نانو تيوپهاي (نانو تيوب) كربني:
يكي از اكتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology ، كشف Nanotube
است .نانو تيوبها صفحاتي از اتمهاي كربن هستند كه درون قسمتي غلطك مانند حركت مي كنند ودر ظاهر شبيه توريهاي سيمي هستند كه بر روي يك سمت آنها پوششي قرار گرفته باشد. Carbon Nanotube لوله كربني تو خالي است . نانو تيوب هاي كربني از منابع كربني مانند گرافيت يا گازهاي هيدروكربني بوسيله روشهايي مانند تخليه الكتريكي ، TCVD و Laserr ablation ساخته مي شوند . اين مواد به علت داشتن خواصي مانند سطح ويژه زياد (700-1000 m[SUP]2[/SUP]/gr) ، استحكام زياد (حدودا 50 برابر فولاد) و خصوصيات الكتريكي و الكترونيكي استثنايي موارد كاربرد زيادي از جمله استفاده به عنوان پايه كاتاليست ، تقويت مكانيكي پليمرها و كمپوزيت ها و ساخت قطعات الكترونيكي دارند .آنها 10 برابر از فولاد محكمتر ند در حاليكه وزنشان يك ششم وزن فولاد است. اين امتياز باعث شده است كه آنها اولين انتخاب براي ساختن پلها، هواپيماها وحتي سفينه هاي فضايي باشند. تنها مشكل اين است كه بزرگترين نانو تيوبي كه در آزمايشگاه ساخته مي شود تنها چند ميلينتر است. اما اين مسئله باعث شده كه درمورد ماشينهاي كوچك ، نانو تيوب ها ي كربني ايده آل باشند. يكي از مشكلاتي كه بر كيفيت ابزار MEMSتاثير منفي مي گذارد ساييدگي قسمتهاي بسيار كوچك آنهاست كه در هر ثانيه هزاران بار اتفاق مي افتد. اما در ياتاقانهاي ساخته شده از نانو تيوبها تقريبا هيچ گونه اصطحكاكي وجود ندارد.وامتيازمهم اين است كه نانو تيوبها در هر دو حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واين ويژگي موجب استفاده آنها در وسايل مختلف الكتريكي شده است. نانو تيوبها دو نوع هستند : نانو تيوبهاي چند ديواره اي و تك ديواره اي كه به ترتيب در سال 1991 و 1993 كشف شدند. نوع چند ديواره اي از الياف گرافيتي ساخته مي شود در حالي كه نانو تيوبهاي تك ديواره اي از الياف فولرن كشيده شده تشكيل شده اند . از زمان كشف اين مواد كاربرد هاي مختلفي پيشنهاد شده است كه از آن جمله مي توان استفاده از نوع چند ديواره اي را در نوك اي . اف . ام حامل و در مورد نوع تك ديواره به منظور استفاده در وسايل الكترونيكي يا به عنوان محيط مناسب جهت ذخيره هيدروژن اشاره نمود .
نانو تيوبهاي تك ديواره از ديواره هاي استوانه اي گرافن به قطر 1 تا 2 نانومتر تشكيل شده است . نوع چند ديواره اي ,ديواره هاي ضخيم تري دارد و از چندين استوانه هم محور گرافن كه با فاصله 34 نانومتر (در حد فاصله لايه هاي گرافيت) از هم جدا شده اند ,تشكيل گرديده است . قطر خارجي نانو تيوب چند ديواره اي 2 تا 25 نانومتر و سوراخ داخلي آن در محدوده 1 تا 8 نانومتر قرار دارد و ما بين لايه هاي منفرد گرافيت هيچگونه نظم سه بعدي وجود ندارد . طول متوسط نانو تيوب مي تواند چندين ميكرون باشد .
اولين بار نانو تيوبها در سال 1991 توسط «سوميو ايجيما» و به صورت کاملا اتفاقي در هنگام مطالعه سطوح الکترودهای کربن در هنگام تخليه قوس الکتريکی کشف شد.
دامنه کاربرد:
محاسبات اوليه نشان داده اند كه نانو تيوبها بسته به هليسيتي و قطرشان مي توانند رسانا يا نيمه رسانا باشد . دو سر تيوب حالت فلزي از خود نشان مي دهند .نانو تيوب در عين استحكام بالا بسيار انعطاف پذير است .
