نانوساختارهای کربنی

یکی از شگفت انگیزترین موادی که بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است نانوساختارهای کربنی می باشد و این به علت ماهیت پیوند کربنی آنها می باشد. تاکنون انواع مختلفی برای این ساختارها معرفی شده است: فولرین، نانولوله های کربنی، نانوربان ها، 

 

فولرین:

فولرین ها ساختاری توپ مانند دارند با ترکیبات c₆₀،c₇₀،c₂₀،c₈₄ . یکی از پایدارترین و فراوان ترین فولرین ها مولکول c₆₀ می باشد. این مولکول از آرایش متقارن 12 وجه 5ضلعی و 20 وجه 6ضلعی تشکیل شده است. این مولکول های توپ مانند در حالت جامد به هم متصل می شوند تا یک شبکه ی بلوری با ساختار مکعبی مرکز سطحی را به وجود آورند. 

 

                                                                                   

                                                                                                 نمایی از مولکول c₆₀

 

 

                                                                        

                                                                                             نمایی از ساختار و پیوند مولکول c₆₀

 

 

در شبکه فاصله ی هر مولکول c₆₀  از همسایه اش یک نانومتر است و به وسیله نیروی ضعیف وان دروالس متصل به هم نگه داشته می شوند.

c₆₀  خواص شگفت انگیزی از خود نشان داده است. از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1) در ساختار مکعبی مرکز سطحی فولرین 26درصد حجم سلول واحد خالی است. بنابراین اتم های دیگر به راحتی می توانند در این فضا قرار بگیرند. تاکنون آزمایشات بسیاری در جهت آلایش فولرین ها با عناصر قلیایی و بررسی خواص آنها انجام شد. به عنوان مثال ترکیب k₃c₆₀ از نظر الکتریکی رسانا است در حالی که فولرین عایق است. یا با قرار دادن برخی داروها یا آنزیم ها درون این فضای خالی از آنها به عنوان حامل دارو و رساندن آن به نقطه ای مورد نظر در بدن استفاده کرد.  

2) این مولکول استحکان فیزیکی بالایی دارد. به گونه ای که پس از تحمل فشار 3000 اتمسفر دوباره به شکل اولیه خود برمیگردند. از این رو از آنها به عنوان تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها استفاده می شود.

3)  روان کاری در مقیاس نانومتری از خواص دیگر این مولکول است. از آنجاییکه مولکول های c₆₀ با نیروی ضعیف واندر والسی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند ، مانند لایه های گرافیتی، بنابراین از آن می توان به جای گرافیت جهت روان کننده استفاده کرد. 

 

 

نانولوله های کربنی:

جالب ترین نانوساختار کربنی با قابلیت کاربرد فراوان نانولوله های کربنی هستند. می توان نانولوله ی کربنی را به صورت یک ورقه ی گرافیتی تصور کرد که به شکل یک لوله پیچیده شده است و چگونگی پیچش ان تعیین کننده خواص نانولوله می باشد. 

 

انواع نانولوله های کربنی: تک جداره (SWCNT) چند جداره (MWCNT) . 

ساختار نانولوله های کربنی: زیگزاگی، مبلی، کایرال

روش های تولید: تبخیر سطحی لیزری، قوس الکتریکی، لایه نشانی شیمیایی با بخار

• اگر در فرایند تولید از هیچ کاتالیستی استفاده نشود، نانولوله های چندجداره تولید می شوند. 
• پس از فرآیند تولید، مخلوطی از انواع مختلف نانولوله (فلزی، نیمه رسانا) تولید می شود. 

روش های برش: آسیا کاری گلوله ای، برودتی، اکسیداسیون شیمیایی تحت رفلاکس و امواج مافوق صوت(مخلوط اسید سولفوریک-اسید نیتریک یا اسید سولفوریک- پروکسید هیدروژن)

باید این نکته نیز در نظر گرفته شود که تولید نانولوله های کربنی به همراه ناخالصی می باشد. بنابراین پس از تولید برای استفاده بهینه لازم است ناخالصی ها از بین بروند. این کار به روش های فیزیکی و شیمیایی انجام می شود.

