کاربرد نانولوله‌های کربنی در صنعت

اگر یك صفحه تخت گرافیكی مدنظر باشد و به شكلی بتوان آن را به صورت نواری در نظر گرفت و لوله كرد، یك نانو لوله مفروض به دست می‌آید كه ساختار آن همان ساختار گرافیت بوده و یك هگزاگونال۱ است.نانولوله كربنی یا CNT لوله‌ای از جنس كربن است كه قطری در ابعاد ۱ نانومتر و طولی در حدود چند نانومتر تا چند میكرون دارد. این ماده در سال ۱۹۹۱ در ژاپن كشف شده و به علت خصوصیات جالب آن مورد توجه قرار گرفت. یك خاصیت جالب این مواد آن است كه بر حسب اینكه در چه جهتی خم شود، دارای خاصیت نیمه‌هادی و یا فلزی می‌شود. قطر یك نانو لوله كمتر از ۲ نانومتر است و از این نانو لوله می‌توان به عنوان یك سیم كوانتومی یا یك سیم غیرفعال استفاده كرد به عنوان مثال این لوله می‌تواند به عنوان یك سیم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسیل از یك الكترود به الكترود دیگر عمل كند كه این موضوع مثالی از اتصالات غیرفعال می‌تواند باشد.نانو لوله دارای خاصیت فلزی است. این خاصیت رسانش نه فقط در طول بلكه در عرض نانو لوله نیز وجود دارد. برای حالت سیمهای مولكولی غیرفعال، بهتر است كه نانو لوله دارای خاصیت رسانش باشد، اگر این خاصیت را دارا باشد، نانو لوله دارای گاف۲ انرژی خواهد بود كه شبیه نیمه هادی خواهد شد. اگر نانو لوله كربنی روی سطحی قرار داده شود و نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) به سطح آن نزدیك شود، چنانچه ولتاژی را بین بستری كه نانو لوله روی آن قرار دارد و نوك STM اعمال شود، جریانی عبور خواهد كرد.بر حسب مقدار جریانی كه عبور می‌كند، می‌توان تشخیص داد كه گاف انرژی چقدر است.این ماده خواص مكانیكی فوق‌العاده‌ای دارد: مدول یانگ۳ معادل یك ترا پاسكل (به سفتی۴ الماس) و استحكام كششی تقریبی ۲۰۰ گیگاپاسكال. CNT، بسته به كایرالیتی۵ خود، می‌تواند هم فلزی و هم نیمه‌هادی باشد. نانو لوله كربنی توسط LIJIMA در سال ۱۹۹۱ كشف شده است و كارهای بسیاری روی ساختار نانو در بخش فیزیك كوانتوم انجام یافته است، به طوری كه تحقیقات نوین روی تكنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می‌كند . كربن ۶۰ و نانو لوله‌های نوین دارای ساختاری هستند كه آنها را از فولاد قوی‌تر و بسیار سبك می‌كند به طوریكه می‌توانند خمیدگی و كشش را بدون شكستن تحمل كنند و در آینده جایگزین الیاف كربن خواهند شد كه در كامپوزیت‌ها به كار برده می‌شوند .
خواص نانولوله‌‌های كربنی:
• محكمترین و انعطاف‌پذیرترین ماده مولكولی (به دلیل وجود پیوندهای كووالانس C_C و ساختار یكپارچه شبكه‌ای هگزاگونال).
• مقدار مدول یانگ آن بیش از یك ترا پاسكال می‌باشد، این مقدار را با ۷۰ گیگاپاسكال آلومینیم و ۷۰۰ گیگا پاسكال فیبر كربنی مقایسه كنید: نسبت استحكام به وزن آن ۵۰۰ برابر آلومینیم است، نسبت به فولاد و تیتانیوم نیز برتر بوده و نسبت به كامپوزیت اپكسی/ گرافیت به میزان بسیار قابل توجهی بهتر است.
• حداكثر كرنش آن ده درصد از مواد دیگر بیشتر است.
• هدایت حرارتی آن در جهت محوری تقریباً ۳۰۰۰ W/mK است در حالی كه در جهت شعاعی این مقدار بسیار اندك است.
• هدایت الكتریكی آن شش برابر هدایت الكتریكی مس است.
• بسته به كایرالیتی آن، می‌تواند فلزی یا نیمه‌هادی باشد.
• ظرفیت بسیار بالای حمل جریان.
• كاركرد عملی دارد.