اكثر كاربرد ها بر اساس ساختار الكترونيكي ,استحكام مكانيكي ,انعطاف پذيري و ابعاد نانو تيوب پيشنهاد شده است . كاربرد الكترونيكي بر پايه نانو تيوب تك ديواره اي است در حالي كه در مورد ساير كاربردها تفاوتي ميان نوع چند ديواره اي و تك ديواره اي وجود ندارد . كاربرد نانو تيوب به عنوان وسايل الكترونيكي كوچك مورد توجه بيشتري قرار گرفته است . به عنوان مثال نوع تك ديواره اي كه بين دو الكترود فلزي قرار داده شده , مشابه وسايل نيمه رساناي مرسوم است و عملكرد آن در حد وسايل موجود برآورد شده است (عملكرد از لحاظ سوييچينگ). نانو تيوبها مي توانند به دليل استحكام و انعطاف پذيري در ساختمان مواد به كار روند و موادي با خواص بهتر را ايجاد كنند .
مشخصات :
ساختار تو خالي نانو تيوب سبك بودن آن را به دنبال دارد . چگالي نوع چند ديواره اي 8/1 و نوع تك ديواره اي 8/0 است . استحكام ويژه آنها حداقل 100 برابر فولاد است . نانو تيوبها مقاومت خوبي در برابر مواد شيميايي داشته و از پايداري گرمايي بالاي برخوردارند . اكسايش نانو تيوب از دو سر تيوب آغاز مي شود . اين عمل باعث باز شدن تيوب خواهد شد . انتقال الكترون در نانو تيوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شديدا رسانا هستند. رسانايي گرمايي آنها در جهت محوري نيز بالا است . نانو تيوبها از لحاظ كاتاليزوري فعال مي باشند. نانو تيوبها خاصيت مويينگي بالايي دارند و مي توانند گازها و مايعات را در خود جاي دهند . از نانو تيوبهاي چند ديواره اي به عنوان الكترود در واكنشهاي بيوالكترو شيميايي استفاده شده است . نانو تيوبها مي توانند واكنشهاي احياي اكسيژن را كاتاليز كنند. سرعت انتقال الكترون در نانو تيوب بيشتر از الكترودهاي كربني است . ذخيره هيدروژن در داخل حفره هاي نانو تيوبهاي تك ديواره اي امكان پذير خواهد بود .
روشهاي توليد نانو تيوب كربني:
در سال 1991 توسط پژوهشگر ژاپني به نام سوميو ايجيما كه متخصص ميكروسكوپ آزمايشگاه NECبود ،آزمايشي به وقوع پيوست كه تا به حال سهم به سرتئي در توسعه نانو تكنولوژي داشته است. وي كه به دستكاري وتغيير روش هاي ارائه شده توسط محققين موسسه ي فيزيك هسته اي ماكس پلانگ جهت توليد فولرين مشغول بود، دو الكترد گرافيت را به جاي اتصال در فاصله كمي از يكديگر قرار داد وبين آنها قوس الكتريكي برقرار كرد. اين آزمايش سبب شد كه وي به طور كاملا اتفاقي نانو تيوب هاي كربني را كشف كند. اهميت روز افزون اين مواد در صنعت به دليل خواص مكانيكي والكتريكي جالب ومتنوع آنها ست .پيش بيني مي شود كه اين مواد بتوانند در بسياري از ساختار هاي نانو متري آينده به كار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تيوب كربن وجود دارد،كه از بقيه اشكال آن تا حدودي متمايز است:
1- نانو لوله تك جداره Single Wall
2- نانو لوله چند جداره Multi Wall
اين دو مورد وخصوصا نوع تك جداره آن صرفا به دليل سادگي توجه پژوهشگران بيشتري را به خود جلب كرده است.نانو لوله تك جداره از يك ورقه ي گرافيت پيچيده به صورت استوانه به وجود آمده كه دو سر آن به حالت كروي مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده كه درون هم قرار دارند. در ميان انواع روشهاي توليد نانو تيوب كربني تك جداره ،سه روش از اهميت وارزش بالاتري بر خوردار دارند. اين روشها عبارتند از :
1- قوس الكتريكي Arc Discharge
2- رسوب گذاري بخار شيميايي :
(Chemical Vapor Deposition or CVD)
