كشف نانولوله های كربنی در سال 1991 توسط دكتر سومیو ایجیما و به صورت كاملاً اتفاقی در هنگام مطالعۀ تخلیۀ قوس الكتریكی از سطوح الكترودهای كربن انجام شد. در حال حاضر، دو نوع متفاوت از این نانولوله ها وجود دارد، نوع چند دیواره ای و تك دیواره ای كه به ترتیب در سال های 1991 و 1993 كشف شدند. نوع چند دیواره ای از الیاف گرافیتی ساخته میشود در حالی كه نانولوله های تك دیواره ای از الیاف فولرین كشیده شده، تشكیل شده اند. از آنجا كه قطر نانولوله های تك دیواره ای نسبت به طول آنها خیلی كم است (معمولاً در حد چند میكرون) این ساختار كربنی را میتوان ساختاری تك بعدی دانست.
برای تولید نانولوله های كربنی روش های مختلفی پیشنهاد شده است. نانولوله های كربنی نخستین بار در نوك الكترودهای گرافیتی در هنگام تخلیۀ قوس الكتریكی كه برای تولید فولرین استفاده شده بود، به دست آمد. با تنظیم شرایط قوس DC لایه های استوانه ای شكل در حد چند گرم از نوع چند دیواره ای تهیه گردید. نانولولۀ تك دیواره ای اولین بار از طریق قوس الكتریكی توسط كاتالیزور آهن و كبالت در پلاسمای كربن تولید شد. فرآیند تولید این نانولوله های كربنی پیچیده و گران است كه علت آن هم ناخالص بودن فرایند تولید نوع تك دیواره ای است كه هزینۀ خالص سازی آن گران تمام میشود، اما خصوصیات مفید نوع تك دیواره ای بیشتر از چند دیواره ای است. در پایان بحثی مختصر درمورد خالص سازی نانولوله ها ارائه شده است.
خصوصیات خارق العادۀ نانولوله های كربنی
نانولوله های كربنی دارای خواص فیزیكی متفاوتی میباشند، اما تعدادی از خواص فیزیكی عمومی آنها را میتوان چنین ذكر كرد. نانولوله ها دارای قطری در حد یك نانومتر، مدول الاستیسیتۀ یك تراپاسكال، استحكام كششی 200 گیگاپاسكال (كه 10 تا 30 درصد بیشتر از هر ماده دیگر است)، نسبت استحكام به وزن 500 برابر آلومینیوم، ضریب بالای انتقال حرارت درجهت طول (W/mK 300) و با هدردهی كم درجهت شعاعی، هدایت الكتریكی حدود 6 برابر مس خالص، سبك مثل گرافیت و سفت چون فولاد و تیتانیوم میباشند. نانولوله ها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالایی برخوردارند.
انتقال الكترون در نانولوله هامنحصر بفرد است و به همین دلیل نانولوله ها در جهت محور شدیداً رسانا هستند، همچنین رسانایی گرمایی آنها در جهت محور بسیار بالا است. نانولوله ها از لحاظ كاتالیزوری فعال میباشند و خاصیت مویینگی بالایی دارند و میتوانند گازها و مایعات را در خود جای دهند.
از نانولوله های چنددیواره ای به عنوان الكترود در واكنش های بیوالكتروشیمیایی استفاده شده است. نانولوله ها میتوانند واكنش های احیای اكسیژن را كاتالیز كنند. سرعت انتقال الكترون در نانولوله بیشتر از الكترودهای كربنی است و ذخیرۀ هیدروژن در داخل حفره های نانولوله های تك دیواره ای امكان پذیر میباشد.
هرچه قطر نانولوله بیشتر باشد واكنش پذیری آن كمتر خواهد بود. سختی نانولوله تك جداره ای درحد الماس است. نانولوله های كربنی به خاطر شبكه ای از پیوندهای C-C كه دارند، ساختاری بدون درز و در عین حال نرم و انعطاف پذیر ایجاد كرده اند.
نانولوله ها از نظر الكتریكی نیز به دو نوع نانولوله های فلزی و نانولوله های غیرفلزی یا نیمه هادی تقسیم بندی میشوند. در كل نانولوله ها با لوله شدن صفحات مسطح كربن شكل می گیرند، در این فرآیند دو اتم روی سطح انتخاب میشوند و طوری جابجا میشوند كه فقط یكی از آنها درون ساختار می ماند و در این صورت، محل دو اتم یكسان میشود، یك اتم به عنوان مبدأ و اتم دیگر به عنوان نقطۀ مقصد عمل می كند. برداری كه از مبدأ این دو اتم را می پیماید به نام بردار كایرال نامیده میشود. خصوصیات الكتریكی نانولوله ها نیز برگرفته از خصوصیت كایرالیتی آنها میباشد.