كاربردهای نانولوله در صنعت الكترونیك: اتصالات سیم كوانتوم از جنس CNT، دیودها و ترانزیستورهای محاسباتی، ذخیره اطلاعات، خازنها، نوسانگرهای تراهرتزی و صفحات نمایشگر تخت، حافظه‌های رایانه‌ای غیرفرار (non-volatile computer memories)، نمایشگرهای تلویزیونی با عملكرد بهتر از انواع امروزی موجود در بازار، محلولی برای اتصال درونی تراشه‌های بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازنده‌های فوق سریع.چالشهای پیش رو: كنترل قطر و كایرالتی، ساختارهای جدید و توسعه فرایندهای تولید ارزان قیمت است.كاربردهای مكانیكی و ساختاری نانولوله كربنی: كامپوزیت‌‌های با استحكام بالا، كابلها، پرتوها، موادی با وظایف چندگانه، مبدلهای حرارتی، رادیاتورها، سدهای حرارتی، مخزن سرما، سپر پرتوهای خطرناك، لباسهای فضایی، زره، انواع جدیدی از بسته‌بندی و محصولاتی برای مدیریت گرمایی و غشاء صافی. چالشهای موجود: كنترل خواص و ویژگیها، تولید انبوه، توسعه كاركرد و پراكندگی همگن CNT در ماده زمینه است.كاربرد نانولوله كربنی در حسگرها و ماشینهای مولكولی: تولید میكروسكوپهایی بر مبنای CNT: AFM, STM؛ حسگرهای ارزان اما فوق‌العاده حساس، بیوحسگرها؛ موتورها، محركها و چرخدنده‌‌های مولكولی؛ كانالهای یونی و راكتورهایی در ابعاد نانو؛ باطری و سلولهای انرژی: ذخیره لیتیم و هیدروژن؛ و بیومواد. چالشها: كنترل رشد، تكنیكهای تولید، پردازش سیگنال، تعامل قوی با مولكول‌‌های ردیاب و نفوذی. فواید نانولوله‌‌های كربنی: قطر كوچك، استحكام مكانیكی بالا، نسبت صفحه زیاد و رسانایی محوری بالا.ماهیت ویژه كربن با نانولوله‌‌های كربنی تك جداره كامل می‌شود. هیچ عنصر دیگری مثل كربن شبكه‌ای از عناصر با پیوندهای بسیار محكم را اینچنین ایجاد نمی‌كند. ارتعاشات با فركانس بالا در پیوند كربن_ كربن، هدایت حرارتی آن را حتی بیشتر از الماس می‌گرداند. در اكثر مواد خواص واقعی ماده ار لحاظ استحكام، هدایت الكتریكی، و ... به دلیل وجود عیوب ساختاری بسیار كمتر از حد انتظار است. مثلاً فولاد با استحكام بالا (HSS)، در ۱ درصد استحكام تئوری شكست خود می‌شكند. اما خواص نانولوله‌ها، به خاطر ساختار بدون عیب آنها به مقادیر تئوری بسیار نزدیك است. این جنبه بخشی از داستان منحصر بفرد نانولوله‌ها است.نانولوله‌ها، نمونه‌ای از نانوتكنولوژی حقیقی هستند، قطری به اندازه تنها یك نانومتر اما با مولكولهایی كه می‌تواند بصورت فیزیكی و شیمیایی كنترل شوند! بعضی از آنها الكترونها را درست مثل فلزات در طول لوله منتقل می‌كنند اما بدون حتی یك اتم فلزی در ساختارشان! چنین رفتاری در یك مولكول بی‌سابقه است. طبق مطالعات انجام گرفته در بازار جهانی، تا سال ۲۰۰۹، خواص فیزیكی، حرارتی، و الكتریكی نانولوله‌‌های كربنی معادل ۳.۶ بیلیون دلار در بخش صنعت الكترونیك و نیمه‌هادیها وارد خواهد شد. این مواد جدید، عامل قدرتمندی فناوری آینده الكترونیك خواهد بود. بزرگترین فرصتهای الكترونیك نانولوله در بخش حسگرها و صفحات نمایش و حافظه‌ها بوجود خواهند آمد و تا سال ۲۰۰۷ در بازار هر كدام ، بیش از ۲۰۰ میلیون دلار به محصولات پایه CNT اختصاص خواهد داشت.
مروری بر نوآوری‌‌های كاربردی در نانولوله‌‌های كربنی:
در آزمایشگاه دانشگاه تگزاس در دالاس، فعالیت‌‌های پژوهشگران این دانشگاه روی لوله های نانومتری كربن، آیندهٔ خوبی را برای كاربردهای این تكنولوژی پیش‌بینی می‌كند. این نانولوله‌ها در هر كاری اعم از ماهیچه‌های مصنوعی تا پوشش صفحهٔ مانیتور، مورد استفاده قرار می‌گیرند.یكی از كشفیات جدید و مهیج در مورد كاربرد این نانولوله‌ها، استفاده از آن ها در لامپ است. پژوهشگران دانشگاه تگزاس، توانسته‌اند با به كار بردن این نانولوله ها در لامپ، وسایل جدیدی برای تولید روشنایی بسازند. از این لامپ‌ها می‌توان در هرجا، حتی درون دستكش یك سرباز در میدان جنگ استفاده كرد. نانولوله‌های كربنی می‌توانند تحت شرایط خاصی نور را ساطع كنند. اگر در میان این لوله‌ها باریكهٔ نازكی از یك فلز، مثل نقره، قرار گیرد، این لوله‌ها توانایی بسیار بالایی در انتقال برق از خود نشان می دهند. ولی كربن نانوتیوپس (CNT) با كیفیت بالا، بسیار پرهزینه است و كاربرد آن می تواند توأم با اشكالاتی باشد، اما تحول در تكنولوژی نانولوله ها ممكن است به این مشكل پایان دهد. پژوهشگران در دالاس، روشی برای ساختن نوارهای مادهٔ اصلی به وجود آورده‌اند كه تقریبا به آسانی و به سرعت، ورقه های نانولوله ها را صیقل می‌دهد. دكتر "ری بگمن" از بخش آزمایشگاه نانوتكنولوژی