نانو لوله ها
نانو لوله ها به نانوساختارهایی اطلاق می شود که قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف نظر از استحکام کششی بالا، نانو لوله ها خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می دهند که به ساختار آنها وابسته است.
لفظ نانولوله در حالت عادی در مورد نانولوله کربنی به کار می رود، که در چند سال اخیر از سوی محققین مورد توجه فراوانی قرار گرفته اند و در کنار خویشاوندان نزدیکش همچون "نانوشاخ"، نویدبخش کاربردهای جالبی شده اند. البته اشکال دیگری از نانولوله ها همچون نانولوله های نیترید بور و نانولوله های خودآرای آلی نیز ساخته شده اند.
نانولوله ها در زمینه های مختلفی کاربرد دارند که عبارتند از:
- مواد ساختمانی
- صنایع الکترونیک
- قطعات نشر میدانی
- پیل های سوختی و باتریها
نانولو له های کربنی(CNTs)
نانولو له های کربنی که در سال 1991 توسط سومیو ایجیما در شرکت NEC کشف شدند ، در واقع لوله هایی از گرافیت می باشند( گرافیت شکلی از کربن است که از لایه های حاوی آرایش های شش ضلعی اتم های کربن تشکیل می شود). این نانوساختارها اندازه های مختلفی داشته و می توانند تک دیواره (SWNT) یا چند دیواره (MWNT) باشند که درمورد اخیر دسته ای از خواص جالب توجه را به همراه خود دارند.
یک خصوصیت مشهور نانولوله های کربنی ، استحکام کششی برجسته ی آنهاست، که نزدیک 100 گیگاپاسکال یعنی بیش از 100 برابر استحکام فولاد است. با این حال این مقیاس غلط انداز است؛ چرا که فولاد از تجمع بلورها و مواد افزودنی حاصل می شود و لذا مقایسه معنادارتر، مقایسه کردن مواد بزرگ مقیاس ساخته شده از نانولوله ها با فولاد خواهد بود. این مسأله خطر برون یابی خواص سطح مولکولی به جامدات توده را خاطر نشان می سازد (نانولوله مثل هم خانواده خود( ورقه های گرافیت) به یکدیگر نچسبیده و تنها بر اثر نیروهای ضعیف واندروالس جذب یکدیگر می شوند؛ به همین دلیل است که گرافیت به عنوان یک روان کننده خوب شناخته می شود). نانولو له ها به دیگر مواد نیز به راحتی نمی چسبند. این مسأله بکارگیری خواص آنها در مواد توده ای را با مشکل مواجه می سازد. می توان با اصلاح شیمیایی نانولوله ها باعث چسبیدن آنها به یکدیگر شد، اما خلوص ساختاری آنها که باعث چنان استحکام عظیمی می شود، اولین چیزی است که باید برروی آن مصالحه کرد.
نانولو له های کربنی دارای خواص الکتریکی جالبی نیز می باشند. آنها بسته به کایرالیته (یعنی نحوه پیچش ساختار گرافیتی به دور نانولوله) می توانند رسانا ( نانولو له های ”فلزی“) یا نیمه رسانا باشند. نانولو له های کربنی تک دیواره در مصارف الکترونیکی با بیشترین توجه روبرو شده اند، اما هنوز نمی توان در روشهای تولید کنترل چندانی بر خصوصیات الکترونیکی نانولوله ها اعمال نمود.
هدایت گرمایی نانولوله های کربنی در جهت لوله ها و نه عمود برآنها باعث شده است که این ترکیبات قابلیت بالقوه ای در گودال های حرارتی در زمینه نانوالکترونیک از خود نشان دهند.
یکی از خواص نانولوله های کربنی که بیشترین توجه را به خود جلب کرده است، نشر میدانی است. قطعات نشر میدانی(FEDها) ساختارهایی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی از خود الکترون منتشر می کنند. نانولو له های کربنی قادرند تحت تاثیر میدان های الکتریکی اندک جریان های بالایی را انتشار دهند.
