در گذشته سه آلوتروپ کربن به ناهمهای الماس ، گرافیت و کربن بی شکل شناخته شده بودند . اما با پیشرفت علم در عصر حاضر اشکال مختلفی از کربن شناخته شد. نامهای دیگر کربن باکی بال وفولرن هست . فولرن ها ملکولهایی کروی هستند که به خاطر شکل و خواص بسیار پر اهمیت واقع شده اند یکی دیگر از آلوتراپ های کربن نانولوله نام دارد .
نانو لوله ها صفحاتی از کربن به شکل استوانه ای تو خالی و به ضخامت یک اتم هستند که در سال ۱۹۹۱ توسط یک دانشمند ژاپنی بنام سامیو ایجیما کشف شد .
استفاده از حداقل انرژی در صنعت و بیشترین بازده از اهمیت ویژه ای برخوردار است از این رو نانوسیالات مورد توجه محققین قرار گرفت .
خود نانوسیالات حداقل دارای دو فاز می باشد از جمله :
۱- نانوذرات که به صورت نانوپودرها ، نانوفیبرها و نانولوله ها می باشند
۲- سیال پایه که نانو ذرات در آن پراکنده می شوند
مفهوم نانوسیالات برای اولین بار توسط چو chei در سال ۱۹۹۵ بیان شد ، وی خواص هدایت حرارتی نانومواد را توصیف کرد .
بر این اساس پژوهش های زیادی انجام شد که طی آن مشخص شد که نانوذرات که شامل نانولوله های کربنی هستند بیش ترین هدایت حرارتی دارند
با توجه به تاثیر چشمگیر نانوسیالات در انتقال حرارت و تشابه بین انتقال حرارت و انتقال جرم ، اخیرا نانوسیالات در انتقال جرم مورد توجه محققین قرار گرفته است .
ساختار نانولوله ها :
نانولوله های کربنی مهم ترین ساختار در مقیاس نانو هستند که توسط ایجیما دانشمند ژاپنی در سال ۱۹۹۱ در درون دوده های حاصل از تخلیه الکتریکی کربن در یک محیط حاوی گاز نئون کشف شد .
این نانولوله ها دارای مدول یانگ ۶ برابر فولاد ( ۱Tpa ) و چگالی برابر ۴/۱ هستند . در جهت محوری مقاومت کششی بالایی دارند ، که در سازه هایی با مقاومت بالا کاربرد دارند ، علت مقاومت بالای آنها به خاطر : ۱- استحکام پیوند کربن ۲- شکل شش ضلعی ساختار است .
همچنین پایداری حرارتی بالای نانولوله های کربنی باعث کاربرد آنها در الکترونیک در مقیاس نانو ، استفاده در کامپوزیت و وسایل ذخیره ساز شد .
قطر این ساختار ها حدود ۱۰۰ نانو متر است ، آرایش اتم ای کربن در این ساختار استوانه ای مشابه ساختار کربن در گرافیت است ، شش ضلعی های منتظم کربنی در کنار هم صفحات گرافیت را می سازند این صفحات روی یکدیگر انباشته شده و از طریق پیوند های ضعیف واندروالس متصل می شوند و وقتی که صفحات در هم پیچیده می شوند نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند .
ویژگی های نانولوله های کربنی :
۱- مدول یانگ بالا ۲- استحکام کششی خوب ۳- طبیعت کربنی نانولوله ها ، طبیعت خوب کربنی به خاطر این است که کربن دارای وزن کم بوده و بسیار پایدار است و باتوجه به سادگی کربن ، برای تولید نسبت به فلزات ارزانتر می باشد .
نانولوله ها نه تنها به یکدیگر نمی چسبند بلکه به مواد دیگر نیز متصل نمی شوند زیرا از طریق نیروی ضعیف وان در والس به یکدیگر جذب می شوند که می توان با اصلاح شیمیایی این مواد را به مواد دیگر چسباند .
خواص الکتریکی نانولوله ها بسیار بالاست و باتوجه به پیچش ساختار های گرافیتی به دور نانولوله می توانند رسانا یا نیم رسانا باشند . چون الکترون میتواند آزادانه در آنها حرکت کند .
نانولوله های کربنی خیلی سریعتر از مدارات الکتریکی و با توان کمتر کار کنند ، هدایت گرمایی نانولوله های کربنی در جهت لوله هاست و همین باعث شده که قابلیت های بالقوه ای در گودال های حرارتی در
زمینه ی نانوالکترونیک داشته باشند .
نانولوله ها همچنین دارای ویژگی نشر میدانی هستند که آنها را قادر می سازد که تحت تاثیر میدان الکتریکی جریان های بالایی را انتشار دهند .