دانشگاه تگزاس می‌گوید: "جنبهٔ خیلی جالب نانولوله های كربنی، این است كه تركیبی از عناصر دارند كه به آن ها قابلیت انجام كارهای چندگانه می‌دهد. آن ها می‌توانند شفاف باشند یا دارای توانایی‌های غیر معمول نوری باشند. همچنین می‌توانند هادی و یا نارسانا باشند. ورقه‌های شفاف، قوی‌تر از فولاد غنی شده هم وزن آن است. آن ها حتی توانایی تغییر نور به نیروی الكتریسیته را هم دارند." این ورقه‌ها كه تازه‌ترین اختراع هستند، شفاف می‌باشند. آن ها به ضخامت یك هزارم موی انسان هستند، ولی در عین حال، قدرت قوی ترین فولاد را دارند. انتظار می رود این آخرین تحول، كاربرد تجاری و صنعتی نانولوله‌های كربنی را شتاب دهد. دانشمندان می‌گویند حداكثر ۲ تا ۳ سال دیگر خواهند توانست نانولوله‌های كربنی را به عنوان الكترودهای قابل انعطاف برای ارتباط راه دور و نیز در وسایل پزشكی مورد استفاده قرار دهند.اما همانطور كه می‌دانیم نانوتكنولوژی با معرفی اولین ترانزیستور ساخته شده از لوله های ریزكربنی، به قلمرو الكترونیك هم پا گذاشت. این وسیله كه یك نانو لوله Y شكل است و به وسیلهٔ گروهی از پژوهشگران دانشگاه "سان دیه گو" ابداع شده، با ساختاری بسیار ساده، درست مثل ترانزیستورهای رایج كار می‌كند. یعنی جریانی را كه از یك شاخه به شاخهٔ دیگر آن برقرار است را می توان با اعمال ولتاژ به شاخهٔ سوم، قطع و وصل كرد.ترانزیستورهای رایج را از لایه‌های مواد نیمه‌رسانایی مثل سیلیكون می‌سازند. در تولید تراشه، این ساختارهای نیمه رسانا را آن قدر ریز می‌كنند كه بتوان تعداد زیادی از آن ها را كنار هم گذاشت و یك مدار مجتمع با حجم كم و توان محاسباتی بالا ساخت. اما وقتی این اجزا ریز و ریزتر می‌شوند، جریان الكتریكی از آن ها نشت می‌كند و علاوه بر گرم كردن مجموعه و اتلاف توان، در كار ترانزیستورها هم اختلال به وجود می‌آورد. یعنی بعضی از كلیدهای ترانزیستوری موقعی كه باید بسته باشند، باز می‌مانند. به همین خاطر، خیلی‌ها معتقدند كه تراشه‌های سیلیكونی را نمی‌توان ریزتر از این ساخت و باید به دنبال راه‌های تازه‌ای ـ مثل استفاده از نانولوله‌های كربنی -گشت.نانولوله‌ها كه ورقه‌های كربنی لوله شده به حساب می‌آیند، جریان الكتریكی را به راحتی هدایت می‌كنند و با پهنایی حدود چند میلیاردیم متر، جای خیلی كمتری در مقایسه با مدارهای سیلیكونی رایج می‌گیرند. نانولوله‌ها مشكل نشت هم ندارند و به همین دلیل یك كلید كامل (باز یا بسته و نه چیزی در این میان) به حساب می‌آیند. علاوه بر این، آنها را می‌توان با روش‌های شیمیایی ارزان‌تر و بدون نیاز به لایه نشانی و دیگر تشریفات پرزحمت مدارهای سیلیكونی ساخت. البته ساخت كلید، نیازمند لوله‌های یك تكهٔ چند شاخه است كه تیم دانشگاه "سان دیه گو" با اضافه كردن كاتالیزوری از جنس تیتانیوم ـ آهن به ظرف حاوی نانولوله‌های مستقیم در حال رشد، موفق به تولید آنها شده است. وقتی یكی از ذرات كاتالیزور به بدنهٔ نانو لوله می‌چسبد، تبدیل به پایه‌ای برای رشد یك شاخهٔ جدید می‌شود و لوله در ادامهٔ رشدش به شكل Y درمی‌آید.پژوهشگران امریكایی و سوئدی تا به حال، مدارهای منطقی را با استفاده از نانولوله‌ها ساخته‌اند، اما از آنجا كه این مدارها برای كنترل جریان، نیازمند گیت‌های فنری هستند، ساختشان شامل چندین مرحله است كه توان رقابت تجاری با صنعت الكترونیك سیلیكونی را ـ لااقل فعلا ـ از آنها می‌گیرد. برندهٔ مسابقه هركس كه باشد، الكترونیك همچنان در ستون چهارم جدول تناوبی باقی خواهد ماند!تركیب نانولوله و الماس: تركیب نانو لوله های كربنی و الماس، یك ماده هیبریدی جدید كه از الماس و نانو لوله های كربنی تشكیل شده است، می‌تواند كاربردهایی در ردیاب های زیستی تا نمایشگرهای مسطح داشته باشد. نانولوله‌های كربنی قوی‌ترین ساختار شناخته شده را دارند و میزان نیرویی كه می‌توانند تحمل كنند، تاكنون بالاترین میزان اندازه گیری شده است. به گفته "جان كارلیسله"، فیزیكدان آزمایشگاه ملی آرگون:" سئوال این است كه اگر قادر به تركیب قوی ترین مواد شناخته شده با سخت‌ترین مواد باشیم، چه خواصی را به دست خواهیم آورد؟" محققان با قرار دادن یك سطح پوشیده شده از نانو ذرات الماس و نانو ذرات آهن در معرض پلاسمای غنی از آرگون و بدون هیدروژن، این كامپوزیت را رشد دادند. نانو ذرات آهن و الماس، به ترتیب، رشد ابرنانو بلورهای الماس و نانو لوله های كربنی را تسریع می كنند. كارلیسله معتقد است: ما بیشتر این مواد را روی سطوح مسطح رشد دادیم، اما می‌توان آنها را روی شكل‌های پیچیده‌تر نیز