در اواخر دهۀ 90 نانولوله های كربنی برای اولین بار در صنعت به عنوان ترانزیستور به كار رفتند. اولین استفادۀ تجاری از نانولوله ها نیز در باتری لیتیوم گرافیتی بود. امروزه در ساخت 60 درصد زا باتری ها و رایانه های همراه از نانولوله های كربنی چند جداره ای استفاده میشود، گرچه این نوع نانولوله ها خلوص پایینی دارند، اما وظیفۀ خود را به خوبی در بهبود ظرفیت جذب انرژی و افزایش عمر باتری انجام می دهند.
چند كاربرد از نانولوله های كربنی
كاربردهای زیادی برای نانولوله های كربنی تصور میشود و تعداد زیادی كاربرد نیز برای آن پیدا شده كه عبارتند از:
نانوسوئیچ ها و نانوحسگرهایی كه با قرار دادن نانولوله های تك جداره ای به ابعاد 600 نانومتر درون كریستال مایعی بنام E7 ساخته میشوند. با تغییر جهت این نانولوله ها نسبت به جهت قرارگیری اولیه شان بین صفر تا 90 درجه و با اعمال گشتاوری روی نانولوله توسط ایجاد میدان الكترومغناطیسی متغیر، میتوان جهت نانولوله ها را نسبت به جهت اولیه شان تغییر داد و از این خصوصیت در نانوسوئیچ ها و نانوحسگرها برای مقاصد خاص استفاده نمود. نانوفوم هایی كه از طریق تبخیر مایع حاوی آرایه های نانولوله های چند جداره ایجاد شده اند، فوم هایی دوبعدی میباشند و بعلت تخلخل زیاد خاصیت جذب ضربۀ بالایی دارند و در سپر و لاستیك خودروها به عنوان جاذب ضربه و تقویت كنندۀ ساختاری به كار میروند. دانشمندی بنام بامن اخیراً كشف كرد كه با تغییر میزان الكترون ها روی یك نانولولۀ كربنی طول آن تغییر می كند و این پدیده به ایده ای در تولید ماهیچه های مصنوعی منجر شده و كاربرد آن روی عملگرها و روبات های میكرو و نانو مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. نانوحسگرهای جدیدی با استفاده از نانولوله های كربنی ساخته شده اند كه برای تشخیص نشت گاز به كار می روند. این حسگرها بسیار كم مصرف تر، كوچكتر، حساس تر و ارزان تر از موارد مشابه میباشند و حتی با كمی تغییر میتوانند به حسگر شیمیایی حساس به مواد مختلف تبدیل شوند.
لامپ جدیدی در چین ساخته شده كه در آن به جای رشته های تنگستن از رشته نانولوله های كربنی استفاده شده است كه در آینده ای نزدیك به بازار خواهد آمد. در این لامپ ها نور در طول نانولوله ها متصاعد میشود و برای انتشار نور به ولتاژ آستانۀ كمتری نیاز است. با ولتاژ برابر، نور بیشتری تولید می كند و مقاومت حرارتی آن تا حدود 1750 كلوین است. به مدت 360 ساعت مداوم روشن می ماند و قادر به تحمل 5000 مرتبۀ خاموش و روشن كردن است.
صفحۀ نمایش های تاشونده كه از نانولوله های كربنی رشد داده شده برروی پلاستیك ساخته شده اند، حتی امكان تولید لباس های رایانه ای را نیز فراهم آورده اند. در پیل های سوختی جدید نیز میتوان از این صفحات پلاستیكی استفاده نمود.
محققین آزمایشگاه ملی نورث وسترن پاسیفیك فرآیندی را برای روكش دهی فیلترهای جاذب فلزات سمی آب طراحی كرده اند. نانوفیلترهای جدید دارای منافذ ریزی هستند كه قادر به جداسازی باكتری ها، یون ها، املاح سنگین آب و فلزاتی همچون سرب و جیوه به صورت فیزیكی میباشند. این فیلترها، با كاهش هزینۀ فیلتراسیون، نیاز یك میلیون انسان محروم از آب بهداشتی را برآورده می كند. درضمن با به كار بردن این فیلترها میتوان عناصری را كه باعث سنگین شدن آب میشود نیز جدا كرد.