3- تبخير ليزري (Laser Vaporization)
روش قوس الكتريكي:
روش قوس الكتريكي همان روشي است كه توسط سوميو ايجميا براي اولين بار به كار برده شد،بااين وجود مقدار محصول به وجود آمده در اين روش بسيار پايين است.ولي در روش رسوب گذاري بخار شيميايي مي توان محصول بيشتري را به دست آورد.و به همين دليل پيش بيني ميشود كه در آـينده براي توليد انبوه نانو لوله ها در مقياس صنعتي به كار رود.در روش قوس الكتريكي از دو الكترد گرافيت استفاده ميشود وآنها را درفاصله كمي از يكديگر قرار مي دهند به خاطر اينكه خلوص بدست آمده در روش ايجيميا بسيار پاييين بود Journet وهمكار انش در سال 1997 به دستكاري متد بكار رفته توسط ايجما پرداختند وبا بهينه كردن پارامتر هاي توليد توانستند نانو لوله هاي تك ديواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .آنها از آند گرافيتي با قطر 16 وطول 40 ميلي متر وهمچنين الكترود ديگري با قطر 16 وطول 100 ميل متر به عنوان كاتد استفاده كردند ونيز براي بدست آوردن نانو لوله Single Wall ميان اند كاتاليست Ni,Yپرگرديد. عمود بودن يا در امتداد هم قرار داشتن كاتد وآند تاثير چنداني در سنتز ندارد.
براي اجراي قوس الكتريكي بايد محيط اطراف دستگاه را ابتدا خلا كرده وسپس در فشاري پايين (معمولا بين 260 تا 360 torr) از هليوم ويا آرگون كه گازهاي بي اثر هستند پر كنيم .يكي از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الكتريكي پايداري قوس الكتريكي اعمال شده ونيز مقدار شدت جريان وولتاژ است كه مي تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.در صورتي كه محصول مورد نظر نانو تيوب هاي Multi Wallباشد ديگر اجباري در استفاده از كاتاليزگرها نداريم با اينكه محصول به دست آمده توسط روس قوس الكتريكي به خاطر محدود بودن وسايل آزمايش بسيار كم است، اين روش توسط بسياري از پژوهشگران اجرا مي شودف زيرا مقدارمحصول براي يك كار تحقيقي روي نانو لوله اهميت خاصي ندارد بلكه آنچه مهم است خلوص محصول وكامل بودن ساختار آن است .كه روش قوس الكتريكي تا حد زيادي اين مشكل را بر طرف ميكند واما مشكل ديگردر روش قوس الكتريكي تكنيك خلا است كه در بسياري از آزمايشگاههاي سطح پايين امكان آن وجود ندارد ونيز استفاده از هليم وآرگون كه هر دو گازهاي گراني هستند، هر چند در بعضي از روشها از گاز هيدروژن استفاده شده است ولي اين مورد تالثير چنداني نداشته ومشكل بوجود آمده ديگر امكان انفجار وخطرات جانبي هيدروژن است.
پايداري قوس الكتريكي عامل مهمي در سنتز به شمار مي آيد با اين وجود استفاده از يك منبع تغذيه ي DCميتواند تاثير خوبي در سنتز داشته باشد وآزمايشات نشان داده است هر چند اندازه ي شدت جريان نسبت به اختلاف پتانسيل بيشتر باشد شرائط بهتر است ولي رسيدن به چنين جريان هائي بسيار مشكل است.
يكي از اكتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology ، كشف Nanotube
نانو تيوبهاي تك ديواره از ديواره هاي استوانه اي گرافن به قطر 1 تا 2 نانومتر تشكيل شده است . نوع چند ديواره اي ,ديواره هاي ضخيم تري دارد و از چندين استوانه هم محور گرافن كه با فاصله 34 نانومتر (در حد فاصله لايه هاي گرافيت) از هم جدا شده اند ,تشكيل گرديده است . قطر خارجي نانو تيوب چند ديواره اي 2 تا 25 نانومتر و سوراخ داخلي آن در محدوده 1 تا 8 نانومتر قرار دارد و ما بين لايه هاي منفرد گرافيت هيچگونه نظم سه بعدي وجود ندارد . طول متوسط نانو تيوب مي تواند چندين ميكرون باشد .