رشد داد. مواد هیبریدی را می‌توان برای ساخت پوشش‌های با سختی بالا و اصطكاك پایین، همانند الماس با شكنندگی كمتر به كار برد. همچنین كامپوزیت‌ها ممكن است در نمایشگرهای مسطح كاربرد داشته باشند. الماس می‌تواند نانولوله‌های كربنی را در مقابل از‌هم‌گسیختگی حفظ كند، در حالی كه در حالت طبیعی، محققان دریافته‌اند وقتی نمایشگر را فقط از نانولوله‌های كربنی بسازند، این اتفاق رخ خواهد داد و ممكن است از هم گسیخته شود. كامپوزیت نانو لوله كربنی الماس را می‌توان در ردیابی‌های زیستی نیز به كار برد. نانولوله‌ها به مولكول‌های زیستی چسبیده و به عنوان المنت‌های حسگر عمل می‌كنند و الماس به عنوان یك الكترود فوق‌العاده حساس رفتار می‌كند. با بهبود شرایط رشد، محققان می‌توانند غلظت، نحوه قرار دادن و جهت الماس و نانولوله‌ها را تغییر دهند. محققان قصد دارند با تغییر این عوامل، خواص مكانیكی، الكترونیكی، گرمایی و ... این كامپوزیت‌ها را بررسی كنند. "روبرت نماینچ"، دیگر محقق این گروه می‌گوید: توانایی كنترل میزان نسبی الماس و مواد نانو لوله‌ای در این كامپوزیت وجود دارد. این توانایی باید مهندسان را قادر سازد تا خواص مواد را برای كاربردهای ویژه و دقیق معین كنند. این مواد باید محدوده وسیعتری از خواص فیزیكی و شیمیایی در مقایسه با الماس یا نانو لوله ها داشته باشند. "كار لیسله" اذعان داشت:"یكی از اهداف كوتاه مدت ما، كاهش درصد نانولوله‌های كربنی چند جداره نسبت به نانولوله‌های كربنی تك جداره است."در ادامه نوآوری‌‌های انجام شده پیرامون نانولوله‌ها، یك گروه از فیزیكدانان دانشگاه كالیفرنیا واقع در "سن دیه گو" نیز موفق به تهیه اولین سوییچ الكترونیك شده‌اند كه تمام آن از لوله‌های نانو از جنس كربن ساخته شده است.به نوشته نشریه علمی "nature" ویژه خواص مواد، "پرابهاكر بندورا" و همكارانش دریافتند جریانی كه در دو مسیر یك سیم سه شاخه به شكل وای (‪(Y‬ ))جریان می‌یابد با استفاده از ولتاژی كه در شاخه سوم برقرار می‌شود قابل كنترل است و می‌توان آن را خاموش و روشن كرد.هرچند محققان هنوز به طور دقیق از نحوه انجام فرایند خاموش و روشن شدن و انتقال و عدم انتقال جریان آگاه نیستند، اما معتقدند می‌توان از این گونه سیمهای سه شاخه نانو كربنی به صورت مدارهای الكترونیك موسوم به دروازه‌های منفی‌كننده not gate‬ استفاده به عمل آورد. این گونه دروازه‌ها جریان ورودی را معكوس می‌كنند. به اعتقاد این پژوهشگران امكان ساخت بقیه اجزای مداری و دروازه‌های منطقی دیگر نیز با این روش وجود دارد. در دیگر پژوهش‌‌های انجام شده، محققان به طور تجربی و تئوری به مطالعه ابررسانایی ذاتی طناب‌های نانولوله‌های كربنی تك دیواره پرداختند و نتایج تجربی مهمی برای ابررسانایی نانولوله‌ها هنگامی كه فاصله بین الكترودها به حد كافی باشد به دست آوردند.شركت ANIیکی از زیر‌مجموعه‌های شركت Nano-Proprietary اعلام كرد: به طور موفقیت‌آمیزی از نانولوله‌های كربنی، گسیل‌كننده‌های الكترونی ساخته است كه در لامپ تصویرهای مسطح فاقد جیوهٔ نمایشگرهای تلویزیونی نسل آینده مورد استفاده قرار خواهند گرفت.شیوهٔ ساخت این پانل گسیل‌كنندهٔ الكترون مبتنی بر لیتوگرافی نرم (چاپ جوهر بر سطح) می‌باشد و برای تولید انبوه مناسب می‌باشد و با روش‌های دشوار فعلی لامپ تریودی كه در ساخت تلویزیون‌های CNT استفاده می‌شود، تفاوت اساسی دارد. این پانل شامل دو بخش است: شیشه جلویی كه با فسفر پوشش داده شده است و شیشهٔ عقبی كه اولاً رساناست و ثانیاً محل استقرار جوهر محتوی نانولولهٔ كربنی است و نقش كاتد را ایفا می‌كند. پیش نمونه ساخته شده توسط ANI صفحه مربعی با قطر ۶/۳ اینچ می‌باشد كه نانولوله‌های آن با میدان الكتریكی ۱ ولت بر میکرومتر فعال می‌شوند و نوری با شدت فضایی ۴۰۰۰۰ كاندلا بر متر مربع تولید می‌كند. با توجه به تلألو بالای این نمایشگر ابتدایی و توانایی بالقوه بهبود عملكرد آن، در آینده ساخت نمایشگر تلویزیون‌های ۳۲ اینچ با توان مصرفی به كوچكی ۶۰-۵۰ وات ممكن خواهد شد.انحناپذیری نانولوله‌ها، عاملی جهت كلیدزنی: مهندسان برق دانشگاه Cambridge و شركت Samsung Electronics رابط "نانو به میكرو" را در ساخت كلید نانولوله‌ای تهیه كرده‌اند. این مهندسان با لیتوگرافی و كشت ویفر‌های سیلیكونی، الكترودهای " منبع، خروجی و گیت" را جهت ساخت كلیدهای سه طرفه كه شبیه به DRAM مكانیكی عمل می‌كند، از جنس نانولوله رشد داده و توانستند كلیدهای نانوالكترومكانیكی (NEMS) بسازند. پروفسور Gehan Amaratunga از دانشگاه Cambridge گفت: "این كلید NEMS حتی زمانی كه در انتهای یك فرآیند سیگنالی، نیاز به عملگر مكانیكی باشد، می‌تواند مفید واقع شود. خصوصاً این وسیله می‌تواند در كلیدزنی اتصالات روی تراشه‌ها، به عنوان جایگزینی برای فیوزهای روی تراشه، جهت تجدید ساختار به شیوه‌ای برگشت‌پذیر و نیز به عنوان یك جایگزین برای ساختار ستونی سیلیكونی كه هم اكنون به عنوان پایه‌ای برای خازن DRAM بكار می‌رود قابل استفاده خواهد بود.