انواع نانولوله های كربنی
نانولوله های كربنی تك دیواره (SWCNT)
ساختار این نوع نانولوله های كربنی از یك صفحه گرافیتی تشكیل شده است كه به صورت لوله درآمده و درزی ندارد. طول و قطر نانولوله به نوع كاتالیست فلزی بستگی دارد كه در روش سنتز آن به كار می رود. بیشترین طول در حد چند میكرون است و قطر هم بین 1 تا 3 نانومتر تغییر می كند. خواص فیزیكی آن به عنوان یك مادۀ تك بعدی، بین خواص ملكولی و مادۀ چگال پیش بینی می شود.
نانولوله های كربنی چنددیواره (MWCNT)
در یك بیان ساده میتوان این نوع را متشكل از نانولوله های كربنی تك دیواره دانست كه به صورت تودرتو قرار گرفته اند. 30 تا 50 درصد از نانولوله های كربنی چنددیواره توسط روش تخلیۀ قوس الكتریكی و از كربن خالص تولید میشوند. میتوان با خالص سازی نانولوله های چند دیواره، نانولوله های تك دیواره تولید كرد.
تولید نانولوله های كربنی
سه روش عمدۀ تولید نانولوله های كربنی تخلیۀ قوس، لایه برداری با لیزر و ایجاد رسوب شیمیایی از فاز بخار میباشند. در تخلیۀ قوس، بخار كربن توسط قوس بین دو الكترود كربنی به وجود می آید كه ممكن است در حضور كاتالیست انجام شود. نانولوله های كربنی به طور خودبخود از بخار كردن حاصله رسوب می كنند. در تكنیك لایه برداری با لیزر، یك لیزر پرقدرت به حجمی از مواد اولیۀ گازی حاوی كربن برخورد می كند (متان یا مونوكسید كربن). در این لحظه لیزر مقدار كمی نانولولۀ كربنی خالص تولید می كند. در حالی كه روش تخلیۀ قوس مقدار زیادی نانولوله كربنی ناخالص تولید می كند. روش رسوب شیمیایی از فاز بخار نیز در كل منجر به تولید MWCNT یا SWCNT با كیفیت پایین میشود. البته SWCNT های تولید شده با رسوب شیمیایی فاز بخار قطر زیادی دارند كه به سختی میتواند كنترل شود. ولی از جهت دیگر این روش بسیار آسان است و میتوان در ابعاد بزرگ از آن استفاده نمود.
روش تخلیۀ قوس
این روش مخلوطی از تركیبات را به وجود می آورد و یك مرحلۀ جداسازی نانولوله های كربنی از دوده و فلزات كاتالیزور كه در محصول وارد میشوند، لازم خواهد بود.
در این روش نانولوله های كربنی به واسطۀ تبخیر با قوس ایجاد شده بین دو الكترود كربنی كه به صورت سر به سر در مقابل هم و به فاصلۀ 1 میلی متر از هم و در یك محفظه از گاز خنثی (هلیوم و آرگون) و در فشار كم قرار دارند، به وجود می آیند. مشاهدات اخیر نشان می دهد كه میتوان نانولوله های كربنی را با روش قوس و در نیتروژن مایع تولید كرد. یك جریان مستقیم در حدود 50 تا 100 آمپر و با ولتاژ 20 ولت، قوسی با دمای بالا را بین دو الكترود ایجاد می نماید. این تخلیۀ بار یكی از الكترودها را تبخیر می كند و بر روی الكترود دیگر می نشاند. البته بازدهی تولید نانولوله های كربنی به یكنواختی قوس پلاسما و دمای رسوب تشكیل شده بر روی الكترود كربنی بستگی دارد.
بسته به شرایط دقیق این تكنیك و استفاده و یا عدم استفاده از كاتالیزور در داخل الكترود آند ممكن است كه به توان SWCNT و یا MWCNT را رشد داد.
