نانولوله‌های کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده‌است در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد. خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر میباشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشد. کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله متمرکز شده‌است. کوشش‌های گسترده‌ای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شکل نانولوله‌ها بر خواص الکتریکی صورت گرفته‌است. میتوان گفت این علاقه ویژه به نانولوله‌ها از ساختار و ویژگی‌های بی‌نظیر آنها سرچشمه می‌گیرد.
تا سال 1980 سه آلوتروپ کربن (کربن غیربلوری) به نامهای الماس، گرافیت و کربن بی شکل شناخته شده بودند. اما امروز می دانیم که اشکال مختلفی از خانواده کربن وجود دارد . فولرن ها مولکول های کروی کربن هستند که به سبب شکل زیبا و خواص 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 و به 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 و هنگامی که صفحات گرافیت در هم پیچیده می شوند نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند در واقع نانو لوله های کربنی گرافیتی است که به شکل لوله مطابق شکل زیر هستند.
ویژگی نانو لوله های کربنی
خواص ویژه ومنحصربه فرد از جمله مدول یانگ بالا ، استحکام کششی خوب و طبیعت کربنی نانو لوله ها (به خاطر اینکه کربن ماده ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایند ها که نسبت به فلزات برای تولید ارزنتر است).
یکی از خصوصیات برجسته نانو 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 . 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 مولکولی بزرگی هستند که الکترون می تواند آزادانه در آن حرکت کند. این قطعات می توانند در کنار مدارات الکترونیکی خیلی سریع تر 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 موج 1.5میکرومتر 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 پدیدار می شود . در نانولوله 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.
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)
از دیگر کاربردهای آن می توان به استفاده در موتور خودرو، صنعت رنگ ، صنعت بتون ، حسگرها ، نمایشگر های گسیل میدانی ، ترانزیستورها، حافظه های نانو لوله ای ، درصنعت لاستیک ، ساخت نانو ماشینها ، پیل های خورشیدی و... اشاره کرد.
کاربردهاي مکانيکي نانولوله هاي کربني
بنابراين علم نانو آن بخش از است که ماده را در مقياسي بسيار کوچک بررسي مي کند؛ و فناوري نانو به توليد و ساخت در مقياس مولکولي و اتمي مي پردازد، يا به عيارت ديگر با اجسام و ساختارها و سيستم هايي سر و کار دارد که حداقل در يک بعد اندازه اي کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارند. با پيشرفت و گسترشي که علم و فناوري نانو طي چند سال اخير داشته است انتظار مي رود که به زودي تمامي زمينه هاي علم و فناوري را تحت تاثير خود قرار دهد.
نانوفناوري صنايع مرتبط به مهندسي مکانيک را نيز بي بهره نگذاشته است و تحولات زيادي را از توليد کامپوزيت ها با استفاده از نانومواد تا توليد شتاب سنج هايي در اندازه نانو، ايجاد نموده است. در صنايع خودروسازي در قسمت هاي مختلف ماشين کاربردهاي نانوفناوري را مي بينيم، از شيشه هاي خود تميز شو و بدنه هاي ضدخش گرفته تا باتري هايي با طول عمر بيشتر و وزن کمتر. در اين ميان نانولوله هاي کربني يکي از مواد اوليه اي هستند که به علت ويژگي ساختماني ، داراي کاربردهاي مکانيکي مختلف و ويژه اي هستند.
