انواع نانو لوله‌های کربنی

کربن یکی از عناصر فراوان در طبیعت است. خواص شیمیایی و فیزیک این عنصر همواره مورد توجه بوده و در سال‌های اخیر با توسعه فناوری نانو توجه ویژه‌ای به آن می‌شود. در کلی‌ترین دسته‌بندی چهار نوع ساختار برای قرار گرفتن اتم‌های کربن کنار هم کشف شده است که عبارتند از: گرافیت (گرافیت نا‌خالص در مغز مداد استفاده می‌شود)، الماس (کاربرد‌های بسیاری دارد از جمله برای برش شیشه استفاده می‌شود)، نانولوله‌های کربنی و باکی‌بال‌ (این دو ترکیب مربوط به فناوری نانو هستند از جمله خواص آنها استحکام و هدایت الکتریکی بسیار بالا و وزن بسیار کم).

اتم‌های کربن چهار ظرفیتی هستند و در ساختار ایده‌آل که فقط از اتم‌های کربن ساخته شده، کنار هم قرار میگیرند و ساختار شش ضلعی مانند تصویر زیر ایجاد می‌کنند. پیوند بین اتم‌های کربن در این ساختار کوالانسی است. این ساختار ورقه‌ای با نام «لایه‌ی گرافیت» شناخته می‌شود.

این لایه‌های گرافیتی با پیوندهای واندروالسی طولانی‌تری نسبت به پیوند‌های کوالانسی فوق به هم قفل شده‌اند. علت نرمی گرافیت دقیقاً به هم دلیل است و در واقع مغز مداد از لایه‌های گرافیت ساخته شده و با کشیده شدن ساختار آن روی کاغذ (سطح زبر) این لایه‌ها از هم جرا شده و به صفحه کاغذ می‌چسبند.

در علم نانو از همین ساختار شش ضلعی گرافیتی استفاده می‌شود. برای ساخت نانولوله‌های کربنی یک لایه‌ی گرافیت را لوله می‌کنند و بر اساس جهت لوله شدن سه نوع نانو لوله‌ی کربنی داریم:

۱. صندلی راحتی
۲. زیگزاگ
۳. نامتقارن

نوع صندلی راحتی
در این حالت اتم‌های ابتدای صفحه گرافیتی را به انتهای آن به شکل زیر با لوله‌ کردن متصل می‌کنیم:

نوع زیگزاکبرای ساختن نوع زیگزاک نانولوله‌های کربنی مطابق شکل زیر اتم‌ها را در راستای افقی (ستون به ستون) لوله‌ می‌کنیم:

نوع نامتقارندر این حالت نانو لوله‌های کربنی به شکل زیر از لوله کردن لایه‌های گرافیتی ساخته می‌شوند:

پرفسور هاشم رفیعی تبار

پرفسور هاشم رفیعی تبار در سال ۱۳۲۷ در ایران متولد شد. وی در سال ۱۳۶۹ همزمان با شروع مطالعات نانو فناوری وارد دانشگاه آکسفورد شد. در همان سال او به همراه برخی از اساتید دانشگاه، علم محاسباتی نانو را در دانشگاه آکسفورد بنا نهاد. پس از آن در سال ۱۳۷۱ راهی ژاپن شد و در این دوران به طور منسجم توان خود را روی فعالیت‌های محاسباتی مفصلی درباره نانو ذرات متمرکز کرد. وی به مدت هفت سال رئیس بخش علوم نانو دانشگاه گرینویچ بود و پژوهش‌های بسیاری در زمینه‌های مختلف شامل خواص الکترونیکی و مکانیکی ساختار‌های نانومتری انجام داده است. تخصص او فیزیک محاسباتی است.