اولين بار نانو تيوبها در سال 1991 توسط «سوميو ايجيما» و به صورت کاملا اتفاقي در هنگام مطالعه سطوح الکترودهای کربن در هنگام تخليه قوس الکتريکی کشف شد.
دامنه کاربرد:
محاسبات اوليه نشان داده اند كه نانو تيوبها بسته به هليسيتي و قطرشان مي توانند رسانا يا نيمه رسانا باشد . دو سر تيوب حالت فلزي از خود نشان مي دهند .نانو تيوب در عين استحكام بالا بسيار انعطاف پذير است .
اكثر كاربرد ها بر اساس ساختار الكترونيكي ,استحكام مكانيكي ,انعطاف پذيري و ابعاد نانو تيوب پيشنهاد شده است . كاربرد الكترونيكي بر پايه نانو تيوب تك ديواره اي است در حالي كه در مورد ساير كاربردها تفاوتي ميان نوع چند ديواره اي و تك ديواره اي وجود ندارد . كاربرد نانو تيوب به عنوان وسايل الكترونيكي كوچك مورد توجه بيشتري قرار گرفته است . به عنوان مثال نوع تك ديواره اي كه بين دو الكترود فلزي قرار داده شده , مشابه وسايل نيمه رساناي مرسوم است و عملكرد آن در حد وسايل موجود برآورد شده است (عملكرد از لحاظ سوييچينگ). نانو تيوبها مي توانند به دليل استحكام و انعطاف پذيري در ساختمان مواد به كار روند و موادي با خواص بهتر را ايجاد كنند .
مشخصات :
ساختار تو خالي نانو تيوب سبك بودن آن را به دنبال دارد . چگالي نوع چند ديواره اي 8/1 و نوع تك ديواره اي 8/0 است . استحكام ويژه آنها حداقل 100 برابر فولاد است . نانو تيوبها مقاومت خوبي در برابر مواد شيميايي داشته و از پايداري گرمايي بالاي برخوردارند . اكسايش نانو تيوب از دو سر تيوب آغاز مي شود . اين عمل باعث باز شدن تيوب خواهد شد . انتقال الكترون در نانو تيوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شديدا رسانا هستند. رسانايي گرمايي آنها در جهت محوري نيز بالا است . نانو تيوبها از لحاظ كاتاليزوري فعال مي باشند. نانو تيوبها خاصيت مويينگي بالايي دارند و مي توانند گازها و مايعات را در خود جاي دهند . از نانو تيوبهاي چند ديواره اي به عنوان الكترود در واكنشهاي بيوالكترو شيميايي استفاده شده است . نانو تيوبها مي توانند واكنشهاي احياي اكسيژن را كاتاليز كنند. سرعت انتقال الكترون در نانو تيوب بيشتر از الكترودهاي كربني است . ذخيره هيدروژن در داخل حفره هاي نانو تيوبهاي تك ديواره اي امكان پذير خواهد بود .