● نانولوله هاي کربني
نانولوله هاي کربني يکي ازمهم ترين ساختارها در مقياس نانو هستند.اين مواد اولين بار در سال ۱۹۹۱ توسط دانشمندي ژاپني به نام ايجما در درون دوده هاي حاصل از تخليه الکتريکي کربن در يک محيط حاوي گاز نئون کشف شد. اين ترکيبات شيميايي ، با ساختار اتمي شبيه صفحات گرافيت، از استوانه هايي با قطر چند نانومتر و طولي تا صدها ميکرومتر تشکيل شده اند
نانولوله ها داراي مدول يانگي تقريباً ۶ برابر فولاد ( ۱TPa) و چگالي برابر ۱.۴ g/cm۳ هستند. اين مواد در جهت محوري مقاومت کششي بسيار زيادي دارند و اين مزيت بسيار خوبي براي ساخت سازه هايي با مقاومت بالا در جهت خاص است. دليل اين مقاومت بالا از يک طرف استحکام پيوند کربن-کربن در ساختار نانولوله کربني و از طرف ديگر شکل شش ضلعي اين ساختار است که به خوبي بار را در ميان پيوندها توزيع مي کند. از طرف ديگر پايداري حرارتي نانولوله ها نيز بسيار بالا است. اين خواص منحصربه فرد مکانيکي در نانولوله ها امکان استفاده از آن ها را در کاربردهاي مختلف فراهم مي کند. از جمله اين کاربردها مي توان از الکترونيک در مقياس نانو، استفاده در کامپوزيت ها و نيز به عنوان وسايل ذخيره کننده گازها نام برد .
● مقاومت نانولوله ها
رفتار مکانيکي نانولوله هاي کربني به عنوان يکي از بهترين فيبرهاي کربني اي که تا کنون ساخته شده اند، بسيار شگفت انگيز است. فيبرهاي کربني معمول داراي مقاومتي تا ۵۰ برابر مقاومت مخصوص (نسبت مقاومت به چگالي) فولاد هستند و از طرف ديگر تقويت کننده هاي خوبي در برابر بار در کامپوزيت ها هستند. بنابراين نانولوله ها يکي از گزينه هاي ايده آل در کاربرد ساختماني هستند
در نانولوله هاي کربني چندلايه مقاومت حقيقي در حالات واقعي بيشتر تحت تاثير لغزيدن استوانه هاي گرافيتي نسبت به هم قرار دارد. در واقع آزمايشاتي که به تازگي با استفاده از ميکروسکوپ الکترونيجهت اندازه گيري تنش هاي نانويي صورت گرفته است مقاومت کششي نانولوله هاي کربني چندلايه مجزا را اندازه گيري کرده اند. نانولوله ها بر اثر شکست sword-in-sheath مي شکنند. اين نوع شکست مربوط به لغزش لايه ها در استوانه هاي هم محور نانولوله چندلايه ونيز شکست استوانه ها به طور مجزا است. مقاومت کششي ديده شده در نانولوله هاي چندلايه حدود اکثريت آزمايشاتي که تاکنون صورت گرفته مقدار تئوري پيش بيني شده براي مدول يانگ نانولوله(۱TPa) را تاييد مي کنند؛ ولي در حالي که پيش بيني مقاومت کششي در تئوري حدود ۳۰۰ GPa بوده است، بهترين مقادير تجربي نزديک به ۵۰ GPa مي باشد. که اگرچه با تئوري فاصله دارد اما هنوز هم تا ده برابر بيشتر از فيبرهاي کربني است.
شبيه سازي ها در نانولوله هاي تک لايه نشان مي دهد که رفتار شکست و تغيير شکلي بسيار جالبي در آن ها وجود دارد. نانولوله ها در تغيير شکل هاي بسيار بالا با آزاد کردن ناگهاني انرژي به ساختار ديگري تبديل مي شوند. نانولوله ها تحت بار دچار کمانش و پيچش مي شوند و به شکل مسطح تبديل مي گردند. آن ها بدون نشاني از کوچکترين شکست و خرابي دچار کرنش هاي خيلي بزرگي (تا۴۰% ) مي شوند. بازگشت پذيريِ تغيير شکل ها، مثلا کمانش، مستقيما در نانولوله هاي چندلايه با استفاده از ميکروسکوپ عبور الکترون ثبت شده است .
به تازگي نظريه جالبي براي رفتار پلاستيکي نانوتيوب ها ارائه شده است. طبق اين نظر بسته هاي ۵ و ۷ تايي کربن( پنتاگون-هپتاگون) تحت کرنش زياد دچار عيب در شبکه مولکولي مي شوند و اين ساختار ناقص در طول جسم حرکت مي کند و اين حرکت باعث کاهش قطر مقطعي خواهد شد. جدايش اين نقصان ها گلويي شدن در نانولوله را به همراه خواهد داشت. علاوه بر گلويي شدن مقطعي، در آن مقطع آرايش شبکه کربني نيز تغيير خواهد کرد. اين تغييرات در آرايش باعث مي شود که ميزان رسانش نانولوله کربني تغيير يابد، اين ويژگي مي تواند منجر به کاربردي منحصر به فرد از نانولوله شود: نوع جديدي از پروب، که با تغييرات در ويژگي هاي الکتريکي اش به تنش هاي مکانيکي پاسخ مي دهد .