روش لایه برداری با لیزر
در سال 1995، Smalley و گروهش گزارشی از تولید نانولوله های كربنی با استفاده از تبخیر توسط لیزر ارائه دادند. یك لیزر پیوسته برای تبخیر قطعۀ گرافیتی قرار گرفته در یك محفظه و در دمای 1200 درجه سانتیگراد به كار رفته است. محفظه با گاز هلیوم یا گاز خنثی دیگری پر میشود. در این روش یك بخار دود مانن شكل می گیرد كه بعد از تشكیل به سرعت سرد میشود. با سرد شدن بخار، ملكول های كوچك كربن برای تشكیل ذرات بزرگتر یا كلاسترها چگالیده میشوند و كاتالیست نیز شروع به چگالش می كند كه در ابتدا این كار به آهستگی انجام میشود. كاتالیست نیز به این كلاسترهای كربنی افزوده میشود و جلوی نزدیك شدن آنها برای تشكیل ساختار حجیم را می گیرد. از این كلاسترهای اولیه ملكول های لوله ای به شكل SWCNT رشد می كنند. این كار تا زمانی كه ذرات كاتالیزور بزرگتر شوند یا تا زمانی كه به مقدار كافی سرد شوند كه كربن نتواند در سطح ذرات كاتالیزور نفوذ كند، ادامه می یابد. ممكن است كه سطح كاتالیزورها از یك لایۀ كربن پوشیده شود و آنها نتوانند جذب سطحی بیشتری را انجام دهند و رشد نانولوله ها متوقف شود. نانولوله های كربنی به دست آمده از این روش با نیروهای واندروالس به هم متصل هستند.
رسوب شیمیایی از فاز بخار
رسوب شیمیایی از فاز بخار (CVD) با قرار دادن یك ماده گازی حاوی كربن و استفاده از یك منبع انرژی مانند پلاسما و یا كویل گرم شدۀ مقاومتی برای انتقال انرژی به ملكول گازی كربن به دست می آید. مواد گازی كربن داری كه عمدتاً استفاده میشوند عبارتند از متان، مونوكسید كربن و استیلن. یك منبع انرژی نیز برای شكستن ملكول ها به كربن فعال به كار می رود. سپس كربن در روی ماده ای كه با كاتالیست پوشش داده شده نفوذ می كند. اگر پارامترهای مناسب برقرار باشد، نانولوله های كربنی تشكیل خواهند شد. همانطور كه كنترل خوبی بر سرعت رشد نانولوله ها وجود دارد كنترل بر روی قطر آنها نیز بایستی وجود داشته باشد. فلز كاتالیست مناسب میتواند موجب رشد بیشتر SWCNT ها نسبت به MWCNT ها شود.
تولید نانولوله های كربنی با روش CVD، یك فرآیند دو مرحله ای است كه از یك مرحلۀ تهیۀ كاتالیست و یك مرحلۀ سنتز عملی نانولوله ها تشكیل شده است. دمای موردنیاز برای سنتز CNT به روش CVD، بین 650-900 درجه سانتی گراد است. بازده این روش حدود 30 درصد است.
در یك تحقیق، تأثیر دمای سنتز و میزان كاتالیزور نیكل برروی رشد نانولوله های كربنی تولید شده توسط روش CVD بررسی گردید. نانولوله های كربنی كه دارای قطری بین 50 تا 15 نانومتر و طولی بین چند تا چند ده میكرومتر هستند، برروی كاتالیزور كامپوزیتی Ni/Al توسط این فرآیند از گاز متان سنتز شدند. علاوه بر تغییرات دما مقدار Ni در كاتالیزور Al/Ni نیز بین 5 تا 15 درصد وزنی تغییر داده شد. با افزایش دما و مقدار نیكل تا 15 درصد وزنی بازده تولید نانولوله ها تا 17 برابر افزایش یافت. با افزایش میزان نیكل خلوص نانولوله ها كاهش و قطر آنها افزایش یافت. این نتایج نشان داد كه سرعت رشد، قطر و بلورینگی CNT میتواند با تغییر دمای سنتز و تركیب كاتالیست تغییر كند.
خالص سازی TNCWM
در پروسۀ جداسازی MWCNT ، ابتدا باید نانوذرات و قطعات گرافیت جدا شوند. این عمل بسیار مشكل است. مهمترین دلیل این امر این است كه روش های عادی جداسازی، مانند فیلتر كردن یا سانتریفیوژ، برای جدا كردن ذرات بزرگ گرافیت موثر هستند ولی برای جداسازی نانوذرات گرافیت مناسب نیست. بنابراین روشی كه بعد از سوزاندن محصول در یك اتمسفر اكسیدی و حذف ذرات بزرگ گرافیت كه تنها نانولوله های كربنی را باقی می گذارد، پیشنهاد شده است.
