نانو ذرات
خانه / نانو ذرات صنعتی / سنتز نانو لوله کربنی چند جداره

سنتز نانو لوله کربنی چند جداره

نانو لوله چیست؟ نانولوله های کربنی چند جداره با چه روشهایی سنتز می شوند؟ نانولوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره چه کاربردهایی دارند؟
نانو لوله
ساختاری است که دو بعد (سطح دایره) آن در مقیاس نانو و طول آن در محدوده میکرون می باشد. در واقع با لوله کردن یک صفحه نانو از ماده نانو یک نانو لوله یا استوانه نانویی تشکیل می شود. نانو لوله ها از به هم وصل کردن صفحات گرافنی که از یک تک اتم کربن تشکیل شده اند درست می شوند. با توجه به تعداد استوانه های هم مرکز نانو لوله تک جداره و چند جداره بوجود می آید. محققان برای سنتز نانو لوله ها روش های کربنی مختلفی را پیشنهاد داده اند که مهمترین آنها عبارتند از:

سنتز نانو لوله به روش تخلیه قوس

این روش اولین بار توسط کاشف نانو لوله های کربنی آقای ایجیما برای سنتز نانو لوله ها بکار رفت در این روش از قوس الکتریکی که بین دو الکترود گرافیتی بوجود می آید برای تولید نانو لوله استفاده می گردد ولی خلوص مواد بدست آمده کم است.

سنتز نانو لوله ها با تابش لیزر

روش تابش لیزر در واقع یک روش برای حرارت دهی متمرکز است و تنها نقاطی که نیاز به گرم شدن دارند با پرتاب فوتون به ذرات گرم می شوند.

سنتز نانو لوله با رسوب بخار شیمیایی

روش رسوب بخار برای ته نشین کردن بخارات شیمی یک ماده و تشکیل ماده جامد استفاده می شود.

خواص و ویژگی های نانو لوله های کربنی

نانو لوله های کربنی دارای خواص و ویژگی های منحصر به فردی هستند که در اینجا به برخی از آنها اشاره می شود
اندازه نانو لوله های کربنی
همانطور که قبلاً گفته شد نانو لوله های کربنی دارای قطر بسیار کم در حد چند نانو متر هستند و نسبت طول به قطر زیادی دارند، لذا از آغاز کار روی نانو لوله های کربنی از آنها به عنوان یک پدیده یک بعدی نام برده می شود.

خواص الکتریکی نانو لوله های کربنی

همانطور که گفته شد، نانو لوله های کربنی بسته به بردار پیچش، می توانند فلزی یا نیمه هادی باشند. نانو لوله های تک دیواره ای که ساختار دسته صندلی دارند همواره فلزی هستند و حدود یک سوم نانو لوله های با ساختار زیگزاگ و کایرال غیر فلزی و بقیه نیمه هادی هستند.
زمانی که یک میدان مغناطیسی به موازات محور لوله ها بر آنها اعمال می شود، فاصله پیوندها با افزایش میدان، تحریک شده و لوله های فلزی، نیمه هادی می شوند. اگر شدت میدان مغناطیسی به صورت تناوبی تغییر کند، این لوله ها متناوباً فلزی و نیمه هادی می شوند.
از آنجایی که نانولوله های کربنی قادرند جریان الکتریسته را به وسیله انتقال بالستیک الکترون بدون اصطکاک از سطح خود عبور دهند (این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است که از سیم مسی عبور می کند) لذا نانو لوله ها انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردهای میکرو الکترونیک می باشند.

خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی

نانو لوله ها دارای پیوندهای محکمی در بین اتم هایشان می باشند و به همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت و استحکام زیادی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله کربنی چند برابر نیرویی است که برای شکستن یک قطعه فولاد (با ضخامتی معادل یک نانو لوله) احتیاج است. قابل توجه است که پیوندهای بین اتمی در نانو لوله ها علاوه بر ایجاد استحکام بالا، شکل پذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد. در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد.