مصارفFED مثل صفحات نمایشگر مسطح ممکن است نیازمند جایدهی دقیق نانولوله ها باشند. برای دستیابی به این دقت، استفاده از روشهای رشد دهی مبتنی بر کاتالیست ها و رسوب دهی شیمیایی بخار شروع شده است . FEDهای نانولو له ای در سامانه های روشنایی نیز آزموده شده اند. به کمک رسوبدهی شیمیایی بخار . فیلمی از نانولوله ها بر روی یک لوله نشانده می شود و الکترون های منتشر شده از یک سیم مسی واقع در درون آن، لوله را برای تابش تحریک می کنند.
نانولو له های کربنی و خویشاوندشان ”نانوشاخ ها“ برای نگهداری هیدروژن و هیدروکربنها جهت استفاده پیل های سوختی مورد مطالعه قرار گرفته اند .
نانولوله ها کربنی قابلیت خود را برای دوبرابر کردن ظرفیت باتری های قابل شارژ لیتیوم به جای گرافیت نشان داده اند. همچنین نانولوله های کربنی تک دیواره می توانند کارایی پیلهای خورشیدی فتوولتاییک را با ارتقای قابل ملاحظه تحرک پذیری الکترونها در یک لایه کامپوزیت پلیمری بهبود دهند.
فرآیندهای تولید نانولوله های کربنی عبارت است از:
?- تخلیه قوس الکتریکی:
دراین روش جرقه ای که بین دو الکترود گرافیتی ایجاد می شود، کربن یک الکترود را کنده و به صورت دوده روی دیگری متراکم می سازد. فشار محفظه تبخیر و جریان مهمترین عوامل مؤثر در راندمان می باشند. این روش برای تولید انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد کامپوزیتی مناسب است.
?- تبخیر/ سایش لیزری :
از لیزر برای تبخیر هدف گرافیتی در کوره ای به دمای° 1200 و حاوی هلیوم یا نیتروژن با فشار بالا استفاده می شود. این روش برای تولید انبوه نانولوله ها جهت استفاده در مواد کامپوزیتی کاربرد دارد.
?- رسوب دهی شیمیائی بخار به کمک حرارت:
کنترل موقعیت و رشد نانولوله ها با استفاده از نانوکاتالیست های نانوذره ای، قابلیت خلق نانولوله هایی با ساختار و وضعیت مورد نظر را فراهم می کند. سادگی روش باعث تولید انبوه آن خواهد شد.
?- رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما(PCVD)
از پلاسمای منوکسید کربن و هیدروکربن های مختلف برای ساخت نانولو له ها بر روی کاتالیست های قرار داده شده برروی سطح ( مانند روش حرارتی) استفاده می شود.
?- رشد فاز بخار :
در این روش بدون استفاده از هیچ زیرلایه ای، تنها با مخلوط کردن هیدروکربنها و فلزکاتالیست در محفظه واکنش نانولوله ها ساخته می شوند.
?- الکترولیز:
در اثر الکترولیز کلریدلیتیوم مذاب در یک محفظه گرافیتی- که آند یک بوته گرافیتی است- می توانMWNT ها را سنتز کرد.
?- سنتز شعله :
احتراق متان باعث ایجاد شعله می شود و وارد نمودن هیدروکربن های دیگر و کاتالیست ها در آن باعث تولید SWNT و MWNT می شود.