این روش به این جهت مفید است كه نانوذرات كربنی سریعتر از MWCNT ها می سوزند. واكنش با اكسیژن از لبه های نانولوله های كربنی شروع میشود و به مركز آنها می رسد. در مقایسه با نانوذرات، از آنجایی كه MWCNT ها طول بیشتری ا زبقیه نانوذرات دارند، زمان بیشتری طول می كشد تا كاملاً بسوزند. ولی طول نانولوله های كربنی به دست آمده خیلی كوتاه است.
منبع: نشریه مكانیك دانشگاه صنعتی شریف
تاپیک های مشابه:
تاپیک: نانو لوله های کربنی
برای تولید نانولوله های كربنی روش های مختلفی پیشنهاد شده است. نانولوله های كربنی نخستین بار در نوك الكترودهای گرافیتی در هنگام تخلیۀ قوس الكتریكی كه برای تولید فولرین استفاده شده بود، به دست آمد. با تنظیم شرایط قوس DC لایه های استوانه ای شكل در حد چند گرم از نوع چند دیواره ای تهیه گردید. نانولولۀ تك دیواره ای اولین بار از طریق قوس الكتریكی توسط كاتالیزور آهن و كبالت در پلاسمای كربن تولید شد. فرآیند تولید این نانولوله های كربنی پیچیده و گران است كه علت آن هم ناخالص بودن فرایند تولید نوع تك دیواره ای است كه هزینۀ خالص سازی آن گران تمام میشود، اما خصوصیات مفید نوع تك دیواره ای بیشتر از چند دیواره ای است. در پایان بحثی مختصر درمورد خالص سازی نانولوله ها ارائه شده است.
خصوصیات خارق العادۀ نانولوله های كربنی
نانولوله های كربنی دارای خواص فیزیكی متفاوتی میباشند، اما تعدادی از خواص فیزیكی عمومی آنها را میتوان چنین ذكر كرد. نانولوله ها دارای قطری در حد یك نانومتر، مدول الاستیسیتۀ یك تراپاسكال، استحكام كششی 200 گیگاپاسكال (كه 10 تا 30 درصد بیشتر از هر ماده دیگر است)، نسبت استحكام به وزن 500 برابر آلومینیوم، ضریب بالای انتقال حرارت درجهت طول (W/mK 300) و با هدردهی كم درجهت شعاعی، هدایت الكتریكی حدود 6 برابر مس خالص، سبك مثل گرافیت و سفت چون فولاد و تیتانیوم میباشند. نانولوله ها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالایی برخوردارند.
انتقال الكترون در نانولوله هامنحصر بفرد است و به همین دلیل نانولوله ها در جهت محور شدیداً رسانا هستند، همچنین رسانایی گرمایی آنها در جهت محور بسیار بالا است. نانولوله ها از لحاظ كاتالیزوری فعال میباشند و خاصیت مویینگی بالایی دارند و میتوانند گازها و مایعات را در خود جای دهند.
از نانولوله های چنددیواره ای به عنوان الكترود در واكنش های بیوالكتروشیمیایی استفاده شده است. نانولوله ها میتوانند واكنش های احیای اكسیژن را كاتالیز كنند. سرعت انتقال الكترون در نانولوله بیشتر از الكترودهای كربنی است و ذخیرۀ هیدروژن در داخل حفره های نانولوله های تك دیواره ای امكان پذیر میباشد.
هرچه قطر نانولوله بیشتر باشد واكنش پذیری آن كمتر خواهد بود. سختی نانولوله تك جداره ای درحد الماس است. نانولوله های كربنی به خاطر شبكه ای از پیوندهای C-C كه دارند، ساختاری بدون درز و در عین حال نرم و انعطاف پذیر ایجاد كرده اند.
نانولوله ها از نظر الكتریكی نیز به دو نوع نانولوله های فلزی و نانولوله های غیرفلزی یا نیمه هادی تقسیم بندی میشوند. در كل نانولوله ها با لوله شدن صفحات مسطح كربن شكل می گیرند، در این فرآیند دو اتم روی سطح انتخاب میشوند و طوری جابجا میشوند كه فقط یكی از آنها درون ساختار می ماند و در این صورت، محل دو اتم یكسان میشود، یك اتم به عنوان مبدأ و اتم دیگر به عنوان نقطۀ مقصد عمل می كند. برداری كه از مبدأ این دو اتم را می پیماید به نام بردار كایرال نامیده میشود. خصوصیات الكتریكی نانولوله ها نیز برگرفته از خصوصیت كایرالیتی آنها میباشد.