● نانولوله هاي کربني و کامپوزيت هاي پليمري
مهم ترين کاربرد نانولوله هاي کربني، که بر اساس ويژگي هاي مکانيکي آن ها باشد، استفاده از آن ها به عنوان تقويت کننده در مواد کامپوزيتي است. اگرچه استفاده از کامپوزيت هاي پليمري پرشده با نانولوله يک محدوده کاربردي مشخص از اين مواد است، اما آزمايشات موفقيت آميز زيادي در تاييد مفيدتر بودن نانولوله هاي کربني نسبت به فيبرهاي معمول کربني، وجود ندارد؛ مشکل اصلي برقرار نمودن يک ارتباط خوب بين نانولوله و شبکه پليمري و رسيدن به انتقال بار مناسب از شبکه به نانولوله ها در حين بارگذاري است. دلايل آن دو جنبه اساسي دارد: اول نانولوله ها صاف بوده و نسبت طولي اي (طول به قطر) برابر با رشته هاي پليمري دارند. دوما نانولوله ها تقريبا هميشه به صورت توده هاي به هم پيوسته تشکيل مي شوند که رفتار آن ها در مقابل بار، نسبت به نانولوله هاي مجزا، کاملا متفاوت است.
گزارشات متناقضي از مقاومت اتصال در کامپوزيت هاي پليمر- نانولوله وجود دارد. نسبت به پليمر استفاده شده و شرايط عملکرد، مقاومت اندازه گيري شده متفاوت است. گاه گسست در لوله ها ديده شده است که نشانه اي از پيوند قوي در اتصال نانولوله-پليمر است، و گاه لغزش لايه هاي نانولوله هاي چند لايه و جدايش آسان آن ها ديده شده که دليلي بر پيوند اتصال ضعيف است. در نانولوله هاي تک لايه سر خوردن لوله ها بر روي يکديگر را عامل کاهش مقاومت ماده مي دانند. براي ماکزيمم کردن اثر تقويت کنندگي نانولوله ها در کامپوزيت هاي با مقاومت بالا، بايستي که توده هاي نانولوله در هم شکسته شده و پخش شوند و يا اينکه به صورت شبکه مربعيدرآيند تا از سرخوردن جلوگيري کنيم. علاوه برآن بايستي سطح نانولوله ها تغيير داده شود، ضابطه مند گردند، تا اتصال محکمي بين آن ها و رشته هاي پليمري اطرافشان ايجاد شود.
استفاده از نانولوله هاي کربني در کامپوزيت هايي با ساختار پليمري فوايد مشخص و روشني دارد. تقويت کنندگي با نانولوله به خاطر جذب بالاي انرژي طي رفتار انعطاف پذير الاستيک آن ها ميزان سفتي کامپوزيت را افزايش مي دهد؛ اين ويژگي مخصوصا در شبکه هاي سراميکي کامپوزيتي برپايه نانو اهميت مي يابد. چگالي کم نانولوله ها ، در مقايسه با استفاده از فيبرهاي کوچک کربني، يک ويژگي بسيار خوب ديگري در اين کامپوزيت ها مي باشد.نانولوله ها در مقايسه با فيبرهاي کربني معمول، تحت نيروهاي فشاري کارايي بهتري ازخود نشان مي دهند، که به خاطر انعطاف پذيري و عدم تمايل به شکست آن ها تحت نيروي فشاري است.تحقيقات تازه نشان داده اند که استفاده از کامپوزيت نانولوله کربني چندلايه و پليمر کاهنده زيستي در رشد سلول هاي استخواني، بخصوص در تحريک الکتريکي کامپوزيت، بسيار کارآمدتر ازفيبرهاي کربني هستند .