روشهاي توليد نانو تيوب كربني:
در سال 1991 توسط پژوهشگر ژاپني به نام سوميو ايجيما كه متخصص ميكروسكوپ آزمايشگاه NECبود ،آزمايشي به وقوع پيوست كه تا به حال سهم به سرتئي در توسعه نانو تكنولوژي داشته است. وي كه به دستكاري وتغيير روش هاي ارائه شده توسط محققين موسسه ي فيزيك هسته اي ماكس پلانگ جهت توليد فولرين مشغول بود، دو الكترد گرافيت را به جاي اتصال در فاصله كمي از يكديگر قرار داد وبين آنها قوس الكتريكي برقرار كرد. اين آزمايش سبب شد كه وي به طور كاملا اتفاقي نانو تيوب هاي كربني را كشف كند. اهميت روز افزون اين مواد در صنعت به دليل خواص مكانيكي والكتريكي جالب ومتنوع آنها ست .پيش بيني مي شود كه اين مواد بتوانند در بسياري از ساختار هاي نانو متري آينده به كار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تيوب كربن وجود دارد،كه از بقيه اشكال آن تا حدودي متمايز است:
1- نانو لوله تك جداره Single Wall
2- نانو لوله چند جداره Multi Wall
اين دو مورد وخصوصا نوع تك جداره آن صرفا به دليل سادگي توجه پژوهشگران بيشتري را به خود جلب كرده است.نانو لوله تك جداره از يك ورقه ي گرافيت پيچيده به صورت استوانه به وجود آمده كه دو سر آن به حالت كروي مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده كه درون هم قرار دارند. در ميان انواع روشهاي توليد نانو تيوب كربني تك جداره ،سه روش از اهميت وارزش بالاتري بر خوردار دارند. اين روشها عبارتند از :
1- قوس الكتريكي Arc Discharge
2- رسوب گذاري بخار شيميايي :
(Chemical Vapor Deposition or CVD)
3- تبخير ليزري (Laser Vaporization)
روش قوس الكتريكي:
روش قوس الكتريكي همان روشي است كه توسط سوميو ايجميا براي اولين بار به كار برده شد،بااين وجود مقدار محصول به وجود آمده در اين روش بسيار پايين است.ولي در روش رسوب گذاري بخار شيميايي مي توان محصول بيشتري را به دست آورد.و به همين دليل پيش بيني ميشود كه در آـينده براي توليد انبوه نانو لوله ها در مقياس صنعتي به كار رود.در روش قوس الكتريكي از دو الكترد گرافيت استفاده ميشود وآنها را درفاصله كمي از يكديگر قرار مي دهند به خاطر اينكه خلوص بدست آمده در روش ايجيميا بسيار پاييين بود Journet وهمكار انش در سال 1997 به دستكاري متد بكار رفته توسط ايجما پرداختند وبا بهينه كردن پارامتر هاي توليد توانستند نانو لوله هاي تك ديواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .آنها از آند گرافيتي با قطر 16 وطول 40 ميلي متر وهمچنين الكترود ديگري با قطر 16 وطول 100 ميل متر به عنوان كاتد استفاده كردند ونيز براي بدست آوردن نانو لوله Single Wall ميان اند كاتاليست Ni,Yپرگرديد. عمود بودن يا در امتداد هم قرار داشتن كاتد وآند تاثير چنداني در سنتز ندارد.
براي اجراي قوس الكتريكي بايد محيط اطراف دستگاه را ابتدا خلا كرده وسپس در فشاري پايين (معمولا بين 260 تا 360 torr) از هليوم ويا آرگون كه گازهاي بي اثر هستند پر كنيم .يكي از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الكتريكي پايداري قوس الكتريكي اعمال شده ونيز مقدار شدت جريان وولتاژ است كه مي تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.در صورتي كه محصول مورد نظر نانو تيوب هاي Multi Wallباشد ديگر اجباري در استفاده از كاتاليزگرها نداريم با اينكه محصول به دست آمده توسط روس قوس الكتريكي به خاطر محدود بودن وسايل آزمايش بسيار كم است، اين روش توسط بسياري از پژوهشگران اجرا مي شودف زيرا مقدارمحصول براي يك كار تحقيقي روي نانو لوله اهميت خاصي ندارد بلكه آنچه مهم است خلوص محصول وكامل بودن ساختار آن است .كه روش قوس الكتريكي تا حد زيادي اين مشكل را بر طرف ميكند واما مشكل ديگردر روش قوس الكتريكي تكنيك خلا است كه در بسياري از آزمايشگاههاي سطح پايين امكان آن وجود ندارد ونيز استفاده از هليم وآرگون كه هر دو گازهاي گراني هستند، هر چند در بعضي از روشها از گاز هيدروژن استفاده شده است ولي اين مورد تالثير چنداني نداشته ومشكل بوجود آمده ديگر امكان انفجار وخطرات جانبي هيدروژن است.
پايداري قوس الكتريكي عامل مهمي در سنتز به شمار مي آيد با اين وجود استفاده از يك منبع تغذيه ي DCميتواند تاثير خوبي در سنتز داشته باشد وآزمايشات نشان داده است هر چند اندازه ي شدت جريان نسبت به اختلاف پتانسيل بيشتر باشد شرائط بهتر است ولي رسيدن به چنين جريان هائي بسيار مشكل است.