در اواخر دهۀ 90 نانولوله های كربنی برای اولین بار در صنعت به عنوان ترانزیستور به كار رفتند. اولین استفادۀ تجاری از نانولوله ها نیز در باتری لیتیوم گرافیتی بود. امروزه در ساخت 60 درصد زا باتری ها و رایانه های همراه از نانولوله های كربنی چند جداره ای استفاده میشود، گرچه این نوع نانولوله ها خلوص پایینی دارند، اما وظیفۀ خود را به خوبی در بهبود ظرفیت جذب انرژی و افزایش عمر باتری انجام می دهند.
چند كاربرد از نانولوله های كربنی
كاربردهای زیادی برای نانولوله های كربنی تصور میشود و تعداد زیادی كاربرد نیز برای آن پیدا شده كه عبارتند از:
نانوسوئیچ ها و نانوحسگرهایی كه با قرار دادن نانولوله های تك جداره ای به ابعاد 600 نانومتر درون كریستال مایعی بنام E7 ساخته میشوند. با تغییر جهت این نانولوله ها نسبت به جهت قرارگیری اولیه شان بین صفر تا 90 درجه و با اعمال گشتاوری روی نانولوله توسط ایجاد میدان الكترومغناطیسی متغیر، میتوان جهت نانولوله ها را نسبت به جهت اولیه شان تغییر داد و از این خصوصیت در نانوسوئیچ ها و نانوحسگرها برای مقاصد خاص استفاده نمود. نانوفوم هایی كه از طریق تبخیر مایع حاوی آرایه های نانولوله های چند جداره ایجاد شده اند، فوم هایی دوبعدی میباشند و بعلت تخلخل زیاد خاصیت جذب ضربۀ بالایی دارند و در سپر و لاستیك خودروها به عنوان جاذب ضربه و تقویت كنندۀ ساختاری به كار میروند. دانشمندی بنام بامن اخیراً كشف كرد كه با تغییر میزان الكترون ها روی یك نانولولۀ كربنی طول آن تغییر می كند و این پدیده به ایده ای در تولید ماهیچه های مصنوعی منجر شده و كاربرد آن روی عملگرها و روبات های میكرو و نانو مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. نانوحسگرهای جدیدی با استفاده از نانولوله های كربنی ساخته شده اند كه برای تشخیص نشت گاز به كار می روند. این حسگرها بسیار كم مصرف تر، كوچكتر، حساس تر و ارزان تر از موارد مشابه میباشند و حتی با كمی تغییر میتوانند به حسگر شیمیایی حساس به مواد مختلف تبدیل شوند.
لامپ جدیدی در چین ساخته شده كه در آن به جای رشته های تنگستن از رشته نانولوله های كربنی استفاده شده است كه در آینده ای نزدیك به بازار خواهد آمد. در این لامپ ها نور در طول نانولوله ها متصاعد میشود و برای انتشار نور به ولتاژ آستانۀ كمتری نیاز است. با ولتاژ برابر، نور بیشتری تولید می كند و مقاومت حرارتی آن تا حدود 1750 كلوین است. به مدت 360 ساعت مداوم روشن می ماند و قادر به تحمل 5000 مرتبۀ خاموش و روشن كردن است.
صفحۀ نمایش های تاشونده كه از نانولوله های كربنی رشد داده شده برروی پلاستیك ساخته شده اند، حتی امكان تولید لباس های رایانه ای را نیز فراهم آورده اند. در پیل های سوختی جدید نیز میتوان از این صفحات پلاستیكی استفاده نمود.
محققین آزمایشگاه ملی نورث وسترن پاسیفیك فرآیندی را برای روكش دهی فیلترهای جاذب فلزات سمی آب طراحی كرده اند. نانوفیلترهای جدید دارای منافذ ریزی هستند كه قادر به جداسازی باكتری ها، یون ها، املاح سنگین آب و فلزاتی همچون سرب و جیوه به صورت فیزیكی میباشند. این فیلترها، با كاهش هزینۀ فیلتراسیون، نیاز یك میلیون انسان محروم از آب بهداشتی را برآورده می كند. درضمن با به كار بردن این فیلترها میتوان عناصری را كه باعث سنگین شدن آب میشود نیز جدا كرد.
انواع نانولوله های كربنی
نانولوله های كربنی تك دیواره (SWCNT)
ساختار این نوع نانولوله های كربنی از یك صفحه گرافیتی تشكیل شده است كه به صورت لوله درآمده و درزی ندارد. طول و قطر نانولوله به نوع كاتالیست فلزی بستگی دارد كه در روش سنتز آن به كار می رود. بیشترین طول در حد چند میكرون است و قطر هم بین 1 تا 3 نانومتر تغییر می كند. خواص فیزیكی آن به عنوان یك مادۀ تك بعدی، بین خواص ملكولی و مادۀ چگال پیش بینی می شود.
