نانو تیوپهای کربنی و روشهای ساخت آنها

● نانو تیوپهای (نانو تیوب) كربنی:
یكی از اكتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology ، كشف Nanotube است .نانو تیوبها صفحاتی از اتمهای كربن هستند كه درون قسمتی غلطك مانند حركت می كنند ودر ظاهر شبیه توریهای سیمی هستند كه بر روی یك سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد. Carbon Nanotube لوله كربنی تو خالی است .
نانو تیوب های كربنی از منابع كربنی مانند گرافیت یا گازهای هیدروكربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الكتریكی ، TCVD و Laserr ablation ساخته می شوند . این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد (۷۰۰-۱۰۰۰ m۲/gr) ، استحكام زیاد (حدودا ۵۰ برابر فولاد) و خصوصیات الكتریكی و الكترونیكی استثنایی موارد كاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه كاتالیست ، تقویت مكانیكی پلیمرها و كمپوزیت ها و ساخت قطعات الكترونیكی دارند .آنها ۱۰ برابر از فولاد محكمتر ند در حالیكه وزنشان یك ششم وزن فولاد است.
این امتیاز باعث شده است كه آنها اولین انتخاب برای ساختن پلها، هواپیماها وحتی سفینه های فضایی باشند. تنها مشكل این است كه بزرگترین نانو تیوبی كه در آزمایشگاه ساخته می شود تنها چند میلینتر است. اما این مسئله باعث شده كه درمورد ماشینهای كوچك ، نانو تیوب ها ی كربنی ایده آل باشند.
یكی از مشكلاتی كه بر كیفیت ابزار MEMSتاثیر منفی می گذارد ساییدگی قسمتهای بسیار كوچك آنهاست كه در هر ثانیه هزاران بار اتفاق می افتد. اما در یاتاقانهای ساخته شده از نانو تیوبها تقریبا هیچ گونه اصطحكاكی وجود ندارد.وامتیازمهم این است كه نانو تیوبها در هر دو حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واین ویژگی موجب استفاده آنها در وسایل مختلف الكتریكی شده است. نانو تیوبها دو نوع هستند : نانو تیوبهای چند دیواره ای و تك دیواره ای كه به ترتیب در سال ۱۹۹۱ و ۱۹۹۳ كشف شدند.
نوع چند دیواره ای از الیاف گرافیتی ساخته می شود در حالی كه نانو تیوبهای تك دیواره ای از الیاف فولرن كشیده شده تشكیل شده اند . از زمان كشف این مواد كاربرد های مختلفی پیشنهاد شده است كه از آن جمله می توان استفاده از نوع چند دیواره ای را در نوك ای . اف . ام حامل و در مورد نوع تك دیواره به منظور استفاده در وسایل الكترونیكی یا به عنوان محیط مناسب جهت ذخیره هیدروژن اشاره نمود .
نانو تیوبهای تك دیواره از دیواره های استوانه ای گرافن به قطر ۱ تا ۲ نانومتر تشكیل شده است . نوع چند دیواره ای ,دیواره های ضخیم تری دارد و از چندین استوانه هم محور گرافن كه با فاصله ۳۴ نانومتر (در حد فاصله لایه های گرافیت) از هم جدا شده اند ,تشكیل گردیده است . قطر خارجی نانو تیوب چند دیواره ای ۲ تا ۲۵ نانومتر و سوراخ داخلی آن در محدوده ۱ تا ۸ نانومتر قرار دارد و ما بین لایه های منفرد گرافیت هیچگونه نظم سه بعدی وجود ندارد . طول متوسط نانو تیوب می تواند چندین میكرون باشد .
اولین بار نانو تیوبها در سال ۱۹۹۱ توسط «سومیو ایجیما» و به صورت کاملا اتفاقی در هنگام مطالعه سطوح الکترودهای کربن در هنگام تخلیه قوس الکتریکی کشف شد.
● دامنه کاربرد:
محاسبات اولیه نشان داده اند كه نانو تیوبها بسته به هلیسیتی و قطرشان می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشد . دو سر تیوب حالت فلزی از خود نشان می دهند .نانو تیوب در عین استحكام بالا بسیار انعطاف پذیر است .