نانولوله های کربنی به خاطر خواص منحصر به فرد خود کارایی زیادی دارند. برخی معتقدند نانولوله ها کارایی سنسورهای کوچک، دستگا ههای نوری و الکترونیکی، کاتالیست ها و باطریها و پیلهای سوختی، پیل های خورشیدی و انتقال دهندهای دارویی را به طور فوق العاده ای بهبود می دهند. تقریباً ظرفیت باطری های لیتیم با نانولوله های کربنی دوبرابر می شود، ترانزیستورهای کربنی در دهه آینده جایگزین ترانزیستورهای سیلیکونی می شوند، همچنین نانولوله ها در راکت های تنیس کاربرد دارند و آنها را سبکتر و محکم تر می سازنند. تقویت جلیقه های ضد گلوله با مقدار کمی نانولوله کربنی توانایی آنها را در جذب انرژی گلوله دوبرابر می کند، همچنین از نانولوله های کربنی برای تهیه پلاستیک های ضد شعله استفاده می شود، نانو لوله های کربنی قادر به ذخیره سازی هیدروژن تا 65 % وزن خود هستند (ظرفیتی که پیل های سوختی هیدروژنی را به دلیل موثر بودن و ارزان بودن جایگزین سوختهای فسیلی خواهد کرد.) همچنین سیم های با جنسCNT درست شده است که هدایت الکتریکی آن از سیم های مسی بیشتر است و قادر به انتقال جریانات با فشار قوی می باشند.
نانوکامپوزیت های نانولوله ای کربنی
نانوکامپوزیت های نانولوله ای کربنی دارای نسبت استحکام به وزن بیشتری نسبت به کامپوزیت های موجود وکامپوزیت های مبتنی بر نانوذرات هستند. از نظر تئور ی کاربرد نانولو له ها درکامپوزیت ها بدلیل استحکام کششی بالا مانع مصرف الیاف کربنی در کامپوزیتها خواهد شد. خواص رسانایی یا حفاظت در برابر اشعه نانولوله ها نیز می تواند برای کامپوزیت ها ارزشمند باشد .
استحکام نانولو له ها در نساجی نیز پتانسیل هایی را به همراه دارد. نانولوله ها همچنین می توانند الیاف را رسانا سازند، این قابلیت می تواند کاربرد نظامی داشته باشد.
نانولوله های نیترید بور
نانولوله نیترید بور ساختاری مشابه نانولوله های کربنی دارد و می تواند لایه های شش ضلعی مشابه گرافیت را شکل دهد. در مارس 2001 لورنس مارکس و همکارانش در دانشگاه نورث وسترن نیتریدبور را به شکل نانولوله در آوردند. نیترید بور از نظر شیمیائی مخصوصاً در دماهای بالا بی اثرتر از کربن است. انتظار می رود نانولو له های نیترید بور نیمه رسانا یا عایق باشند، اما خواص الکترونی آنها کمتر از نانولوله های کربنی قابل تنظیم است. همچنین این ترکیبات نشرکننده های میدانی بهتری نسبت به نانولو له های کربنی هستند. نانولو له هایی از جنس تنگستن و گوگرد یا تنگستن و سلنیوم ساخته شده اند که مانند نانولوله های نیترید بور انعطاف و ارتجاع کمتری نسبت به نانولو له های کربنی دارند.
نانوکامپوزیت های نانولوله ای نیترید بور
نانولو له های نیترید بور میتوانند در مواد کامپوزیتی کاربرد دارند؛ چون دارای بخشی از استحکام نانولوله های کربنی بوده و مقاومت خیلی بالاتری نسبت به مواد شیمیایی و دماهای بالا دارند. مقاومت در دماهای بالا برای مصارف خاص هوافضا (مثل مقاومت در برابر حرارت بازگشت مجدد به جو) مطلوب میباشد.
نانولوله های آلی
نانولوله های آلی از خودآرایی ترکیبات آلی بوجود می آیند. این نانوساختارها در زمینه های رسانش دارو، نانوراکتورهای شیمیایی و کانال های بیولوژیکی کاربرد دارند.
نانوساختارهای الگوگرفته از نانولوله
با استفاده از نانولوله ها به عنوان قالب می توان نانوساختاره ایی با اشکال متفاوت ایجاد نمود . شکل کریستالی این نانوساختارها وابسته به قطر نانولوله است.
