۱۱۱) انواع نانولوله های کربنی
نانولولههای کربنی به دو دسته کلی نانولولههای کربنی تک دیواره[۱۳] و نانولوله های کربنی چند دیواره[۱۴] تقسیم می شوند. چنانچه نانولوله کربنی فقط شامل یک لوله از گرافیت باشد، نانولوله تک دیواره و اگر شامل تعدادی از لولههای متحد المرکز باشد نانولوله چند دیواره نامیده می شود. یک نانو لوله تک جداره از دو قسمت بدنه و در پوش با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل شده است. ساختار در پوش، مشابه یک فولرن کوچک و مرکب از حلقه های ۵ و ۶ ضلعی اتم کربن است که در کنار هم قرار گرفته اند و ساختاری گنبدی شکل را به عنوان در پوش ایجاد کرده اند. C60 همانند قسمت دیگر، بدنه استوانه ای شکل آن است که از یک صفحه گرافیتی تشکیل شده است. نانولوله تک جداره به دلیل خواص الکتریکی جالبش، نوع بسیار مهمی از نانولوله ها محسوب می شود. نانولوله های کربنی چند جداره از چند استوانه کربنی هم محور تو در تو ایجاد شده است که می توان آن را به صورت دسته ای از نانولوله های هم مرکز با قطرهای متفاوت در نظر گرفت. طول و قطر این ساختار ها در مقایسه با نانو لوله های تک جداره بسیار متفاوت بوده و دارای خواص متفاوتی نیز می باشند.
شکل۱-۶- نمایی از نانولوله چند لایه
نانولوله های تکجداره نیز بر حسب آرایش اتم‌های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم صندلی[۱۵] و نامتقارن[۱۶] که دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ[۱۷] که خاصیت نیمه‌رسانایی دارد، تقسیم می شوند [۶] .
۱۱۱۱) نوع صندلی
در صورتی که اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت ۴۵ درجه نسبت به آن قرار دارد، روی هم قرار بگیرند، نانولوله نوع صندلی به دست می آید و در این حالت می توانیم 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 سرهم ایجاد می شود [۶].
۱۱۱۲) نوع زیگزاگی
برای ایجاد نوع زیگزاگی نانولوله اتم ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده شده را با خم کردن صفحه، به روی اتم ابتدایی انطباق می دهیم. برای اطمینان از درستی کار باید دقت کرد که درانتها، در راستای افقی یک خط شکسته زیگزاگ به دور نانولوله ایجاد شود [۶].
۱۱۱۳) نوع نامتقارن
این حالت مشابه روش صندلی می باشد، با این تفاوت که در مختصات اتم انتهایی، «m≠n» خواهد بود [۶].
شکل۱-۷- نمایی از نانولوله های زیگزاگ ، صندلی و نامتقارن
۱۱۲) خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانولوله ها
نانولوله ها علی رغم برخورداری از قطر بسیار کم، استحکام کششی بالایی دارند. از دیگر خصوصیات آنها وجود پیوندهای واندروالس بین اتم ها و لذا توانایی پایین آن ها برای چسبیدن به یکدیگر در نانولوله فلزی و نیمه هادی، رسانایی در جهت طولی، رسانایی حرارتی و خاصیت نشر میدانی است [۹-۸-۷].
۱۱۳) فرآیندهای تولید نانولوله
به طور کلی برای تولید هر نانو ذره یکی از دو روش تولید بالا به پایین و یا روش پایین به بالا به کار گرفته می شود. در روش بالا به پایین از ساختارهای میکرو و بزرگتر به ابعاد نانو رسیده، اما در روش پایین به بالا از کنار هم قرار گرفتن بلوکهای سازنده نانومواد، ساختار شکل میگیرد که این روش مبتنی بر کلیات شیمی میباشند. شش روش کلی و مرسوم برای تولید نانومواد وجود دارد که عبارتند از: قوس الکتریکی، رسوبدهی فاز بخار شیمیایی، رسوبگذاری الکتریکی، سنتز از طریق سل- ژل، آسیاب کردن و سایش با حرکت گلوله. در این میان، چهار روش اول جزء روشهای تولید پائین به بالا و دو روش آخر، روش بالا به پائین محسوب میگردند. از روشهای ذکر شده فوق، فرایندهای قوس الکتریکی، تبخیر لیزری و رسوبدهی بخارات شیمیایی عمده ترین روشهای تولید نانولولهها بوده که دو روش اول بر پایهء کربن جامد و روش آخر بر پایه کربن گازی صورت میگیرد [۱۳].
۱۱۴) کاربرد نانولولهها
خواص ویژه نانولولههای کربنی، آنها را به انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.
