تا سال 1980 سه آلوتروپ کربن(کربن غیربلوری) به نامهای الماس وگرافیت وکربن بی شکل شناخته شده بودند.اما امروز می دانیم که اشکال مختلفی از خانواده کربن وجود دارد .
نامهای دیگر باکی بال وفولرن نام گذاری شده است.فولرن ها ملکول های کروی کربن هستند که به سبب شکل زیبا وخواص شگفت انگیز توجه بسیاری از دانشمندان رابه خود معطوف کرده است.آلوتروپ بعدی کربن که درسال1991 کشف شد نانولوله نام دارد که به توضیح ان می پردازیم.
نانو لوله های کربن از صفحات کربن به ضخامت یک اتم وبه شکل استوانه ای توخالی درسال1991 توسط سامیوایجیما(از شرکت N.E.C ژاپن)کشف شد.
نانولوله ها به ساختارهایی اطلاق می شود که قطرآنها تاحدود 100 نانو مترباشد. آرایش اتم های کربن در دیواره این ساختار استوانه ای دقیقا مشابه ساختار کربن درصفحات گرافیت است درگرافیت شش ضلعی های منتظم کربنی در کنار یکدیگر صفحات گرافیت رامی سازند این صفحات کربنی بر روی یکدیگرانباشته میشوند وهرلایه ازطریق پیوند های ضعیف واندروالس به لایه زیرین متصل می شوند.وهنگامیکه صفحات گرافیت در هم پیچیده می شوند نانولوله های کربنی را تشکیل میدهند در واقع نانو لوله های کربنی گرافیتی است که به شکل لوله در . آمده
ویژگی نانو لوله های کربنی
خواص ویژه ومنحصربه فرد از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب و طبیعت کربنی نانو لوله ها(به خاطر اینکه کربن ماده ای است کم وزن وبسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایند ها که نسبت به فلزات برای تولید ارزنتر میباشد)یکی از خصوصیات برجسته ینانو لوله های کربنی استحکام کششی بالای آنها است که نزدیک 100گیگا پاسکال یعنی بیش از 100برابر استحکام فولاد است در حالی که وزنش یک ششم وزن فولاد است با این حال این مقیاس غلط انداز است چرا که فولاد ازتجمع بلورها مواد افزودنی حاصل می شود ولی نانولوله ها مثل هم خانواده ی خود گرافیت به یک دیگر نچسبیده تنها بر اثر نیروهای ضعیف واندروالس جذب یک دیگر می شوند نانولوله ها به مواد دیگر نیز به راحتی نمی چسبند و میتوان با اصلاح شیمیایی آنها به یک دیگر شوند نانولوله های کربنی دارای خواص الکتریکی بالایی میباشند آنها بسته به کایراتیه (نحوه ی پیچش ساختارهای گرافیتی به دور نانولوله)میتوانند رسانا (نانولوله هایی با خاصیت فلزی)یا نیم رسانا باشند.
نانولوله های کربنی سیم های ملکولی بزرگی هستند که الکترون میتواند آزادانه درآن حرکت کند . این قطعات میتوانند درکنار مدارات الکترونیکی خیلی سریعتر و با توان کمتر از مدارات کنونی کار کنند و هدایت گرمایی نانو لوله های کربنی درجهت لوله ها و نه عمود برآنها باعث شده است که این ترکیبات قابلیت بالقوه ای در گودال های حرارتی در زمینه ی نانو الکترونیک از خود نشان دهند .یکی دیگر از ویژگی های نانولوله ها نشر میدانی است .قطعات نشر میدانی یا(اف ای دی )ها ساختارهایی هستند که تحت تاثیر میدان الکتریکی از خود الکترون منتشر می کنند نانولوله ها قادرند تحت تاثیر میدان های الکتریکی جریان های بالایی را انتشار دهند .اکسایش نانو تیوپها از دو سر آغازمیشوند در نتیجه این عمل باعث باز شدن تیوژ خواهد شد.
نانو تیوپها از لحاظ کاتالیزی فعال می باشند همچنین خاصیت مویینگی بالایی دارند و میتوانند گازها ومایعات را در خود جای دهند. رفتار میکروسکوپی یک نانو تیوپ(نانو لوله ای از جنس کربن) که پاره است همانند یک کفشدوزک به نظر میرسد. شکاف موجود در بافت نانو تیوپ ناشی از تنشهای حرارتی وارد شده به آن بوده ودرحین فرایند گذر از ساختار پنج وجهی به هفت وجهی کربن در طول لوله دوخته میشود.نانولوله ها میتوانند نور مادون قرمز را جذب و دفع کنند همچنین تزریق هم زمان الکترون از یک سر و تزریق حفره ای ازسردیگرلوله موجب میشود نوربا طول موج1.5میکرومتر از نانولوله منتشر شود همچنین دارای چگالی سطحی بسیار بالایی میباشند که باعث استحکام بالای نانولوله میشود میتوان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آنها پدیدارمیشود .