نانولوله‌های "منبع و خروجی" از دانه‌هایی در زاویه قائم نسبت به سطح ویفر سیلیكونی تا یك طول مشخص آن، رشد پیدا می‌كنند. نانولوله منبع با سوزن با روش لیتوگرافی نوری به بستر تراشه متصل می‌شود و "خروجی" به صورت مثبت بایاس می‌شود. الكترود "گیت"، نانولوله‌ای با طول كمتر، با وارد شدن یك بایاس ولتاژ مثبت به آن، NEMS را كلید می‌زند كه در نهایت "خروجی" به وسیلهٔ نیروی الكترواستاتیكی پاسخ می‌دهد.هنگامی كه ولتاژ اعمال شده بر "گیت"، همانند ولتاژ گیت یك ترانزیستور، از یك مقدار حدی فراتر می‌رود، نانولوله "خروجی" خم شده و با نانولوله منبع با بار مخالف، تماس یافته در نتیجه كلید مكانیكی، رها شده و اجازه می‌دهد تا جریان از "منبع" به "خروجی" تخلیه گردد. نیروهای واندروالس نیرو و حساسیتی را ایجاد می‌كنند كه سبب می‌شود كلید رها نشود و تا هنگامی كه ولتاژ گیت از مقدار حدی كمتر نشود، كلید در حالت "روشن" باقی بماند. برای ایجاد حافظه با كلید NEMS، محققان Cambridge در همكاری با Samsung خازنی تكمیل یافته با ساختار عمودی تولید كردند كه می‌تواند بدون این كه ولتاژ گیت باعث كلیدزنی به وضعیت "خاموش" گردد، در حالت "روشن" پایدار بماند. به گفته دانشمندان، با اعمال این دو اثر یعنی محكم كردن و كلیدزنی الكترومكانیكی نانولولهٔ عمودی، سلول‌های حافظه‌ای بسیار كوچك DRAM ساخته می‌شود.مزیت دیگر این روش این است كه بسته به بلورهای سیلیكونی منفرد، استفاده از نانولوله‌های بسیار كوچك تك دیواره‌ای ضروری نمی‌باشد و نانولوله‌های كربنی چند دیواره با دقت كمتر و رشد ساده‌تر نیز، این عمل را بسیار خوب انجام می‌دهند.پژوهشگران نشان دادند كه با تنظیم پارامترهای فرآیندهایی همچون تغییر طول و ضخامت نانولوله‌های كربنی، می‌توانند تعادلی بین نیروی الكترواستاتیكی كه موجب "روشن شدن" می‌گردد و نیروی واندروالس كه سبب وضعیت "خاموش" می‌شود، ایجاد كنند. با بهینه‌سازی پارامترهای رشد نانولوله‌ها، می‌توان آرایه‌هایی از كلید‌های NEMS را با قابلیت تكرار و اعتماد بالا تولید كرد.در دیگر نوآوری انجام شده، محققان دانشگاه هاوایی Manoa، دانشگاه فلوریدا و موسسه پلی‌تکنیک Rensselaer ایالات متحده، از آرایه‌ای از نانولوله‌های‌کربنی چنددیواره فوم‌هایی تولید كرده‌اند که وقتی تحت فشار قرار می‌گیرند، به میزان کمتر از ۱۵ درصد طول اولیه خود خم شده و می‌توانند هزاران بار این اعمال فشار را تحمل کنند.Pulickel Ajayan از موسسه پلی‌تکنیک Rensselaer می‌گوید: «نانولوله‌های کربنی دارای استحکام، انعطاف‌پذیری و دانسیتهٔ پایین استثنایی بوده و در نتیجه مواد بسیار جذابی برای تولید ساختارهای فوم مانند مستحکم فوق‌العاده سبک به شمار می‌روند.»Ajayan و همکارانش توانستند با استفاده از فروسن و زایلن و با روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار، آرایه‌ای از نانولوله‌های کربنی چند دیواره را تولید كنند که به صورت عمود بر سطح مرتب شده‌اند. این نانولوله‌های کربنی یک سیستم فوم open-cell تشکیل می‌دهند که دارای تخلخل حدود ۸۷ درصد می‌باشد.به طور کلی هر چقدر فوم انعطاف‌پذیرتر باشد، به همان میزان استحکام کمتری دارد. به عنوان مثال، افزایش فضاهای خالی یک فوم، قابلیت فشرده شدن آن را افزایش داده، ولی به مقدار زیادی استحکام آن را کاهش می‌دهد. اما فوم‌های نانولوله‌ای کربنی غیرعادی بوده و در عین حالی که بسیار محکم می‌باشند (استحکام فشردگی آنها حدود ۱۲ تا ۱۵ مگاپاسکال می‌باشد)، انعطاف‌پذیری بسیار بالایی نیز دارند. در حالی که فوم‌های انعطاف‌پذیر معمول، همچون لاستیک لاتکس و پلی‌یورتان، عموماً استکام فشردگی حدود ۲۰ تا ۳۰ کیلوپاسکال دارند.Anyuan Cao از دانشگاه هاوایی ابراز داشت:"میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که این نانولوله‌ها به صورت منظم در طول محور خود خم می‌شوند. این نانولوله‌ها می‌توانند به صورت کامل چین‌خورده و تا حد ۸۵ درصد فشرده شوند و پس از برداشتن فشار ، دوباره به حالت اولیه خود باز گردند. نقطه بسیار جذاب این است که تمام