امروزه در روند تحقیق درباره نانولولهها توجه و تعمق ویژه‌ای بر روی استفاده از آنها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگرانی که در دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی سرتاسر دنیا بر روی نانولولهها کار می‌کنند با خوش‌بینی پیش‌بینی می‌کنند که در آینده‌ای نزدیک نانولولهها کاربردهای صنعتی وسیعی خواهند داشت. در ادامه چند مورد از حوزه‌های مهم کاربرد نانولولهها اشاره می شود.
۱۱۴۱) به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت ها
نانولوله های کربنی یکی از مستحکم ترین مواد به شمار می روند. این موضوع، کاربرد آن ها را به عنوان ماده پرکننده در تولید نانوکامپوزیت ها به خوبی روشن می سازد. کامپوزیت های از نوع نانولوله ی کربنی دارای نسبت استحکام به وزن بالایی می باشند که مصارف بسیاری در صنعت خواهند داشت. توزیع یکنواخت نانولولهها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانولوله با زمینه در فرآوری این نانوکامپوزیت‌ها از موضوعات بسیار مهم است. شیوه توزیع نانولولهها در زمینه پلیمری از پارامترهای مهم در استحکام دهی به کامپوزیت میباشد. آنچه از تحقیقات برمی‌آید این است که استفاده از خواص عالی نانولولهها در نانوکامپوزیت‌ها وابسته به استحکام پیوند فصل مشترک نانولوله و زمینه میباشد. نکته دیگر آنکه خواص غیر همسانگردی نانولوله ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانولولهها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود [۱۴].
شکل۱-۸- نانولوله ها جهت استحکام دهی کامپوزیت
۱۱۴۲) حسگرها
حسگر زیستی یک ابزار شناسایی و تجزیه زیستی است که به کمک یک مبدل[۱۸] وجود یک مولکول را شناسایی می کند. نانوحسگرهای زیستی ، انواعی از نانوحسگرها هستند که برای تشخیص مواد شیمیایی و زیستی استفاده می شوند. استفاده از نانومواد مثل نیمه رساناها، نانوسیم، نانوذرات و غیره برای کاربرد در حسگرهای زیستی به سرعت در حال توسعه است. از جمله این مزایا می توان به کوچک سازی وسیله، افزایش امواج و تشدید امواج مغناطیسی به وسیله ی برچسب های نانوذره[۱۹] اشاره کرد که سبب افزایش حساسیت می شوند. نانومواد دارای ویژگی های فیزیکی، نوری و الکتروشیمیایی منحصر به فردی هستند که در حس کردن[۲۰] بسیار مفید می باشند. از جمله نانومواد، ذرات کوانتومی، نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نانولوله های کربنی را می توان نام برد [۱۶-۱۵].
شکل۱۹ زیست حسگرها
۱۱۴۳) حافظه‌های نانولوله‌ای
به دلیل کوچکی بسیار زیاد نانولولههای کربنی (که در حد مولکولی است)، اگر هر نانولوله بتواند تنها یک بیت اطلاعات درخود جای دهد، حافظه‌هایی حاصل از این نانولولهها می‌توانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب، بسیاری از محققان در حال کار بر روی ساخت حافظه‌های نانولوله‌ای میباشند.
۱-۱۴-۴) ترانزیستورها
نانولولهها درآستانه کاربرد درترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می‌شوند. بسیاری از طراحان دستگاه ها تمایل دارند به پیشرفت هایی دست یابند که آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاه‌ها درفضای کوچک تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله ها دارای آستانه می باشند (یعنی سیگنال باید از یک حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشکارکند) که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی زیرآستانه را در شرایط اختلال الکتریکی یا نویز، آشکار و ردیابی نمایند. همچنین از آنجایی که ضریب تحرک، شاخص حساسیت یک ترانزیستور برای کشف بار یا شناسایی مولکول مجاور می باشد، لذا ضریب تحرک مشخص می کند که قطعه تا چه حد می‌تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می‌کنند و این نیز سرعت نهایی یک ترانزیستور را تعیین می کند. لذا اهمیت استفاده از نانولولهها و تولید ترانزیستورهای نانولوله‌ای با داشتن ضریب تحرک برابر با ۱۰۰هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیکون با ضریب تحرک ۱۵۰۰ سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین رکورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرک ۷۷ هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می‌شود [۱۷].