نانولوله های كربنی چنددیواره (MWCNT)
در یك بیان ساده میتوان این نوع را متشكل از نانولوله های كربنی تك دیواره دانست كه به صورت تودرتو قرار گرفته اند. 30 تا 50 درصد از نانولوله های كربنی چنددیواره توسط روش تخلیۀ قوس الكتریكی و از كربن خالص تولید میشوند. میتوان با خالص سازی نانولوله های چند دیواره، نانولوله های تك دیواره تولید كرد.
تولید نانولوله های كربنی
سه روش عمدۀ تولید نانولوله های كربنی تخلیۀ قوس، لایه برداری با لیزر و ایجاد رسوب شیمیایی از فاز بخار میباشند. در تخلیۀ قوس، بخار كربن توسط قوس بین دو الكترود كربنی به وجود می آید كه ممكن است در حضور كاتالیست انجام شود. نانولوله های كربنی به طور خودبخود از بخار كردن حاصله رسوب می كنند. در تكنیك لایه برداری با لیزر، یك لیزر پرقدرت به حجمی از مواد اولیۀ گازی حاوی كربن برخورد می كند (متان یا مونوكسید كربن). در این لحظه لیزر مقدار كمی نانولولۀ كربنی خالص تولید می كند. در حالی كه روش تخلیۀ قوس مقدار زیادی نانولوله كربنی ناخالص تولید می كند. روش رسوب شیمیایی از فاز بخار نیز در كل منجر به تولید MWCNT یا SWCNT با كیفیت پایین میشود. البته SWCNT های تولید شده با رسوب شیمیایی فاز بخار قطر زیادی دارند كه به سختی میتواند كنترل شود. ولی از جهت دیگر این روش بسیار آسان است و میتوان در ابعاد بزرگ از آن استفاده نمود.
روش تخلیۀ قوس
این روش مخلوطی از تركیبات را به وجود می آورد و یك مرحلۀ جداسازی نانولوله های كربنی از دوده و فلزات كاتالیزور كه در محصول وارد میشوند، لازم خواهد بود.
در این روش نانولوله های كربنی به واسطۀ تبخیر با قوس ایجاد شده بین دو الكترود كربنی كه به صورت سر به سر در مقابل هم و به فاصلۀ 1 میلی متر از هم و در یك محفظه از گاز خنثی (هلیوم و آرگون) و در فشار كم قرار دارند، به وجود می آیند. مشاهدات اخیر نشان می دهد كه میتوان نانولوله های كربنی را با روش قوس و در نیتروژن مایع تولید كرد. یك جریان مستقیم در حدود 50 تا 100 آمپر و با ولتاژ 20 ولت، قوسی با دمای بالا را بین دو الكترود ایجاد می نماید. این تخلیۀ بار یكی از الكترودها را تبخیر می كند و بر روی الكترود دیگر می نشاند. البته بازدهی تولید نانولوله های كربنی به یكنواختی قوس پلاسما و دمای رسوب تشكیل شده بر روی الكترود كربنی بستگی دارد.
بسته به شرایط دقیق این تكنیك و استفاده و یا عدم استفاده از كاتالیزور در داخل الكترود آند ممكن است كه به توان SWCNT و یا MWCNT را رشد داد.
روش لایه برداری با لیزر
در سال 1995، Smalley و گروهش گزارشی از تولید نانولوله های كربنی با استفاده از تبخیر توسط لیزر ارائه دادند. یك لیزر پیوسته برای تبخیر قطعۀ گرافیتی قرار گرفته در یك محفظه و در دمای 1200 درجه سانتیگراد به كار رفته است. محفظه با گاز هلیوم یا گاز خنثی دیگری پر میشود. در این روش یك بخار دود مانن شكل می گیرد كه بعد از تشكیل به سرعت سرد میشود. با سرد شدن بخار، ملكول های كوچك كربن برای تشكیل ذرات بزرگتر یا كلاسترها چگالیده میشوند و كاتالیست نیز شروع به چگالش می كند كه در ابتدا این كار به آهستگی انجام میشود. كاتالیست نیز به این كلاسترهای كربنی افزوده میشود و جلوی نزدیك شدن آنها برای تشكیل ساختار حجیم را می گیرد. از این كلاسترهای اولیه ملكول های لوله ای به شكل SWCNT رشد می كنند. این كار تا زمانی كه ذرات كاتالیزور بزرگتر شوند یا تا زمانی كه به مقدار كافی سرد شوند كه كربن نتواند در سطح ذرات كاتالیزور نفوذ كند، ادامه می یابد. ممكن است كه سطح كاتالیزورها از یك لایۀ كربن پوشیده شود و آنها نتوانند جذب سطحی بیشتری را انجام دهند و رشد نانولوله ها متوقف شود. نانولوله های كربنی به دست آمده از این روش با نیروهای واندروالس به هم متصل هستند.