اكثر كاربرد ها بر اساس ساختار الكترونیكی ,استحكام مكانیكی ,انعطاف پذیری و ابعاد نانو تیوب پیشنهاد شده است . كاربرد الكترونیكی بر پایه نانو تیوب تك دیواره ای است در حالی كه در مورد سایر كاربردها تفاوتی میان نوع چند دیواره ای و تك دیواره ای وجود ندارد . كاربرد نانو تیوب به عنوان وسایل الكترونیكی كوچك مورد توجه بیشتری قرار گرفته است . به عنوان مثال نوع تك دیواره ای كه بین دو الكترود فلزی قرار داده شده , مشابه وسایل نیمه رسانای مرسوم است و عملكرد آن در حد وسایل موجود برآورد شده است (عملكرد از لحاظ سوییچینگ). نانو تیوبها می توانند به دلیل استحكام و انعطاف پذیری در ساختمان مواد به كار روند و موادی با خواص بهتر را ایجاد كنند .
● مشخصات :
ساختار تو خالی نانو تیوب سبك بودن آن را به دنبال دارد . چگالی نوع چند دیواره ای ۸/۱ و نوع تك دیواره ای ۸/۰ است . استحكام ویژه آنها حداقل ۱۰۰ برابر فولاد است . نانو تیوبها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالای برخوردارند . اكسایش نانو تیوب از دو سر تیوب آغاز می شود . این عمل باعث باز شدن تیوب خواهد شد . انتقال الكترون در نانو تیوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شدیدا رسانا هستند. رسانایی گرمایی آنها در جهت محوری نیز بالا است .
نانو تیوبها از لحاظ كاتالیزوری فعال می باشند. نانو تیوبها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند . از نانو تیوبهای چند دیواره ای به عنوان الكترود در واكنشهای بیوالكترو شیمیایی استفاده شده است . نانو تیوبها می توانند واكنشهای احیای اكسیژن را كاتالیز كنند. سرعت انتقال الكترون در نانو تیوب بیشتر از الكترودهای كربنی است . ذخیره هیدروژن در داخل حفره های نانو تیوبهای تك دیواره ای امكان پذیر خواهد بود .
● روشهای تولید نانو تیوب كربنی:
در سال ۱۹۹۱ توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما كه متخصص میكروسكوپ آزمایشگاه NECبود ،آزمایشی به وقوع پیوست كه تا به حال سهم به سرتئی در توسعه نانو تكنولوژی داشته است. وی كه به دستكاری وتغییر روش های ارائه شده توسط محققین موسسه ی فیزیك هسته ای ماكس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الكترد گرافیت را به جای اتصال در فاصله كمی از یكدیگر قرار داد وبین آنها قوس الكتریكی برقرار كرد. این آزمایش سبب شد كه وی به طور كاملا اتفاقی نانو تیوب های كربنی را كشف كند. اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به دلیل خواص مكانیكی والكتریكی جالب ومتنوع آنها ست .پیش بینی می شود كه این مواد بتوانند در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به كار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تیوب كربن وجود دارد،كه از بقیه اشكال آن تا حدودی متمایز است:
۱) نانو لوله تك جداره Single Wall
۲) نانو لوله چند جداره Multi Wall
این دو مورد وخصوصا نوع تك جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به خود جلب كرده است.نانو لوله تك جداره از یك ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به وجود آمده كه دو سر آن به حالت كروی مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده كه درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب كربنی تك جداره ،سه روش از اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از :
▪ روش قوس الكتریكی:
روش قوس الكتریكی همان روشی است كه توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به كار برده شد،بااین وجود مقدار محصول به وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست آورد.و به همین دلیل پیش بینی میشود كه در آـینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به كار رود.
در روش قوس الكتریكی از دو الكترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله كمی از یكدیگر قرار می دهند به خاطر اینكه خلوص بدست آمده در روش ایجیمیا بسیار پاییین بود Journet وهمكار انش در سال ۱۹۹۷ به دستكاری متد بكار رفته توسط ایجما پرداختند وبا بهینه كردن پارامتر های تولید توانستند نانو لوله های تك دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .
آنها از آند گرافیتی با قطر ۱۶ وطول ۴۰ میلی متر وهمچنین الكترود دیگری با قطر ۱۶ وطول ۱۰۰ میل متر به عنوان كاتد استفاده كردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله Single Wall میان اند كاتالیست Ni,Yپرگردید. عمود بودن یا در امتداد هم قرار داشتن كاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد.
برای اجرای قوس الكتریكی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا كرده وسپس در فشاری پایین (معمولا بین ۲۶۰ تا ۳۶۰ torr) از هلیوم ویا آرگون كه گازهای بی اثر هستند پر كنیم .یكی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الكتریكی پایداری قوس الكتریكی اعمال شده ونیز مقدار شدت جریان وولتاژ است كه می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.
در صورتی كه محصول مورد نظر نانو تیوب های Multi Wallباشد دیگر اجباری در استفاده از كاتالیزگرها نداریم با اینكه محصول به دست آمده توسط روس قوس الكتریكی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار كم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شودف زیرا مقدارمحصول برای یك كار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلكه آنچه مهم است خلوص محصول وكامل بودن ساختار آن است .
كه روش قوس الكتریكی تا حد زیادی این مشكل را بر طرف میكند واما مشكل دیگردر روش قوس الكتریكی تكنیك خلا است كه در بسیاری از آزمایشگاههای سطح پایین امكان آن وجود ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون كه هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده است ولی این مورد تالثیر چندانی نداشته ومشكل بوجود آمده دیگر امكان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است.پایداری قوس الكتریكی عامل مهمی در سنتز به شمار می آید با این وجود استفاده از یك منبع تغذیه ی DCمیتواند تاثیر خوبی در سنتز داشته باشد وآزمایشات نشان داده است هر چند اندازه ی شدت جریان نسبت به اختلاف پتانسیل بیشتر باشد شرائط بهتر است ولی رسیدن به چنین جریان هائی بسیار مشكل است.
▪ روش Magnetic Field:
یكی از موضوعات وپارامترهای مهم برای پژوهشگرانی كه می خواهند از نانو لوله ها استفاده كنند خلوص محصول است وهمچنین اینكه در سطح مقدار بیشتری نانو لوله قرار گرفته باشد، تا بتوانند آزمایشهای كیفی خود را با دقت بالاتری انجام دهند.
در روش قوس الكتریكی هنگاه ایجاد قوس در اطراف كاتد وآند به دلیل اختلاف پتانسیل وجریان، دما تا حد قابل توجهی بالا می رود ،این مقدار به اندازه ای است كه گرافیت (در حالت كلی كربن ) رو ی آند بخار شده وسپس روی كاتد می نشیند.از آنجا كه در اطراف كاتد وآند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز نیز اثر گذاشته ودمای آنرا افزایش می دهد . ودر نتیجه در اطراف محیطی نه به شكل گاز بلكه به شكل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است .
دلیل لیمكه پلاسما را حالت جدیدی از ماده می نامیم این است كه از تركیب ین های مثبت ومنفی اتم های خنثی بوجود آمده است .
با افزایش دما تعداد اتمهای خنثی كاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد دما تعداد اتمهای خنثی كاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد افزایش می یابد .اما نكته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست .به وسیله میدان مغناطیسی می توان پلاسما را در یك منطقه محصور كرد.این جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره طرف كه در راكتور كه در راكتور گداخت گرمائی از آن استفاده میشود می تواند در سنتز نانو لوله ها بسیار موثر واقع شود.
فرض كنید اطراف الكترود های گرافیتی را با یك میدان مغناطیسی حاصل از چها رآهن ربا احاطه كنیم ،در این صورت وجود میدان سبب می شود پلاسما ی وجود آمده به دیوارها برخورد نكند وفقط در محدوده ی گرافیتها دما افزایش می یابد كه این امر باعث كمك به تبخیر بهتر وسریعتر آند می شود ودر كل سنتز حالت بهتری به خود می گیرد.در این مورد دیگر جنس طرف اهمیت خاصی ندارد.