۱۱۴۵) استفاده در نمایشگرهای تشعشع میدانی
یکی از مشکلات دستگاه های نشر میدان امروزی، عدم پایداری میدان های تولیدی در بازه های زمانی طولانی است. این مشکل را می توان با بهره گرفتن از نانولوله کربنی حل نمود. نانولوله های کربنی می توانند عنوان بهترین گسیل کننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الکترونی با بازده بالاتری تولید کنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولولهها، امکان تولید نوعی جدید از صفحه نمایش های تخت را میسر می کند که ضخامت آن ها چند اینچ بوده و نسبت به همتای فعلی از قیمت مناسب‌تری برخوردار باشد. از طرفی کیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود. در پدیده گسیل میدانی، الکترون ها با بهره گرفتن از ولتاژ کم از فیلم های ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن می شوند. هر نقطه از این فیلم، یک پرتاب کننده الکترون (تفنگ الکترونی) کوچک است که تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد می کند. ولتاژ لازم برای نمایشگر تشعشع میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متکی بر نانولوله نسبت به آنچه به صورت سنتی در روش اشعه کاتدی استفاده می شد، کمتر میباشد و این نانولولهها با ولتاژ کمتر، نور بیشتری تولید می‌کنند [۱۸].
۱-۱۴-۶) کاربرد نانولوله در صنعت ساختمان
با توجه به کاربردهای بالقوه نانولوله نیاز به این ماده درصنایع داخلی دیده می شود. صنعت ساخت و ساز از صنایعی است که بهینه سازی مصالح ساختمانی در آن ضروری است. حداقل به سه دلیل زیر از نانولوله ها می توان در این عرصه کمک گرفت:
۱) نانولوله های کربنی به دلیل خواص مکانیکی عالی، در تولید پلیمرها، شیشه و مصالح ساختمان قابل استفاده هستند.
۲) از آنها می توان در ساخت سیستم‌های انتقال حرارت، به علت خواص ویژه هدایت حرارتی آنها استفاده کرد.
۳) استفاده از نانولوله های کربنی با طول زیاد به شکل ریسمان، در پل‌های معلق کاربرد دارد.
مثلاً در بتن، از گذشته تا حال، فایبرهای فولادی (بتن آرمه) استفاده می شده‌اند. بنابراین بتن، مستعد استفاده از کربن نانولوله است. انتظار می رود با بهره گرفتن از نانولوله های کربنی به خواص بهتری در بتن رسید. دلایل برتری استفاده از نانولوله کربنی در صنعت ساختمان عبارتند از:
-خواص ویژه مکانیکی هدایت حرارتی و الکترونیکی
- نسبت طول به قطر بسیار بالا
- اندازه کوچک فایبرها و قابلیت پخششدن بالا در زمینه سیمان و بتن (تقویت‌کننده عالی)
- نانوتیوب ها با اجزاء و ترکیبات سیمان پیوند حاصل کرده و باعث کنترل مناسب سیستم سیمان می شوند [۱۹].
۱۱۴۷) قابلیت ذخیره سازی
در نانولولهها هر سه اتم کربن قابلیت ذخیره یک یون لیتیم را دارند، در حالی که در گرافیت در هر شش اتم کربن توانایی ذخیره یک یون لیتیم وجود دارد. به طور کل نانولولههای کربنی به علت تخلخل بالا قابلیت جذب مواد به خصوص گازها را دارا میباشند. میزان جذب درون نانولولهها تابع پارامترهایی از جمله دما، فشار و نوع نانولوله است. در مورد هیدروژن، جذب برگشتپذیر و به مقدار بالا گزارش شده که این پدیده در زمینه آزمایشگاهی و همچنین صنعتی قابل توجه است با این وجود هنوز مکانیزم اصلی ذخیره هیدروژن به درستی درک نشده است. از سالهای قبل موادی با توانایی بالای ذخیره هیدروژن، برای ذخیره انرژی مورد توجه بوده اند. هیدریدهای فلزی و جذب در دمای پایین دو وسیله برای جذب هیدروژن هستند. در هیدریدهای فلزی، هیدروژن به صورت فاز گازی برگشتپذیر جذب می شود و انرژی الکتریکی به وسیله تبدیل مستقیم الکتروشیمیایی تولید می شود. جذب هیدروژن در دمای پایین و فشار بالا عملکرد باتریهای هیدرید فلزی را محدود می کند با توجه به ساختار استوانهای شکل و توخالی نانولولههای کربنی، این مواد توانایی ذخیره سازی مایع و گاز را بر اثر خاصیت مویینگی را دارند. ذخیره هیدروژن در نانولوله تک دیواره در نمونه ای که حاوی wt%1/0-2/0 از این ماده بوده در حدود wt%10-5 میباشد. گروهی از محققین با انجام آزمایشهایی به روی نانولوله کربنی تکدیواره خالص دریافتهاند که در دمای K300 هیچ هیدروژنی جذب نمی شود اما اگر انتهای نانولولهها با اکسایش ( برای مثال استفاده از اسیدنیتریک رقیق شده ) باز شود، مقدار مولکولهای هیدروژن جذب شده به wt%5-4 نانولوله میرسد. مطالعه بر روی نانولولههای خالصتر، جذب wt% 8 گاز هیدروژن را در دمای K80 و فشار atm100 نشان داد که نانولولههای کربنی بیشترین ظرفیت ذخیره هیدروژن را نسبت به هر ماده کربنی دارد. افزون بر هیدروژن نانولولههای کربنی به آسانی در شرایط محیطی گازهای دیگر را نیز جذب می کنند که این جذب منجر به تغییر در خواص الکتریکی آنها می شود و با توجه به این خاصیت میتوان از نانولولهها به عنوان حسگر و در جهت تشخیص دادن گازها استفاده کرد [۱۲-۱۱-۱۰].
