نانو تيوپهاي كربني و روشهاي ساخت آنها

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 m²/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.


روش Magnetic Field:
يكي از موضوعات وپارامترهاي مهم براي پژوهشگراني كه مي خواهند از نانو لوله ها استفاده كنند خلوص محصول است وهمچنين اينكه در سطح مقدار بيشتري نانو لوله قرار گرفته باشد، تا بتوانند آزمايشهاي كيفي خود را با دقت بالاتري انجام دهند. در روش قوس الكتريكي هنگاه ايجاد قوس در اطراف كاتد وآند به دليل اختلاف پتانسيل وجريان، دما تا حد قابل توجهي بالا مي رود ،اين مقدار به اندازه اي است كه گرافيت (در حالت كلي كربن ) رو ي آند بخار شده وسپس روي كاتد مي نشيند.از آنجا كه در اطراف كاتد وآند گاز قرار دارد در نتيجه اين افزايش دما بر گاز نيز اثر گذاشته ودماي آنرا افزايش مي دهد . ودر نتيجه در اطراف محيطي نه به شكل گاز بلكه به شكل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است .
دليل ليمكه پلاسما را حالت جديدي از ماده مي ناميم اين است كه از تركيب ين هاي مثبت ومنفي اتم هاي خنثي بوجود آمده است .با افزايش دما تعداد اتمهاي خنثي كاهش يافته در حقيقت ميزان بارهاي آزاد دما تعداد اتمهاي خنثي كاهش يافته در حقيقت ميزان بارهاي آزاد افزايش مي يابد .اما نكته مهم در پلاسما اثرات ميدان مغناطيسي بر آنهاست .به وسيله ميدان مغناطيسي مي توان پلاسما را در يك منطقه محصور كرد.اين جلوگيري از برخورد پلاسما با ديواره طرف كه در راكتور كه در راكتور گداخت گرمائي از آن استفاده ميشود مي تواند در سنتز نانو لوله ها بسيار موثر واقع شود. فرض كنيد اطراف الكترود هاي گرافيتي را با يك ميدان مغناطيسي حاصل از چها رآهن ربا احاطه كنيم ،در اين صورت وجود ميدان سبب مي شود پلاسما ي وجود آمده به ديوارها برخورد نكند وفقط در محدوده ي گرافيتها دما افزايش مي يابد كه اين امر باعث كمك به تبخير بهتر وسريعتر آند مي شود ودر كل سنتز حالت بهتري به خود مي گيرد.در اين مورد ديگر جنس طرف اهميت خاصي ندارد.


روش Under de-ionized Water:
برخي از محققان در جهت تلاش براي حذف تكنيك خلا وهم چنين گازهاي گران قيمت هليوم وآرگون به روشهاي جديدي دست يافته اند، از اين موارد مي توان به قرار دادن الكترودها در نيتروژن ما يع اشاره كرد، كه خود پر خطر است. آب چون يكي از موادي است كه به فور در طبيعت يافت ميشود ،مي تواند به راحتي مورد استفاده قرار گيرد. البته آبي كه در ساخت نانو لوله ها استفاده ميشود،از نوع de- ionized يا يون زدوده است كه از عبور جريان به مقدار زيادي جلوگيري مي كند .اين آب كه معمولا در صنعت ميكرو الكترونيك كاربرد زيادي دارد را مي توان به راحتي با استفاده از دستگاههاي (رزين)در آزمايشگاههاي شيمي بدست آورد ومعمولا نيروگاهها از اين آب استفاده مي كنند. خصوصيت جالب در مورد آب يون زدوده اين است كه خاصيت عبور ندادن جريان در آن براحتي از دست نمي رود . سنتز در آب مي تواند هزينه ي آزمايش را تا حد قابل توجهي كاهش دهد، ولي مقدار ودرجه خلوص نانو تيوب هاي بوجود آمده د راين آزمايش بسيار پايين است خصوصا اينكه مقداري از نانو لوله ها ممكن است در آب به صورت مخلوط وارد شود، كه البته مي توان با يك روكش گرافيتي از آن جلوگيري كرد. شكل الكترود ها وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الكتريكي بسيار انعطاف پذير است .تا كنون با آزمايشهائي كه به وسيله اين روش صورت گرفته حتي در زمانهايي كه از كاتاليز گرها استفاده شده است ، محصول از نوع چند جداره بوده واين خاصيت آب در تشكيل نانو لوله هاي MWNTs است.