مدول یانگ نانو لوله ها

مقدار مدول یانگ در نانو لوله ها بسیار متنوع و بین ۴/۰ تا ۴ ترا پاسکال است و مقدار متوسط آن نیز ۸/۱ ترا پاسکال است. همچنین لوله های باریک تر، مدول یانگ بالاتری دارند. بعضی از محققین می گویند لوله های با طول زیاد ممکن است دارای نقص یا حفره های داخلی باشند که منجر به کاهش مدول یانگ شود.
نانو لوله ها چون استحکام و شکل پذیری خوبی دارند،  در کامپوزیت ها با زمینه های فلزی، پلیمری و سرامیکی استفاده می شوند. اما مهم ترین فاکتوری که باعث استفاده از نانو لوله ها در کامپوزیت ها شده است، وزن کم آنهاست، در حالی که دارای استحکام بالایی هستند.

خواص مغناطیسی نانو لوله های کربنی

اندازه گیری های مغناطیسی روی نانو لوله ها نشان می دهد که آنها دارای ساختار دیامغناطیس و غیر یکنواخت هستند. حساسیت مغناطیسی نانو لوله هایی که به موازات میدان مغناطیسی مرتب شده اند، خیلی بیشتر از لوله های عمود بر میدان است.

carbon nanotubes magnetic properties

فعالیت شیمیایی نانو لوله های کربنی

نانو لوله های کربنی، به علت عدم تطابق اربیتال های  که ناشی از انحنای نانو لوله ها می باشد، در مقایسه با یک ورقه گرافیتی فعالیت شیمیایی بیشتری دارند. بنابراین نانو لوله ای با قطر کمتر دارای فعالیت بیشتری است
فعالیت نوری نانو لوله های کربنی
مطالعات تئوری مشخص کرده است که فعالیت نوری نانو لوله ها با افزایش طول آنها ناپدید می شود. البته انتظار می رود که سایر خواص فیزیکی نیز با این پارامتر تغییر کند.

سایر خواص نانو لوله های کربنی

علاوه بر این خواص گفته شده، خواص جالب دیگری از جمله داشتن خاصیت ابررسانایی، قابلیت ذخیره  سازی، حساسیت به تغییرات کوچک نیروهای اعمال شده، سطح جداره صاف با قدرت تفکیک بالا، گسیل و جذب نور، و … را نیز دارا هستند.

کاربردهای نانولوله های کربنی

بیشتر کاربردهای نانو لوله های کربنی بر اساس ساختار الکترونیکی، مقاومت مکانیکی، انعطاف پذیری و ابعاد نانو لوله ها، بنا شده است. البته کاربردهای الکترونیکی در مورد نانو لوله های تک دیواره است، اما در سایر کاربردها تفاوت قابل ملاحظه ای بین تک دیواره و چند دیواره وجود ندارد.
کاربرد نانو لوله های کربنی در ذخیره سازی هیدروژن
به علت مضرات فراوان زیست محیطی و اقتصادی, جایگزین نمودن سوخت های فسیلی با سوخت های بدون آلودگی و دارای منبعی تجدید پذیر از اهمیت زیادی برخوردار است. هیدروژن از این جهات یکی از بهترین جایگزین ها است. توجه به هیدروژن به عنوان یک سوخت تجدیدپذیر و تمیز, از سال ۱۹۹۰ بطور عمده آغاز شد و پیشرفت های فراوانی در جهت تکنولوژی تولید آن بدست آمد.
هیدروژن به صورت هیدروژن مایع، گاز فشرده شده و هیدریدهای فلزی می تواند ذخیره شود. این روش ها معایب زیادی دارند. مثلاً مایع سازی هیدروژن به علت تبخیر و از دست رفتن مقدار زیادی از هیدروژنِ مایع شده، حداقل موجب هدر رفتن یک سوم انرژی ذخیره شده می شود. هیدریدهای فلزی وزن و هزینه زیادی دارند و گاز فشرده شده نیز علاوه بر حجم زیاد مخزن، ایمنی کمی دارد.