درنانولوله ها هر سه اتم کربن قابلیت ذخیره سازی یک یون لیتیم را دارد درحالی که گرافیت هر شش اتم کربن توانایی ذخیره یک یون لیتیم را دارند .همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله هاچند برابر الکترود های گرافیتی است و نانولوله ها در دمای زیر 15درجه کلوین ابر رسانا میشوند و شعاع این نانولوله های ابر رسانا 0.4نانومتر است.
انواع نانولوله های کربنی
نانولوله ها به دو دسته ی تک جداره و چند جداره تقسیم میشوند نانولوله های تک جداره بر حسب آرایش اتم های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی و کایرال که دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ که خاصیت نیمرسانایی دارد تقسیم میشوند نانولوله های کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختار ساده (ورقه ای از شش ضلعی های منتظم)تشکیل شده اند از آغاز کار روی تک جداره ها از آن ها به عنوان یک پدیده ی تک بعدی اتم برده میشد تا اینکه این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت کرد .علت علاقه به این نانولوله ها تک جداره و تلاش برای جایگزین کردن آنها در صنعت بر اساس محاسبات نظری تاثیرات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مکانیکی ورسانایی الکتریکی آنها مانند فلزات میباشد البته تولید نانولوله های تک جداره دارای هزینه بالایی است وتولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آنها در حین فراوری پلیمر نانولوله مشکل می باشد هر چند نانولوله هایی که با استفاده ازتکنیک لانگهوری-بلاجت که شامل حرکات افقی و عمودی می باشند تولید شده اند علاوه بر اینکه ثابت نگه داشته میشوند توسط ژلاتین و تشکیل نانو ژل کربنی از لحاظ نوری نیز یکدست و همگن و از لحاظ ساختاری قابل کنترل میباشند .برعکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله های کربنی چند جداره باعث شده که پیشرفت های زیادی در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری شدن تولید شده است .یکی از معایب نانولوله های چند جداره نسبت به تک جداره این است که استحکام دهی آنها کمتر می باشد زیرا پیوند های صفحات داخلی ضعیف میباشند اما از آنجا که در حال حاظر کاربرد های نانولوله ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص الکتریکی و گرمایی میشود تا بهبود خواص مکانیکی کاربرد نانولوله های کربنی چند جداره بسیار زیاد میباشد از طرفی تکنیک های موجود نیز برای تولید نانولوله های تک جداره به اندازه کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد تلخیص این مواد بسیار زحمت آور استو در نهایت ممکن است به ساختار نانولوله نیز صدمه بزند .
کاربرد نانولوله های کربنی
وجود یک سری مختصات ویژه نانولوله های کربنی آنها را به انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.بنابراین در ادامه به شرح چندین مورد از حوزه های مهم کاربرد نانولوله ها می پردازیم.
تهیه الیاف از نانو لوله های کربنی:
پژوهشگران موسسه نانو تک در تگزاس در زمینه تهییه الیاف از نانو لوله های کربنی به پیشرفت های چشمگیری دست یافته اند این الیاف محکم و فوق العاده انعطاف پذیر بوده و از نظر حرارتی و الکتریکی رساناست .از این الیاف برای تولید نخ های فلامینتی استفاده می کنند ومی توانند جایگزین الیاف معمولی در زمینه فیلترها .جلیقه های نجات.لباس های ضد اشتعال.منسوجات الکترونیکی .ساخت ماهیچه های مصنوعی و ابر خازن ها شونداین الیاف به علت ویزگی های نانو لوله های کربنی به عنوان موادی دوستدار محیط زیست که به مصرف بهینه ی انرژی نیز کمک می نمایند شناخته شده اند.
نانو کامپوزیت های کربنی:
نانو کامپوزیت های نانولوله ای کربنی دارای استحکام بیشتری نسبت کامپوزیت های موجود و کامپوزیت های مبتنی بر نانو ذرات هستند از نظر تئوری کاربرد نانو لوله ها در کامپوزیتها به دلیل استحکام کششی بالا مانع مصرف الیاف کربنی در کامپوزیتها خواهد شد .خواص رسانایی یا حفاظت در در برابر اشعه نانولوله ها می تواند برای کامپوزیت ها ارزشمند باشد .
کاربرد های پزشکی:کربن به عنوان یک بیوسرامیک دربیو فناوری کاربرد های وسیعی یافته و در حال حاظر نیز مطالعاتی در باره فعال سازی شیمیایی نانو لوله ها برای ساخت هیبرید های نانولوله - مولکول جهت کاربرد در داربست ها رشد سلول وبافت وبیوسنسور ها با کارایی بالا انجام گرفته است این نانولوله ها میتوانند به عنوان داربست بافت سلول ها عصبی ایفای نقش نمایند از دیگر کاربردهای آن در زمینه پزشکی میتوان به درمان آسیب دیدگی مغز- دارو رسانی به سلولهای آسیب دیده ، از بین بردن تومور های سرطانی و ژن درمانی اشاره کرد.
کاربردها در صنعت نفت:
استفاده از نانو لوله های کربنی به عنوان نانو کاتالیست برای جذب و ذخیره سازی گاز طبیعی و هیدروزن، سولفورزدایی از نفت خام و تولید سوخت (جی تی ال)