پروفسور رفیعی بخش در سال ۱۳۷۹ به ایران بازگشت و در سال ۱۳۸۱ پژوهشکده علوم نانو را بنا نهاد و هم اکنون رئیس پژوهشکده علوم نانو در پژوهشگاه دانش‌های بنیادی (مرکز تحقیقات فیزیک نظری و ریاضی IPM) و عضو هیئت علمی دانشگاه شهید بهشتی است. زمینه‌های تحقیقاتی وی عبارتند از فناوری نانو محاسباتی، شبه‌سازی، نانولوله‌های‌کربنی و مدل‌سازی‌های پیچیده. وی از معدود افرادی است که از ابتدای مطرح شدن علم نانو به پژوهش در این حوزه‌ی فناوری پرداخته و در حال حاضر عضو هیئت داوری چنین مجله ISI در حوزه فییک محاسباتی و علم نانو است.

پروفایل رفسور هاشم رفیعی تبار در سایت مرکز تحقیقات فیزیک نظری و ریاضی

مقدمه‌ای بر نانو لوله‌های کربنی

کربن یکی از عناصر فراوان در طبیعت است و کاربردهای بسیاری در زندگی بشر دارد. برای مثال مغز مداد که با نام گرافیت شناخته می‌شود، نوعی ساختار کربنی است یا فولاد ترکیب کربن و آهن است. تمامی ترکیبات نفتی (شیمی آلی) مرتبط با اتم کربن هستند و این عنصر اساس تمام ساختارهای پلیمری است.

کربن به چهار صورت وجود دارد:

۱. گرافیت
۲. الماس
۳. نانو لوله‌های کربنی
۴. باکی‌بال

نانو لوله‌های کربنی نوع از آلوتروپ (ساختار) کربنی هستند که در سال ۱۹۹۱ میلادی توسط سامیو ایجیما (در شرکت NEC) ژاپن کشف شدند. این ترکیبات کربنی ساختار استوانه‌ای شکل به فرم‌های مختلف هستند. بعضی از آنها انتهایی باز و بعضی دیگر دهانه‌های بسته دارند.

نانو لوله‌های کربنی دارای خواص ویژه‌ای هستند که بسیاری از آن‌ها ریشه‌ در خواص کوانتومی اجسام بسیار کوچک (در مقیاس نانومتری) دارد. با وجود تحقیقات وسیع روی نانو لوله‌های کربنی هنوز بسیاری از خواص این مواد ناشناخته و بررسی این لوله‌های بسیار نازک کربنی یکی از زمینه‌های فعال علم نانو است. در آینده‌ی نزدیک شاهد استفاده از این مواد در ساخت قطعات الکترونیکی و سایر حوزه‌های علوم خواهیم بود.

نانو لوله‌های کربنی بر اساس شکل ظاهری دارای انواع مختلف هستند، از جمله: فنری، موج‌دار، نشانه‌دار و ...

به دلیل تنوع ساختار نانولوله‌های کربنی و در نتیجه‌ی تنوع خواص، محققان از نقطه نظرهای متفاوت از جمله فشار، کشش، کنش و ... این مواد را مورد مطالعه قرار می‌دهند.

نانو لوله‌های کربنی مانند صفحه لوله‌ شده‌ی گرافیت است که به حالت استوانه‌ای در آمده. این ساختار استوانه‌ای ممکن است از یک لایه یا چنین لایه‌ی هم مرکز شکل گرفته باشد.
قطر نانو لوله‌های کربنی در ابعاد نانومتری (پنجاه هزار برابر کوچک‌تر از قطر موی انسان) است در حالی که طول آن ممکن است چنین میکرومتر و حتی میلی‌متر باشد (نسبت طول به قطر آنها تا حدود ۱۰۰۰ است).

انواع نانو لوله‌های کربنی عبارتند از:
۱. نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWNT)
۲. نانو لوله‌های کربنی چند جداره (MWNT)
۳. فولِرایت (Fullerite)
۴. تُروس یا هلالی (Torus)
۵. ساختار غیر ایده‌آل

از طرفی بر اساس شکل ظاهری نانو لوله‌های کربنی با انواع نام‌های زیگزاک (‌ZigZag)، صندلی راحتی (Armchair) و نامتقارن (Chiral) شناخته می‌شوند.