دارو رساني به وسيله نانو تيوبهاي كربني:
پژوهشگران به تازگي در يافته اند كه شكل خاصي از مولكولهاي كربن مي توانند به خوبي وارد هسته سلولها شوند ومي توان در آِينده اي نزديك از آنها درسيستم دارسازي وواكسيناسيون استفاده كردامروزه از اين مولكولهاي كربن كه (نانو تيوبهاي كربنCarbon nano tubes) ناميده مي شوند تنها جهت حمل پپتيدهاي كوچك به هسته هاي سلولهاي فيبروپلاستي استفاده مي شود ولي پژوهشگران اميدوارند كه بتوانند از آنها در درمان سرطان ،ژن درماني وواكسيناسيون نيز استفاده نمايند. آلبرتوبيانكو از موسسه CNRSدر استراسبوك فرانسه مي كويد كه پژوهشگران در مراحل اوليه تحقيقات مي باشند واز آنجا كه به نظر مي آيد نانو تيوبها مي توانند وارد هسته شوند، از اين خاصيت جهت حمل ژنها ي ساخته شده ورساندن داروها به بخش خاصي از سلول مي توان استفاده كرد. تيم تحقيقاتي بيانكو ،نانو تيوبها را چند روز در دي متيل فرماميد حرارت دادند وبه دنبال آن اتصالات كوتاهتري (اتيلن گيكول TEG) ايجاد شد وسپس پپتيدهاي كوچك به مولكولهاي TEGمتصل شدند وهنگامي كه اين نانو تيوبها با سلولهاي فيبروپلاست انساني كشف شده مخلوط شدند،به سرعت به سمت هسته حركت كردند. اصولا طيف وسيعي از مولكولها مي توانند به نانو تيوبها متصل شوند وبه راحتي به سمت سلولها حركت كنند وبه طور كلي نانو تيوبها سميت بالايي ندارند ودر دوزهاي پايين براي سلولها بي ضررند ولي در غلضتهاي بالا باعث از بين رفتن سلولها مي شوند وبايد اثرات آن در بدن مورد مطالعه قرار گيرد. روت دوتكان پژوهشگر دانشگاه كاريف انگلستان مي گويد:دلايل بسياري وجود دارد كه نشان مي دهد كه ذرات بسيار ريز مي توانند در سيستم دارو سازي مفيد باشند.اما مكانيسم وارد شدن نانو تيوبها به داخل سلولها مشخص نمي باشد.همچنين او مي گويد تحقيات نا موفقي جهت استفاده از bucky balls (نانو تيوبهاي كربني كروي) جهت رساندن داروهاي ضد سرطان ونوكلوتيدهاي پرتو زا به داخل سلول انجام شده است.

خلق نانوتيوپهاي كربني ابر رسانا

پژوهشگران نانو تيوب هاي كربني تك ديواره يك بعدي خلق كرده‌اند كه علاوه بر ويژگيهاي ابر رسانايي‌، پتانسيلي براي زير بناي نسل جديد الكترونيك‌هاي بسيار ريز هستند . پژوهش‌هاي قبلي اين احتمال را داده اند كه دسته اي از نانو تيوب ها – در اصل صفحات گرافيتي در اندازه اتمي كه درون استوانه اي به دور هم پيچيده اند – هنگامي كه روي هم انباشته مي‌شوند رفتار ابر رسانايي‌ نشان مي‌دهند.
پژوهشهاي Sheng و Tang فيزيك‌دانان موسسه علم و نانو تكنولوژي دانشگاه هنگ كنگ نشان داده است كه تك نانو تيوب هاي مجزاي يك بعدي نيز مي‌توانند ابر رسانا باشند. Sheng درمصاحبه با روزنامه بين المللي United Press اظهار داشته " اين تيوب‌ها يك بعدي هستند بنابراين ما با وجود يك بعدي بودن ابر رسانايي را نشان داده ايم و اين اولين باري است كه تا به حال مشاهده شده است و از جهاتي مرز جديدي است زيرا ما داريم پديده يك بعدي بودن را مي بينيم . ما در دنياي سه بعدي زندگي مي كنيم و روي يك بعدي بودن تامل كرده ايم و اكنون پديده يك بعدي بودن يك حقيقت شده است ."

آنها نانو تيوب ها را درون حفرات يك كريستال زئوليت رشد دادند كه همانند شابلون و يا قالب عمل مي‌كند و براي تشكيل
تيوب ها ابتدا دما را تا C 400 و سپس تاC 500 بالا بردند.
كربن يكي از متداولترين و مهمترين عناصر مي‌باشد . الماس كربن خالص است . اعتقادي بر ابر رسانايي كربن خالص وجود ندارد اما اين كشف نشان مي‌دهد كه صفحات كربن اگر به تيوب هايي به حد كافي كوچك شكل داده شوند، مي‌توانند خواصشان را تغيير دهند. حال سوال اينست كه آيا كربن خالص مي تواند ابر رسانا باشد؟ پاسخ حداقل در مقياس نانو بله مي باشد.

محدوديت هاي فيزيكي سيليكون تلاش هاي انجام گرفته براي كوچك كردن اندازه كامپيوترها، افزايش قدرت محاسباتي آنها و كاهش مصرف برقشان را با مشكل مواجه كرده است . اندازه بسيار كوچك نانو تيوب ها – فقط چند صد يا چند هزار اتم – و خواص الكترونيكي چند منظورشان ، آنها را كانديداي خوبي براي انتخاب در جاهايي كه سيليكون مساله ساز است ساخته است .

در حاليكه پژوهش‌ روي نانو تيوب ها هنوز نسبتا جوان است، كشف هاي اخير خبر مي دهند كه نانو تيوب ها مي‌توانند اساس قطعات الكترونيكي كوچك نظيركامپيوترهاي فرا ريز را تشكيل دهند.

و اما آخرين خبر درباره تعمير لوله هاي کربني:

رفتار ميکروسکپي يک نانوتيوب کربني(لوله نانويي از جنس کربن) که پاره است ، همانند حرکت يک کفش دوزک بنظر مي رسد. شکاف موجود در بافت نانو تيوب ناشي از تنشهاي حرارتي وارد شده به آن بوده و در حين فرآيند گذر از ساختارپنج جهي به هفت وجهي کربن در طول لوله دوخته مي شود.(به شکل بالا توجه کنيد)