نانو ذرات کربن در حسگرها

کربن به عنوان بهترین جاذب گازها شناخته شده است. این خاصیت اولاً مربوط به شکل پودری بسیار ریز آن است که ساختار متخلخلی دارد؛ ثانیاً برهم کنش نسبی بین اتم های کربن و مولکول های گاز وجود دارد. در سال های اخیر پیشرفت های زیادی جهت دستیابی به مواد کربنی با تخلخل میکرو و کوچکتر از میکرو انجام گرفته که قابلیت جذب بالای گازهای معمول را دارند. در حال حاضر، جذب هیدروژن بر روی کربن فعال با سطح مخصوص زیاد، توسعه یافته است. باید توجه کرد که هیدروژن در میکروپورها جذب می شود, اما در مزوپورها و ماکروپورها فقط در اثر فشرده شدن، حبس می گردد.
در سال ۱۹۹۷ برای اولین بار Dillon و همکارانش ادعا کردند که نانو لوله های کربنی تک دیواره ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن بالایی دارند. آنها نشان دادند که هیدروژن با ظرفیت بالا، داخل نانو لوله های کربنی تک دیواره با قطر  Ả۱۲ ذخیره می شود. آنها جذب روی نانو لوله ها را با طیف نگاری TPD بررسی کردند و نتیجه گرفتند که جذب بصورت فیزیکی درون حفره ها انجام می شود.

carbon nanotubes applications

کاربرد نانو لوله های کربنی به عنوان پایه کاتالیست ها

در واکنش های شیمیایی کاتالیست از آن جهت که نقش اساسی در کنترل سرعت و گزینش پذیری دارد، اهمیت زیادی دارد. گاهی برای افزایش توزیع جزء فعال و نیز افزایش استحکام مکانیکی, کاتالیست را روی یک پایه قرار می دهند. گاهی پایه کاتالیست می تواند در فعالیت واکنش ها نیز تأثیر گذار باشد.
از بین انواع مختلف پایه هایی که در کاتالیزور های هتروژن بکار می رود, مواد کربنی با توجه به خواص ویژه ای که دارند, بسیار جالب توجه هستند. این خواص عمدتاً عبارتند از: پایداری در محیط اسیدی و بازی، امکان کنترل تخلخل و سطح شیمیایی و آسان بودن دستیابی به فلز اولیه از طریق سوزاندن پایه که البته باعث مشکلات زیست محیطی نخواهد شد.
در بسیاری از تحقیقات از نانو لوله های کربنی به عنوان پایه کاتالیست های فلز واسطه استفاده شده است. مثلاً کاتالیست های آهن روی نانو لوله های کربنی در سنتز فیشر- تروپش بکار برده شده است که این تست بهتر از کاتالیست های بدون پایه جواب می دهد.

carbon nanotubes catalyst

کاربرد نانو لوله های کربنی در کامپوزیت ها
نانو لوله ها دارای پیوندهای محکمی در بین اتم هایشان می باشند و به همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت و استحکام زیادی از خود نشان می دهند. استحکام ویژه (نسبت استحکام به چگالی) فیبر های کربنی معمول حدود پنجاه برابر فولاد می باشد. نانو لوله های چند دیواره, به علت لغزش استوانه های گرافیتی مجزا نسبت به یکدیگر، دارای استحکام بیشتری می باشند.

نانو لوله های کربنی در کامپوزیت ها

کاربرد نانو لوله های کربنی در نوک های AFM  و STM
میکروسکوپ های AFM و STM می توانند برای اندازه گیری توپوگرافی و تغییر سطح و نیز ساختن مواد در مقیاس اتمی بکار روند. یک نوک خوب برای دستگاه های فوق، باید کاملا مشخص و تعریف شده باشد، پس از استفاده کیفیت خود را حفظ کند، علاوه بر خلاء بتواند در آب و هوا نیز بکار برود و بالاخره باید انعطاف پذیر بوده و استحکام مکانیکی داشته باشد. از آنجا که نانو لوله های کربنی خواص فوق را دارا می باشند به عنوان نوک در AFM و STM  بکار می روند.