شکل۱-۱۱- ذخیره سازی اتم ها در نانولوله ها
۱-۱۴-۸) استفاده از نانولوله های تک دیواره در صنعت الکترونیک
نانولوله ها به میزان قابل توجهی سخت و قوی بوده و هادی جریان الکتریسیته و گرما می باشند. این خواص سبب استفاده از این مواد در صنعت الکترونیک شده است. نانولوله های کربنی سیم های مولکولی بزرگی هستند که الکترون می تواند آزادانه در آن حرکت کند. در این راستا رفتار نانولوله های چند دیواره بسیار پیچیده تر از تک دیواره است، زیرا لایه های کناری روی یکدیگر تأثیر می گذارند. مدل سازی چنین اثراتی از موضوعات تحقیقاتی درحال حاضر می باشد. محققان امیدوارند که ابعاد سیم ها یا قطعات را از طریق جایگزینی با نانولوله به حدود نانومتر یا کمتر برسانند. این قطعات در کنار مدارهای الکترونیکی می توانند خیلی سریعتر و با توان کمتر از مدارهای کنونی کار کنند. لامپ های تولید شده با نانولوله های کربنی هزینه تولید کمتری دارند. به علاوه عمر طولانی تر و ثبات رنگ بیشتر نسبت به لامپ های معمولی از مزایای دیگر این لامپ ها است [۱۹].
۱-۱۴-۹) سازگاری زیستی
جلب نظر دانشمندان به سازگاری زیستی نانولوله ها و اثرات مضر احتمالی آنها بر سلول ها، به این واقعیت بر می گردد که در سال های اخیر با افزایش روز افزون کاربرد های متفاوت نانولوله ها در صنعت و حضور بیشتر آن ها در محیط، ارتباط معناداری بین آنها و بیماری های تنفسی و پوستی پیدا شده است [۲۱-۲۰]. به همین علت بررسی این تأثیرات، یعنی تأثیر نانولوله بر سلول مورد توجه قرار گرفتند. بر خلاف مطالعاتی که در ابتدا نشان می دادند که نانولوله و هم خانواده های آن تأثیر چندانی بر ریخت شناسی[۲۱]، رشد و تکثیر سلولی ندارند [۲۲]، امروزه مشخص شده است که شاخص هایی چون ابعاد فیزیکی، مساحت، مقدار، نسبت طول به قطر، زمان، خلوص و وجود عوامل شیمیایی متصل به سطح، هر یک به نوبه خود در سمی بودن نانولوله مؤثرند [۲۴-۲۳]. مطالعات نشان دادند که آستانه اثر کشندگی نانولوله برای نانولوله های چند دیواره و تک دیواره، حدود ۰۶/۳ میکرگرم در میلی لیتر است که این رقم در برابر فولرن که تا ۲۲۶ میکروگرم در میلی لیتر نیز اثر کشندگی برای سلول ندارد، رقمی قابل توجه است [۲۵]. بررسی ها نشان می دهد که نانولوله خالص دارای اثرات سمی بیشتری نسبت به نوع ناخالص آن می باشد [۲۳]. اما مهم تر از خلوص، اثر عوامل شیمیایی بر روی سطح نانولوله می باشد که موجب کاهش اثرات سمی آن می شود [۲۴].
۱-۱۵) نانولوله ها ی کربنی در پزشکی
رشد چشمگیر فناوری نانو طی ۳۰ سال گذشته باعث عرضه ابداعات قابل توجهی در زمینه داروشناسی شده است که به نوبه خود تحولات گسترده ای در زمینه انتقال ترکیبات فعال زیستی به وجود آورده است. مهمترین فناوری نانو در زمینه داروشناسی امکان انتقال دقیق داروها به هدفشان را فراهم آورده است. اخیراً سیستم های دارو رسانی جدیدی مبتنی بر آرایه های کربنی ارائه شده است که داروها را به شکل کنترل شده از محل تجویز دارو به محل اثر آن انتقال می دهد. این به معنی عبور مولکول های دارو از تعداد زیادی موانع فیزیولوژیک است که به سهم خود مهمترین مشکل در انتقال هدفمند داروها است [۲۶].
فرم در حال بارگذاری ...
