که باشن یه خط بلندتر از یک نانومتر درست میشه. خوب حالا به نظرتون چندتا اتم لازمه تا یک کره 100 نانومتری شکل بگیره؟ ... یه تخمین بزنین... 200 تا؟ 400 تا؟ 1000تا؟
محاسبه این عدد آسونه. برای ساختن این کره کوچک بیش از 5300000 اتم آهن لازمه! این عدد بزرگ به خاطر رابطه توان سوم شعاع و تعداد ذرات هست:
r^3=a.n
که r شعاع ذره و n تعداد اتم هاست و a یه ثابته.
این افزایش جادویی راز بزرگ دنیای نانو هستش. وقتی با اندازه های کوچک سروکار داریم نسبت اتمهای سطحی به کل اتمها به طور فزاینده ای افزایش پیدا میکنه. این چیز عجیبی نیست اما توجه کنید که نرخ این تغییر خطی نیست.
خوب حالا کسی میدونه که ثابت a مقدارش چقدره؟
نانوتیوب های کربنی از نظر خواص الکتریکی میتونن رسانا (metallic) یا نیمه رسانا (semiconductor) باشن. ایده ساختن مدارهای مجتمع کوچکتر و سریعتر هم با کشف نانوتیوب ها (هم کربنی و هم انواع دیگه) قوت گرفته. یکی از مشکلاتی که این ایده داره اینه که هنوز روش جداسازی مناسبی برای جدا کردن نانوتیوب های رسانا و نیمه رسانا پیدا نشده. اخیرا Hongjie Dai دردانشگاه استنفورد یه روشی جالبی واسه جداسازی به دست آورده. توی این روش اول یه سرینانوتیوب مخلوط روی زمینه سیلیکونی درست می کنن و بعد با استفاده از پلاسما-متاننانوتیوب های رسانا را می سوزونن. چیزی که باقی میمونه را با یک فرایند حرارتی سادهدیگه تمیز میکنن (آثار پلاسمای قبلی رو از بین می برن) و در نهایت نانوتیوب هاینیمه رسانا با خلوص بالا باقی میمونه. اینجا بهتر در این مورد توضیح داده. در ضمن بیشتر مقالات Dai وگروهش رایگاناین جا هست.
اینم یه عکس خوشگل از یک نانوتیوب دوسر (Y shaped) که با میکروسکوپ الکترونی عبوری گرفته شده. میگن میشه از این محصول به عنوان ترانزیستور استفاده کرد. زیاد در این مورد چیزی نمیدونم اما اینجا یه چیزایی نوشته.
+ نوشته شده در Thu 14 Dec 2006ساعت توسط روزبه | آرشیو نظرات
من می خوام در مورد مکانیزم رشد کربن نانو تیوب ها در روش CVD صحبت کنم. فرض کنیم یک ذره فلز آهن به اندازه قطر 20 نانومتر داشته باشیم. که گاز استیلن در دمای 1023 درجه کلوین از روی آن می گذرد. گاز استیلن در تماس با آهن تجزیه میشه:
C2H2 = H2 + 2C Fecatalyst
در این واکنش دو اتم کربن از یک مولکول استیلن جدا می شن. اتم های کربن به تدرج داخل ذره آهن نفوذ می کنند و آن را اشباع می کنند. پس از آنکه ذره اشباع شد. اتم های کربن از داخل ذره خارج می شوند و کربن نانوتیوب به تدریج تشکیل میشه. حالا چرا کربن اول وارد کاتالیست میشه و بعد تیوب را تشکیل میده؟ این چندان مشخص نیست. اما چون شروع رشد تیوب با تاخیر هستش، گفته میشه که
اول ذره اشباع میشه (درشکل سطح مقطع ذره آهن و کربن نانوتیوب روی آن را می بینیم):
ما اینجا میتونیم با استفاده از قانون اول فیک در مورد نفوذ، سرعت نفوذ کربن در ذره آهن را حساب کنیم. واز روی اون سرعت رشد نانوتیوب را به سادگی حساب کنیم:
مقدار کربنی که وارد ذره آهن می شود = مقدار کربنی که از ذره خارج می شود
حالا اگر فرض کنیم سرعت نفوذ مقدار کربن وارد شونده را محدود میکنه، پس می تونیم رابطه زیر را بنویسیم:
سرعت نفوذ(گرم بر ثانیه)×زمان فرایند(ثانیه) = مقدار کربن ورودی(گرم)
مقدار کربن خروجی هم که مقدار نانوتیوب هستش:
جرم نانوتیوب (سانتیمتر مکعب)×چگالی کربن(گرم بر سانتیمتر مکعب) = مقدار کربن نانوتیوب(گرم)
با حل دو معادله بالا زمان فرایند به دست می آد.
پس سرعت رشد نانو تیوب که میشه: (طول نانوتیوب تقسیم بر زمان فرایند ) به دست می آید. البته اینجا فرض شده که سرعت رشد ثابت هست. من برای دمای 1023 کلوین سرعت رشد نانوتیوب را به دست آوردم که در حدود 0.5 میکرومتر بر ثانیه بود. البته این یک شرایط ایده آله و قابل استناد نیست. اما این مقدار به مقدار تجربی نزدیکه. کربن نانوتیوب ها اغلب در همون لحظات اول واکنش تشکیل میشن و رشد اون ها عقیم می مونه. خیلی ها سعی کردند که رشد آنها بهینه بشه. و این کار هنوز هم ادامه داره. اما هزینه این کارها خیلی بالاست و به صرفه نیست. بزرگترین کربن نانوتیوب های ساخته شده در حد چند میلیمتر هستند که برای آزمایش خواص الکتریکی کربن نانوتیوب ها مورد استفاده اند.
پی نوشت: چیزی که من اینجا توضیح دادم خیلی ساده شده بود. اگه سوالی هست جواب میدم.
نانو تیوبهای کربنی لوله هایی به قطر ۰.۷ تا چند ۱۰ نانومتر و طول چند نانو متر تا چندمیکرومتر هستند که در آنها ساختار گرافیتی کربن به شکل یک ورقه لوله شده در آمدهاست. این لوله ها می توانند یک لایه، single-wall یا چند لایه، multi-wall باشند. روش های تولید این مواد متنوع است.
یکی از اینروش ها روش رسوب دهی بخار شیمیایی CVD است که در این روش یک گاز حاوی کربن مثلاستیلن C2H2 را از روی یک بستر حاوی کاتالیزور به آهستگی و معمولا در دمای ۶۰۰-۱۰۰۰درجه سانتیگراد عبور می دهند. گاز در کنار کاتالیزور و در دمای بالا واکنش می دهد وکربن آزاد می کند. در حضور ذرات ریز کاتالیزور (مثل آهن، کبالت و ...) لوله هایکربنی رشد می کنند. البته روش های تهیه دیگری هم وجود دارد.
برای این مواد هنوز روش تولید مقرون به صرفهای پیدا نشده و تحقیقات بر روی آن ادامه دارد. از این مواد در ساخت کامپوزیت ها بهعنوان استحکام دهنده، در داروسازی به عنوان حامل دارو، در بعضی مدارهای الکتریکی وچند جای دیگر به صورت محدود استفاده می شود. صنعت امید زیادی به این محصول داشتهاما با قیمت بالایی این محصول نمی توان آینده ای درخشانی برای این مواد تصور کردمگر اینکه راه چاره ای پیدا شود!
در مورد مکانیزم رشد این مواد در یک پست دیگرصحبت خواهم کرد.