نانولوله‌ها به صورت هماهنگ و با یک طول موج یکسان و در یک جهت چین می‌خورند و چین‌خوردگی آنها به صورت نامنظم نیست." زمانی که فشار وارده بر لوله‌ها برداشته می‌شود، به سرعت به حالت اولیه خود بر‌می‌گردند. همچنین این نانولوله‌ها استحکام فرسودگی بسیار بالایی داشته و پس از چندین هزار بار اعمال فشار، تنها کمتر از ۱۵ درصد تغییر شکل می‌دهند.Cao می‌گوید: « مساله‌ای که تا مدت‌ها ما را مشغول کرد، این بود که رفتار خم‌شدگی این آرایه‌ها در بالا و پایین فیلم تفاوت داشت. بخش بالایی نانولوله‌ها پس از چندین بار اعمال فشار به صورت تقریباً صاف باقی می‌ماند، در حالی که بخش پایینی این نانولوله‌ها چین‌خوردگی بسیار زیادی را نشان می‌داد. برای روشن شدن این پدیده، نانولوله‌های رشدیافته را در استون فروبرده و مشاهده شدکه پس از تبخیر استون، همیشه نانولوله‌ها به سمت ته آن جمع می‌شوند (به دلیل آب رفتن از این سمت) و این امر نشان می‌دهد که دانسیته قسمت پایینی این فیلم‌ها کمتر است و در نتیجه استحکام کمتری دارند. بنابر گفته Cao، این فوم‌ها را می‌توان به عنوان پدهای تشکی، پوشش‌های جاذب‌ انرژی، و لایه‌های مرطوب‌کننده استفاده نمود. او می‌گوید: «نانولوله‌های چین‌خورده می‌توانند ابزارهای الکترومکانیکی همچون فعال‌کننده‌ها برای جابه‌جایی اشیای کوچک را به وجود بیاورند. همچنین قابلیت فشرده شدن این فیلم‌های نانولوله‌ای، امکان تولید فوم‌های با دانسیته پایین open-cell را فراهم می‌آورد که در شرایطی که موادی با وزن کم، استحکام و مقاومت فرسودگی بالا مورد نیاز است، بسیار سودمند خواهند بود.در حال حاضر دانشمندان در حال مطالعه بر روی ویژگی‌های الکتریکی این نانولوله‌ها هستند. به عنوان مثال، تغییر هدایت الکتریکی این نانولوله‌ها را هنگام چین‌خوردن اندازه می‌گیرند. آنها همچنین مطالعه بر روی ویژگی‌های مکانیکی این نانولوله‌ها را ادامه خواهند داد تا از طریق کنترل طول موج چین خوردن، که استحکام نانولوله را تعیین می‌کند، و یا استفاده از نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره، ویژگی‌های مورد نیاز برای شرایط مختلف را ایجاد نمایند. این محققان نتایج کار خود را در مجله Science به چاپ رسانده‌اند. از دیگر موارد كاربرد نانولوله‌ها در صنعت ساختمان است. صنعت ساختمان با توجه به نیازهای خود چه از نظر استحكام، مقاومت و دوام و نیز كارایی بالا از استفاده كنندگان مهم مواد نانو ساختار (Nanostructure Materials ) به شمار می‌رود . هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملكرد بالا می باشد، كه آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می‌باشد به گونه ای كه مصالح بتوانند كاربردهای گوناگونی را ارائه كنند. با توجه به نوظهور بودن مواد نانو ساختار، چنین موادی می‌توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد كنند. معمولاً الیاف برای مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانیكی بتن بكار برده می شوند . امروزه از الیاف فلزی ، شیشه‌ای، پلی‌پروپلین ، كربن و . . . در بتن برای مسلح كردن استفاده می‌شود و لیكن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربنی انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح كردن (تقویت بتن) بوسیله نانو لوله‌ها استفاده كرد . اما با توجه به تحقیقات انجام شده در مركز تحقیقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، نانولوله‌ها دارای مقاومت كششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الكتریكی از خود نشان می دهند ، به طوریكه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الكتریكی آنها در حدود ۱۰۰۰ برابر فلز مس می‌باشد .نانولوله‌ها طبقه جدیدی از محصولات می‌باشند كه انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده‌اند . یك نسل جدید از نانو كامپوزیت‌های چند منظوره می‌توانند به عنوان نانو لوله‌های كربنی در نقش الیاف مسلح‌كننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند . بنابراین نانولوله‌های كربنی از اجزای كلیدی به دست آوردن هدف اصلی ذكر شده و به عنوان مصالح ساختمانی با عملكرد بالای چند منظوره، مورد استفاده قرار گیرند. پیرو مطالعات گسترده‌ای كه پیرامون خواص مكانیكی نانولوله‌‌های كربنی در سراسر دنیا انجام می‌گیرد نیز، محققان مركز تحقیقات Paul Pascal و دانشگاه پاریس جنوبی با استفاده از فرآیند كشش گرم خواص مكانیكی الیاف ساخته شده از نانولوله‌های كربنی را بهبود دادند. این فرآیند، چقرمگی و دوام الیاف را در برابر فشارهای كم، افزایش داده و آنها را در مقابل آب مقاوم‌تر می‌سازد. به كمك این فرآیند می‌توان الیاف نانولوله‌ای با استحكام بیشتر از كولار۷ به دست آورد. الیاف ساخته شده از نانولوله‌های تك جداره كمی محكم‌تر از الیاف ساخته شده از نانولوله‌های چند جداره هستند.