رسوب شیمیایی از فاز بخار
رسوب شیمیایی از فاز بخار (CVD) با قرار دادن یك ماده گازی حاوی كربن و استفاده از یك منبع انرژی مانند پلاسما و یا كویل گرم شدۀ مقاومتی برای انتقال انرژی به ملكول گازی كربن به دست می آید. مواد گازی كربن داری كه عمدتاً استفاده میشوند عبارتند از متان، مونوكسید كربن و استیلن. یك منبع انرژی نیز برای شكستن ملكول ها به كربن فعال به كار می رود. سپس كربن در روی ماده ای كه با كاتالیست پوشش داده شده نفوذ می كند. اگر پارامترهای مناسب برقرار باشد، نانولوله های كربنی تشكیل خواهند شد. همانطور كه كنترل خوبی بر سرعت رشد نانولوله ها وجود دارد كنترل بر روی قطر آنها نیز بایستی وجود داشته باشد. فلز كاتالیست مناسب میتواند موجب رشد بیشتر SWCNT ها نسبت به MWCNT ها شود.
تولید نانولوله های كربنی با روش CVD، یك فرآیند دو مرحله ای است كه از یك مرحلۀ تهیۀ كاتالیست و یك مرحلۀ سنتز عملی نانولوله ها تشكیل شده است. دمای موردنیاز برای سنتز CNT به روش CVD، بین 650-900 درجه سانتی گراد است. بازده این روش حدود 30 درصد است.
در یك تحقیق، تأثیر دمای سنتز و میزان كاتالیزور نیكل برروی رشد نانولوله های كربنی تولید شده توسط روش CVD بررسی گردید. نانولوله های كربنی كه دارای قطری بین 50 تا 15 نانومتر و طولی بین چند تا چند ده میكرومتر هستند، برروی كاتالیزور كامپوزیتی Ni/Al توسط این فرآیند از گاز متان سنتز شدند. علاوه بر تغییرات دما مقدار Ni در كاتالیزور Al/Ni نیز بین 5 تا 15 درصد وزنی تغییر داده شد. با افزایش دما و مقدار نیكل تا 15 درصد وزنی بازده تولید نانولوله ها تا 17 برابر افزایش یافت. با افزایش میزان نیكل خلوص نانولوله ها كاهش و قطر آنها افزایش یافت. این نتایج نشان داد كه سرعت رشد، قطر و بلورینگی CNT میتواند با تغییر دمای سنتز و تركیب كاتالیست تغییر كند.
خالص سازی TNCWM
در پروسۀ جداسازی MWCNT ، ابتدا باید نانوذرات و قطعات گرافیت جدا شوند. این عمل بسیار مشكل است. مهمترین دلیل این امر این است كه روش های عادی جداسازی، مانند فیلتر كردن یا سانتریفیوژ، برای جدا كردن ذرات بزرگ گرافیت موثر هستند ولی برای جداسازی نانوذرات گرافیت مناسب نیست. بنابراین روشی كه بعد از سوزاندن محصول در یك اتمسفر اكسیدی و حذف ذرات بزرگ گرافیت كه تنها نانولوله های كربنی را باقی می گذارد، پیشنهاد شده است.
این روش به این جهت مفید است كه نانوذرات كربنی سریعتر از MWCNT ها می سوزند. واكنش با اكسیژن از لبه های نانولوله های كربنی شروع میشود و به مركز آنها می رسد. در مقایسه با نانوذرات، از آنجایی كه MWCNT ها طول بیشتری ا زبقیه نانوذرات دارند، زمان بیشتری طول می كشد تا كاملاً بسوزند. ولی طول نانولوله های كربنی به دست آمده خیلی كوتاه است.
منبع: نشریه مكانیك دانشگاه صنعتی شریف
تاپیک های مشابه:
تاپیک: نانو لوله های کربنی