کاربرد نانو لوله های کربنی در حسگرهای گاز
خواص الکتریکی نانو لوله های کربنی به قطر و زاویه چرخش آنها بستگی دارد و یک تغییر کوچک در این دو پارامتر باعث تغییر حالت، از فلزی به نیمه هادی و یا برعکس می شود. وقتی حسگر در معرض گاز قرار می گیرد، گاز روی سطح حسگر جذب شده و موجب تغییر در هدایت الکتریکی آن می شود که از این تغییرات در حسگرهای گاز استفاده می شود.
نانو لوله های کربنی به علت دارا بودن سطح زیاد و متخلخل، سایز نانو متری، ساختار توخالی و بی اثر بودن از نظر شیمیایی در جذب گازها بسیار فعال هستند. حسگر  های گاز بر مبنای نانو لوله های کربنی در مقایسه با سایر حسگرهای گاز دارای حساسیت بیشتر، پاسخ سریع تر و دمای عملیاتی پایین تری می باشند.
تغییر رسانایی نانو لوله های کربنی در معرض گازها توسط مکانیزم انتقال الکترون مولکول جذب شده و نانو لوله ها به این صورت توجیه می شود که نانو لوله های کربنی نیمه هادی  های از نوع p-type هستند، پس در حضور گازهای اکسید کننده که خاصیت اسید لوییس دارند (مانند NO2)، مقاومتشان کاهش می یابد. چون این گازها از نانو لوله ها الکترون دریافت می کنند و باعث افزایش تعداد حفره های باردار موجود در ساختار نانو لوله های کربنی و افزایش رسانایی و یا بعبارت دیگر کاهش مقاومت آنها می شوند. همچنین نانو لوله ها در حضور گازهای با خاصیت باز لوییس (مانند NH3) که قابلیت الکترون دهی دارند، الکترون دریافت می کنند و تعداد حفره های باردار و لذا رسانایی آنها کاهش می یابد.

حساسیت بالای حسگرهای نانو لوله برای تشخیص گازها

نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره توانسته اند به طور موفقیت آمیزی در آشکار سازی گازهای NH3،NO2 ، H2، CH4، CO2 و  O2و … بکار رفته اند.
حسگرهای شیمیایی که از نانو لوله ها ساخته شده اند حداقل در آزمایشگاه، حساسیت زیادی در دمای محیط از خود نشان داده اند. مهمترین چالش در زمینه ساخت این حسگرها برای استفاده در صنعت، امکان ساخت نانو لوله ها به روش های کنترل شده است.

کاربرد نانو لوله های کربنی در حسگرهای گاز

کاربرد نانو لوله های کربنی در بیو حسگرها
نانو لوله های کربنی، همچنین می توانند به عنوان حسگرهای زیستی برای آشکارسازی مولکول های زنده منفرد و سایر ترکیبات بیولوژیکی بکار روند. یک نانولوله با اندازه بسیار کوچک درون سلول قرار می گیرد بدون آنکه به آن آسیب وارد کند. اصول کار بیو حسگرها شبیه حسگرهای شیمیایی است؛ سطح بزرگ نانو لوله ها که برای جذب کردن بسیار مناسب است، برای بیو حسگرها نیز بسیار مفید می باشد.
سایر کاربردها: نانو لوله های کربنی کاربردهای دیگری از جمله در انتقال دارو در بدن، تولید اشعه X، حسگر نور مادون قرمز، نانو دما سنج کربنی، حافظه های نانو لوله ای، نمایشگرهای گسیل میدانی و الکترود کار یا مدیفایر در ولتامتری تجزیه  ای و … نیز دارند که توسط محققین در حال بررسی می باشد.

کاربرد نانو لوله های کربنی در بیو حسگرها


مطلب پیشنهادی

قیمت نانو نقره کلوئیدی آنتی باکتریال

نانو ذرات نقره کلوئیدی خاصیت آنتی باکتریال قوی داشته و ضد عفونی کننده های حاوی آن قیمت بالاتری نسبت به دیگر مواد مشابه دارند.

دیدگاهتان را بنویسید

نانو ذرات