▪ روش Under de-ionized Water:
برخی از محققان در جهت تلاش برای حذف تكنیك خلا وهم چنین گازهای گران قیمت هلیوم وآرگون به روشهای جدیدی دست یافته اند، از این موارد می توان به قرار دادن الكترودها در نیتروژن ما یع اشاره كرد، كه خود پر خطر است. آب چون یكی از موادی است كه به فور در طبیعت یافت میشود ،می تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد.
البته آبی كه در ساخت نانو لوله ها استفاده میشود،از نوع de- ionized یا یون زدوده است كه از عبور جریان به مقدار زیادی جلوگیری می كند .این آب كه معمولا در صنعت میكرو الكترونیك كاربرد زیادی دارد را می توان به راحتی با استفاده از دستگاههای (رزین)در آزمایشگاههای شیمی بدست آورد ومعمولا نیروگاهها از این آب استفاده می كنند. خصوصیت جالب در مورد آب یون زدوده این است كه خاصیت عبور ندادن جریان در آن براحتی از دست نمی رود .
سنتز در آب می تواند هزینه ی آزمایش را تا حد قابل توجهی كاهش دهد، ولی مقدار ودرجه خلوص نانو تیوب های بوجود آمده د راین آزمایش بسیار پایین است خصوصا اینكه مقداری از نانو لوله ها ممكن است در آب به صورت مخلوط وارد شود، كه البته می توان با یك روكش گرافیتی از آن جلوگیری كرد. شكل الكترود ها وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الكتریكی بسیار انعطاف پذیر است .تا كنون با آزمایشهائی كه به وسیله این روش صورت گرفته حتی در زمانهایی كه از كاتالیز گرها استفاده شده است ، محصول از نوع چند جداره بوده واین خاصیت آب در تشكیل نانو لوله های MWNTs است.
● دارو رسانی به وسیله نانو تیوبهای كربنی:
پژوهشگران به تازگی در یافته اند كه شكل خاصی از مولكولهای كربن می توانند به خوبی وارد هسته سلولها شوند ومی توان در آِینده ای نزدیك از آنها درسیستم دارسازی وواكسیناسیون استفاده كردامروزه از این مولكولهای كربن كه (نانو تیوبهای كربنCarbon nano tubes) نامیده می شوند تنها جهت حمل پپتیدهای كوچك به هسته های سلولهای فیبروپلاستی استفاده می شود ولی پژوهشگران امیدوارند كه بتوانند از آنها در درمان سرطان ،ژن درمانی وواكسیناسیون نیز استفاده نمایند.
آلبرتوبیانكو از موسسه CNRSدر استراسبوك فرانسه می كوید كه پژوهشگران در مراحل اولیه تحقیقات می باشند واز آنجا كه به نظر می آید نانو تیوبها می توانند وارد هسته شوند، از این خاصیت جهت حمل ژنها ی ساخته شده ورساندن داروها به بخش خاصی از سلول می توان استفاده كرد.
تیم تحقیقاتی بیانكو ،نانو تیوبها را چند روز در دی متیل فرمامید حرارت دادند وبه دنبال آن اتصالات كوتاهتری (اتیلن گیكول TEG) ایجاد شد وسپس پپتیدهای كوچك به مولكولهای TEGمتصل شدند وهنگامی كه این نانو تیوبها با سلولهای فیبروپلاست انسانی كشف شده مخلوط شدند،به سرعت به سمت هسته حركت كردند. اصولا طیف وسیعی از مولكولها می توانند به نانو تیوبها متصل شوند وبه راحتی به سمت سلولها حركت كنند وبه طور كلی نانو تیوبها سمیت بالایی ندارند ودر دوزهای پایین برای سلولها بی ضررند ولی در غلضتهای بالا باعث از بین رفتن سلولها می شوند وباید اثرات آن در بدن مورد مطالعه قرار گیرد.