 

 

                                                                    

 

خواص نانولوله های کربنی:

• خواص الکتریکی نانولوله های کربنی به قطر و کایرالیتی(پیچش) آن ها بستگی دارد و با افزایش قطر لوله، گاف نواری کاهش می یابد. به طور کلی ساخت نانولوله ها باعث ایجاد مخلوطی می شود که دو سوم آن ها نیمه رسانا و یک سوم فلز هستند. انتقال الکترونی روی نانولوله های کربنی تک جداره ی منفرد که بین دو الکترود قرار دارد، اندازه گیری شده است. نتیجه شکل پله مانندی را در نمودار ولتاژ-جریان نشان می دهد. این وضعیت مشابه ترانزیستور اثر میدان ساخته شده از نانولوله است. می توان با افزایش تدریجی ولتاژ گیت، الکترون ها را تک به تک به لوله اضافه کرد. در حالت فلزی، رسانندگی لوله ها بسیار بالا است. یک از دلایل اصلی رسانندگی بالای آن ها این است که برای پراکنده کردن الکترون ها نقص های خیلی کمی دارند، بنابراین مقاومت کمی دارند. جریان های زیاد این لوله ها را گرم نمی کند. مقاومت مغناطیسی نانولوله های کربنی نیز با افزایش میدان مغناطیسی DC کاهش می یابد و رسانندگی، عکس مقاومت، افزایش می یابد.

 

• خواص مکانیکی نانولوله های کربنی بسیار قابل توجه می باشد. نانولوله های کربنی خیلی مستحکم اند و مدول یانگ بالایی دارند و این خصوصیت ایجاب می کند که نانولوله ها خیلی سفت باشند و خم کردن آنها سخت باشد. اما شعاع کوچک نانولوله ها اثر سفت بودن آنها را خنثی میکند و به آنها خاصیت ارتجاعی می دهد. علاوه بر این، چون در ساختار نانولوه های کربنی تعداد خیلی کمی نقص وجود دارد، بر اثر خم شدن شکست اتفاق نمی افتد. دلیلی دیگر برای شکسته نشدن نانولوله ها این است که وقتی آن ها به شدت خم می شوند، ساختار حلقه های کربنی تقریباً شش گوشی در دیواره ها تغییر می کند اما نمی شکنند. این حالت نتیجه ی منحصر به فرد این حقیقت است که پیوندهای کربن-کربن، هیبرید sp² دارند و این پیوندها حین خم شدن میتوانند دوباره هیبرید شوند. 

 

• خواص حرارتی نانولوله های کربنی نیز بررسی شده است و نتایج نشان می دهد که نانولوله ها رسانندگی بسیار بالاتر از گرافیت و الماس دارند. و همین طور رسانایی حرارتی نانولوله های تک جداره کمتر از نانولوله های چند جداره می باشد. این نانولوله ها هادی گرمایی خوبی در جهت محور نانولوله هستند و عایق های خوبی در جهت عمود بر محور هستند. به دلیل این خاصیت، نانولوله ها خواص گرمایی مواد ترمومکانیک را بهبود بخشیدند.

 

• خواص شیمیایی نانولوله های کربنی بر کاربرد آنها بسیار موثر بوده است. واکنش پذیری آنها با خمیده شدن نانولوله افزایش می یابد. این انحنا باعث اختلال در اوربیتال های پی و سیگا می شود که به هیبریداسیون بین اوربیتال ها می انجامد. از اینرو واکنش پذیری نانولوله ها مستقیماً به اوربیتال پی بستگی دارد و با انحنا افزایش می یابد. بنابراین یک نانولوله با قطر کوچکتر واکنش پذیری بیشتری دارد. با توجه به این خاصیت می توان از آنها در حسگرهای شیمیایی استفاده کرد. 

 

نانوربان های گرافنی:

 

در میان تمام ساختار های کربنی، امروزه ساختارهای مشابه لایه های گرافنی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ساختارها عرضی در ابعاد نانومتر دارند. این نانوساختار ها به روش برش مکانیکی گرافن یا روش اپیتاکسی با استفاده از ماسک های ویژه ساخته می شوند. 

مطالعات نشان می دهد که نانو ربان ها با لبه آرمچیز فلز م نیم رسانا هستند و نانوربان ها با لبه زیگزاگی فلز هستند. 

اهمیت این نانوساختارها در کاربرد آنها در قطعات الکترونیکی و ترانزیستورها می باشد.