این الیاف در جلیقه‌های ضدگلوله، كلاه، لباس، دستكش‌های ایمنی و كامپوزیت‌هایی كه در برابر ضربه و فشار مقاوم هستند كاربرد دارند. خواص امیدبخشی برای این الیاف در مقیاس آزمایشگاهی معرفی شده و اكنون سعی می‌شود تا كاربردهایی برای آنها ارائه شود. این كار نیاز به تولید انبوه این مواد دارد به طوری كه بتوان از آنها منسوجات یا طناب‌های ضخیم تهیه كرد. امكان استفاده از نانولوله‌های چندجداره، فرصت‌هایی را برای استفاده انواع مختلف مواد ایجاد می‌كند. این الیاف ابرچقرمه، در مرحله اول بسیار جالب توجه به نظر می‌آیند، ولی برای جنبه‌های كاربردی چندان مفید نیستند، زیرا چنین الیاف مستحكمی با مقادیر زیاد کرنش‌ به شکست همراه هستند. این ویژگی برای متوقف كردن گلوله اسلحه مناسب است اما نمی‌تواند گلوله را بلافاصله و بدون حركت در مسیر پرتابه متوقف كند. به همین دلیل برای این منظور الیافی با نسبت کرنش به شکست كم و چقرمگی بالا مورد نیاز است.موارد كاربردی در صنعت خودرو:
تولید حسگرهای تصویری قوی بر پایه ماشینها و موتورهای مولكولی: هم‌اكنون بسیاری از شركتهای الكترونیكی و نرم‌افزاری و همچنین شركتهای تامین‌كننده قطعات خودرو، سرگرم طراحی و ""تولید انبوه"" حسگرهایی مخصوص بازار صنعت خودروسازی هستند.كاهش مصرف سوخت خودرو با کمک محصولات جدید شركتNanotech : شركت Nanotech یكی از پیشگامان توسعه و تجاری‌سازی محصولات فناوری‌نانو اعلام كرد، قرارداد توسعه و تولید انبوه نمونه اصلی از نسخه اصلاح‌شده نانوكامپوزیت‌های مورد استفاده در صنعت خودرو را با یك گروه علمی برجسته امضا كرده است.این نسخه اصلاح شده از Nansulate (نام تجاری مادهٔ مذكور) در داخل خودرو به عنوان عایق‌ به کار می‌رود و با كاهش حجم كار سیستم‌های تهویه هوا، باعث كاهش مصرف سوخت می‌شود. "استوارت بارچیل" مدیر این شركت گفت: به اعتقاد ما این شركت می‌تواند نوعی فناوری توسعه دهد كه فضای داخل ماشین را در هوای گرم خنك نگه داشته و در مصرف سوخت و انرژی خودرو صرفه‌جویی كند. علاوه بر این اطمینان داریم كه هزینه تمام شدهٔ این کامپوزیت، در فرآیندهای رایج تولید صنعتی از نظر تجاری مناسب خواهد بود و ما را قادر می‌سازد تا با شركت‌های اصلی سازندهٔ تجهیزات خودرو وارد مذاكره شده و در خط تولید آنها وارد شویم. با توجه به مسئله بحران انرژی این كشورها چنین محصولاتی می‌توانند با تقاضای قابل توجهی روبه رو شده و پتانسیل دگرگون كردن فرآیند ساخت خودرو را دارند.وی معتقد است كه پتانسیل این محصول در ذخیره انرژی و كاهش مصرف سوخت، شركت را قادر می‌سازد تا عرضه محصول خود را گسترش داده و بازارهای صنعت خودرو را در دست بگیرد. خط تولید صنعتی روكش‌های نیمه شفاف Nansulate شركت Nanotech، موجب عایق‌كاری حرارتی عالی شده و از خوردگی جلوگیری می‌كنند و بدین ترتیب بسیاری از مشكلات مؤثر بر صنایع متعدد از قبیل نفت و گاز، پتروشیمی و كشتی‌سازی را كاهش می‌دهد.نانولوله‌های كربنی در نقش شمع موتورها: كشف این پدیده كه نانولوله‌های‌كربنی تنها به وسیلهٔ تابش نور جرقه می‌زنند، می‌تواند منجر به احتراق مؤثرتر موتور خودرو و سوخت موشك‌ها شود.سه سال پیش دانشجویی در حین كار در آزمایشگاه Pulickel Ajayan در انستیتو پلی‌تكنیك "رنسلار" و در اثر فلاش عكاسی به طور اتفاقی توده‌ای از نانولوله‌های كربنی را شعله‌ور كرد.پژوهشگران فكر می‌كنند نانولوله‌ها بدین دلیل شلعه‌ور می‌شوند كه می‌توانند انرژی نور را بسیار مؤثرتر و بیشتر از آنچه به صورت گرما هدر می‌دهند جذب كنند. این امر تنها زمانی روی می‌دهد كه نانولوله‌ها حاوی ناخالصی‌های آهن باشند، البته هنوز فرآیند دقیق آن مشخص نیست.علی‌رغم معلوم نبودن مكانیسم عمل، محققان هم‌اكنون شروع به بهره‌برداری از این اثر كرده‌اند. Burice Chehroudi و Stephan Danczuk دریافتند كه نانولوله‌های كربنی مستقر در یك میلی‌متری یك قطرهٔ متانول یا سوخت مایع موشك می‌توانند به وسیلهٔ یك فلاش نور، قطرهٔ مذكور را مشتعل كنند. آنها گمان می‌كنند كه نانولوله‌های فروزان از طریق احتراق بخار اطراف قطره باعث آتش گرفتن آن می‌شوند.