روت دوتكان پژوهشگر دانشگاه كاریف انگلستان می گوید:دلایل بسیاری وجود دارد كه نشان می دهد كه ذرات بسیار ریز می توانند در سیستم دارو سازی مفید باشند.اما مكانیسم وارد شدن نانو تیوبها به داخل سلولها مشخص نمی باشد.همچنین او می گوید تحقیات نا موفقی جهت استفاده از bucky balls (نانو تیوبهای كربنی كروی) جهت رساندن داروهای ضد سرطان ونوكلوتیدهای پرتو زا به داخل سلول انجام شده است.
● خلق نانوتیوپهای كربنی ابر رسانا
پژوهشگران نانو تیوب های كربنی تك دیواره یك بعدی خلق كرده‌اند كه علاوه بر ویژگیهای ابر رسانایی‌، پتانسیلی برای زیر بنای نسل جدید الكترونیك‌های بسیار ریز هستند . پژوهش‌های قبلی این احتمال را داده اند كه دسته ای از نانو تیوب ها – در اصل صفحات گرافیتی در اندازه اتمی كه درون استوانه ای به دور هم پیچیده اند - هنگامی كه روی هم انباشته می‌شوند رفتار ابر رسانایی‌ نشان می‌دهند.
پژوهشهای Sheng و Tang فیزیك‌دانان موسسه علم و نانو تكنولوژی دانشگاه هنگ كنگ نشان داده است كه تك نانو تیوب های مجزای یك بعدی نیز می‌توانند ابر رسانا باشند. Sheng درمصاحبه با روزنامه بین المللی United Press اظهار داشته " این تیوب‌ها یك بعدی هستند بنابراین ما با وجود یك بعدی بودن ابر رسانایی را نشان داده ایم و این اولین باری است كه تا به حال مشاهده شده است و از جهاتی مرز جدیدی است زیرا ما داریم پدیده یك بعدی بودن را می بینیم . ما در دنیای سه بعدی زندگی می كنیم و روی یك بعدی بودن تامل كرده ایم و اكنون پدیده یك بعدی بودن یك حقیقت شده است ."
آنها نانو تیوب ها را درون حفرات یك كریستال زئولیت رشد دادند كه همانند شابلون و یا قالب عمل می‌كند و برای تشكیل تیوب ها ابتدا دما را تا C ۴۰۰ و سپس تاC ۵۰۰ بالا بردند.
كربن یكی از متداولترین و مهمترین عناصر می‌باشد . الماس كربن خالص است . اعتقادی بر ابر رسانایی كربن خالص وجود ندارد اما این كشف نشان می‌دهد كه صفحات كربن اگر به تیوب هایی به حد كافی كوچك شكل داده شوند، می‌توانند خواصشان را تغییر دهند. حال سوال اینست كه آیا كربن خالص می تواند ابر رسانا باشد؟ پاسخ حداقل در مقیاس نانو بله می باشد.
محدودیت های فیزیكی سیلیكون تلاش های انجام گرفته برای كوچك كردن اندازه كامپیوترها، افزایش قدرت محاسباتی آنها و كاهش مصرف برقشان را با مشكل مواجه كرده است .
اندازه بسیار كوچك نانو تیوب ها – فقط چند صد یا چند هزار اتم – و خواص الكترونیكی چند منظورشان ، آنها را كاندیدای خوبی برای انتخاب در جاهایی كه سیلیكون مساله ساز است ساخته است .
در حالیكه پژوهش‌ روی نانو تیوب ها هنوز نسبتا جوان است، كشف های اخیر خبر می دهند كه نانو تیوب ها می‌توانند اساس قطعات الكترونیكی كوچك نظیركامپیوترهای فرا ریز را تشكیل دهند.
● تعمیر لوله های کربنی:
رفتار میکروسکپی یک نانوتیوب کربنی(لوله نانویی از جنس کربن) که پاره است ، همانند حرکت یک کفش دوزک بنظر می رسد. شکاف موجود در بافت نانو تیوب ناشی از تنشهای حرارتی وارد شده به آن بوده و در حین فرآیند گذر از ساختارپنج جهی به هفت وجهی کربن در طول لوله دوخته می شود.

منبع : کانون دانش