انواع نانولوله های کربنی :
نانولوله های کربنی دو دسته هستند ۱- تک جداره ۲- چند جداره
نانولوله های کربنی تک جداره با توجه به آرایش اتم های کربنی به سه دسته مهم تقسیم می شود
۱- دسته صندلی ۲- کایرال که خاصیت فلزی دارند ۳- زیگزاگ که خاصیت نیم رسانایی دارند
نانولوله های کربنی تک جداره از یک کربن با ساختار ساده ای از شش ضلعی های منتظم تشکیل شده اند
باتوجه به تاثیرات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها باعث توجه بیشتر به این مواد و تلاش برای جایگزین کردن آنها در صنعت شد اما تولیدشان از هزینه بالایی برخوردار است همچنین تولید همراه با پایداری خصوصیات آنها در فرآوری پلیمر مشکل می باشد اما نانولوله های چند جداره به خاطر تجاری بودن و در دسترس بودن باعث پیشرفت هایی شده تا جایی که محصولات تولید شده از آنها در آستانه تجاری شدن هستند با وجود این نانولوله های کربنی چند جداره نسبت به تک جداره از استحکام کمتری برخوردار هستند زیرا پیوند های صفحات داخلی آنها ضعیف است ولی به خاطر کاربردشان در تقویت پلیمر ها که باعث بهبود خواص الکتریکی و گرمایی می شود از اهمیت بیشتر و کاربردی تری برخوردار است همچنین تولید نانولوله های کربنی تک جداره و میزان خلوص آنها بسیار دشوار است و تکنیک لازم برای تلخیص آنها وجود نداردو تکنیک های موجود ممکن است به ساختار نانولوله ها صدمه بزند .
کاربرد نانولوله های کربنی :
نانولوله های کربنی به خاطر ویژگی های منحصر به فرد انتخابی ایده ال برای بسیاری از کاربردها هستند .
۱- تهیه الیاف از نانو لوله های کربنی :
براساس پژوهش هایی که توسط موسسه نانوتک در تگزاس انجام شد ، الیاف تولید شده از نانولوله های کربنی دارای استحکام بالا و فوق العاده انعطاف پذیر بوده و رسانایی حرارت و الکتریک می باشد .
از این الیاف نخ های فلامینتی تولید می شوند که میتوانند جایگزین الیاف معمولی از جمله : فیلتر ها ، جلیقه های نجات ، لباس های ضد اشتعال ،منسوجات ماهیچه ای مصنوعی و ابرخازن ها شوند .
همچنین این الیاف دوست دار محیط زیست هستند .
۲- نانوکامپوزیت ها : این ها استحکام بالایی نسبت به کامپوزیت های موجود دارند و مانع از مصرف الیاف کربنی در کامپوزیت ها می شوند .
۳- کاربرد پزشکی : می توان از این نانولوله های کربنی به عنوان داربست بافت سلول های عصبی و همچنین درمان اسیب دیدگی مغز و دارورسانی به سلول های آسیب دیده و از بین بردن تومورهای سرطانی و ژن درمانی استفاده کرد .
۴- کاربرد در صنعت : در صنعت از آنها به عنوان کاتالیست برای جذب و ذخیره سازی گاز طبیعی و هیدروژن ، سولفورزدایی از نفت خام و تولید سوخت جی تی ال استفاده کرد ، همچنین برای موتور خودرو ، صنعت رنگ ، صنعت بتن ، حسگرها ، نمایشگرهای گسیل میدانی ، ترانزیستورها ،حافظه های نانولوله ای ، در صنعت الاستیک ، ساخت نانوماشین ها ، وپیل های خورشیدی کاربرد دارد .
مهم ترین کاربرد نانولوله های کربنی بر اساس ویژگی مکانیکی استفاده به عنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی است ، با این حال استفاده از کامپوزیت پر شده از نانولوله های کربنی محدوده کاربردی مشخص دارد .
۵- کاربرد مکانیکی : علم نانو ماده را در مقیاس بسیار کوچک بررسی میکند ، بنابراین فناوری نانو به تولید و ساخت در مقیاس ملکولی و اتمی می پردازد ، که در یک بعد اندازه ای کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارند .
فناوری نانودر صنایع خودروسازی نیز کاربرد های فراوانی دارند از جمله شیشه های خودتمیزشو ، بدنه های ضد خش و باتری های با طول عمر بیشتر و وزن کمتر .
استفاده از نانولوله های کربنی در کامپوزیت های پلیمری باعث تقویت آنها به خاطر جذب بالای انرژی و انعطاف پذیری الاستیک آن شده و میزان افزایش سفتی کامپوزیت ها می شود که این مسئله در شبکه های سرامیکی کامپوزیتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است .
همچنین چگالی پایین نانولوله ها ویژگی دیگر آنها در کامپوزیت است .
نانولوله های کربنی در مقایسه با فیبرهای کربنی تحت تاثیر نیروهای فشاری کارایی بهتری دارند ، که این به خاطر ویژگی انعطاف پذیری و عدم تمایل به شکست آنها تحت نیروی فشاری است .
مقاومت نانولوله ها :
فیبرهای کربنی معمول مقاومتی تا ۵ برابر مقاومت مخصوص فولاد دارند ، و تقویت کننده خوبی در برابر کامپوزیت ها هستند و گزینه ای ایده ال در کاربردهای ساختمانی .
مقاومت نانولوله های کربنی موثر ازلغزیدن استوانه های گرافیتی نسبت به هم است . نانولوله ها بر اثر شکست sward – in – sheath شکسته می شوند .
مقاومت کششی نانولوله های چند لایه ای کربنی بر طبق آزمایشات و تئوری حدود ۳۰۰Gpa است بهترین مقادیر ۵۰Gpa است .
نانولوله های تک لایه در تغییر شکل هایی بسیار بالا با آزاد کردن ناگهانی انرژی به ساختار دیگری تبدیل می شوند ، و تحت بار دچار کمانش و پیچش می شوند و به شکل مسطح در می ایند . و بدون شکست دچار کرنش های بزرگی تا ۴۰% می شوند .
منبع: jsse.uk.ac.ir، edu.nano.ir،m2t.blogfa.com