این دو همچنین توانستند مواد محترقه جامد مانند كلرات پتاسیم را با قرار دادن نانولوله‌های كربنی روی آنها شعله‌ور كنند و در پی این موفقیت اختراعاتی را در مورد سیستم‌های احتراق نانولوله‌ای برای خودرو و سوخت موشك‌ها به ثبت برسانند.موتورهای بنزینی استاندارد با تكیه بر جرقه‌ای كه در نتیجه اعمال ولتاژ بالا بین دو الكترود در نوك شمع تولید می‌شود شروع به كار می‌كنند. این جرقه مخلوط سوخت و هوا را در محفظهٔ احتراق شعله‌ور كرده، انبساط گاز حاصل موجب حركت پیستون می‌شود. اما عمل جرقه زدن تمام سوخت را نمی‌سوزاند و سوخت زائد از طریق اگزوز اتومبیل وارد هوا شده و سبب آلودگی می‌شود و اگر سوخت موشك به طور ناقص بسوزد، مخلوط اكسیژن و هیدروژن ایجاد می‌شود كه می‌تواند در اثر یك جرقه باعث انفجار موشك شود.نانولوله‌ها می‌توانند از طریق توزیع عمل احتراق در سراسر سوخت، از این پدیده جلوگیری كنند. بدین ترتیب كه نانولوله‌ها بدرون سوخت وارد شده و با هوای داخل سیلندر به طور یكنواخت مخلوط می‌شوند. در اثر جرقهٔ نور حاصل از LED، نانولوله‌ها مشتعل شده و صدها شعلهٔ ریز بدون حضور شمع، سراسر سوخت را شعله‌ور می‌كنند. بنابر این اگر یك یا چند نانولوله به طور ناقص عمل كنند، باقی نانولوله‌ها نقش خود را ایفا می‌كنند. این سیستم خیلی كارا و موثر است زیرا توزیع نانولوله‌ها در سوخت بدین معنی است كه تمام گرمای تولید شده به یكباره برای حركت دادن پیستون بكار می‌رود، لذا اتلاف گرما كمتر خواهد بود و نیز تمام سوخت سوزانده می‌شود. این افزایش كارایی می‌تواند هزینه‌های لازم برای موتورهای جدید را توجیه كند.محققان هم اكنون در حال تلاش برای دست‌یابی به طول موج و شدت بهینه نور هستند. علاوه بر این، امكان استفاده از این ایده به عنوان راهی برای انفجار پیچ‌های انفجاری در مرحله جدا شدن موشك بدون استفاده از سیم در دست بررسی است. زیرا سیم‌ها اغلب تحت فشار و دمای بالای عملیات از بین می‌روند.اما گروه فیزیک دانشگاه شهید چمران اهواز نیز در راستای بومی کردن فناوری‌نانو، اخیراً بخشی از موضوعات تحقیقاتی خود را به سمت این فناوری سوق داده است. به دنبال این تلاش، این گروه موفق شد کربن ۶۰ و نانولوله‌های‌کربنی را تولید نماید. این محصولات طی انجام یک پروژه کارشناسی‌ارشد، تولید گردیدند. در این پروژه، یک رآکتور تحقیقاتی ۱۰۰۰۰W جهت تولید کربن ۶۰ و نانولوله های کربنی و همچنین سایر فولرین‌ها، به روش قوس الکتریکی طراحی و ساخته شد. شرایط بهینه عملکرد راکتور شامل فشار، اتمسفر و جریان عبوری برای کنترل پلاسمای ایجاد شده جهت تولید محصولات مورد نظر تعیین گردیدند. کربن ۶۰ تولید شده با استفاده از CNMR، و نانولوله‌های کربنی توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مورد شناسایی قرار گرفتند. تصاویر TEM محصولات رآکتور، سنتز نانولوله‌های تك‌جداره (SWNT) و همچنین چند‌جداره (MWNT) را مورد تایید قرار دادند. ساختار نانولوله های تشکیل شده با استفاده از پراش الکترون مورد مطالعه قرار گرفته است. این مطالعات امکان سنتز هر سه نوع نانولوله (نانولوله‌های آرمچیر، زیگزاگ و کایرال) با استفاده از رآکتور را به اثبات رساندند. بودجه اجرای این پروژه از محل حمایت تشویقی ستاد ویژه توسعه فناوری ‌نانو جهت پایان‌نامه‌های كارشناسی ارشد تامین شده است. لازم به ذكر است، از مراكزی كه در ایران به تولید نانولوله‌های كربنی می‌پردازد، پژوهشگاه صنعت نفت است كه در راستای برآورده کردن نیاز محققان به نانولوله‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره، نانولوله‌های تولیدی خود با خلوص مختلف را دراختیار متقاضیان قرار می‌دهد. در ایران در بسیاری از مراكز تحقیقاتی نانولوله كربنی تولید می‌شود و نقش تعیین‌كننده آن در صنعت آینده درك شده است اما هنوز از تولید انبوه فاصله داریم. در برخی كارخانه‌‌های تولید محصولات پایه CNT، هدف تولید سالانه بیش از ۱۰۰ میلیون قطعه تعیین شده است. این فناوری جدید بوده و هنوز در تمامی كشورها، بصورت صنعتی و تولید انبوه در نیامده است؛ ما می‌توانیم با توجه و سرمایه‌گذاری بموقع، نیاز آینده خود به محصولات پایه CNT را برطرف كرده و جایگاه مناسبی در صنعت الكترونیك نانولوله بدست آوریم.
منابع:
www.azonano.com , www.nano.ir
www.nanotechweb.org , www.prime۲one.com
www.primezone.com , www.findarticles.com
www.nanotech-now.com , www.sensormag.com
www.ipt.arc.nasa.gov
پاورقی‌ها:
۱. شش وجهی
۲. شكاف
۳. ضریبی برای مقایسه استحكام
۴. stiffness
۵.عدم تقارن آینه‌ای
۶. تریلیون
۷.Kevlar
شیوا اسلامی

منبع : مجله گسترش صنعت