معرفی نانولوله های کربنی و (باکی بال ها C60) بر پایه دکترای نانو الکترونیک
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )
نکته: در علم نانو و نانو الکترونیک نانو لوله های کربنی کاربرد های بسیاری دارند. کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است که به چهار صورت مختلف گرافیت، الماس، نانو لوله ها و باکی بالها در طبیعت یافت میشود. همه این چهار شکل، جامد هستند و در ساختار آنها اتمهای کربن به صورت کامل و منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.
کربن از مهمترین عناصر موجود در طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید میکند. به عنوان مثال فولاد ـ که یکی از اصلی ترین آلیاژهای مهندسی است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل میشود ؛ با تغییر درصد کربن به میزان تنها چندصدم درصد میتوان انواع فولاد را به دست آورد. »شیمی آلی« نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی »کربن« و »هیدروژن« میپردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایه گذاری شده است. کربن، به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت میشود که همه این چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتمهای کربن به صورت کامل منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.
این ساختارها عبارتند از:
01.گرافیت
02.الماس
03.(باکی بالها) مانندC60
04 .نانولوله ها
گرافیت یکی از مهمترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از قرارگرفتن شش اتم کربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. این اتمهای کربن به گونهای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک شش ضلعی منتظم را پدید میآورند و از مجموع آنها، صفحهای به دست میآید که به عنوان یک (الیه گرافیت) در نظر گرفته میشود.
اتمهای کربن با پیوندهای کوالانسی ـ که پیوندی قوی و محکم است ـ به یکدیگر متصل شده اند. لازم به ذکر است که اتمهای کربن به کار رفته در یک الیه گرافیت نمیتوانند با کربنی خارج از این الیه پیوند کوواالنسی بدهند. بنابراین یک الیه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس که پیوندهایی ضعیف هستندـ به الیه زیرین متصل میشود. این مساله باعث میشود که صفحههای گرافیت بهراحتی روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب در »روغنکاری« و »روانکاری« استفاده میشود. علت نرمی سطوحی که با مداد روی آنها نوشته شده است نیز همین نکته است.
الماس- 1-2
در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم کربن با چهار اتم پیوند کوالانسی برقرار کرده است. به سبب وجود پیوند قوی کوواالنسی کربن-کربن جزو سختترین مواد موجود در طبیعت با سختی 01 در مقیاس مورس محسوب میشود. همین ساختار باعث ایجاد خواص شگفتانگیزی در الماس گردیده است که از آن جمله میتوان به هدایت گرمایی چند برابر مس و دمای ذوب حدود 3111 اشاره کرد.
3-1 -باکی بالها
باکی بالها ساختارهای کربنی گلوله ای شکل و توخالی هستند که معروفترین آنها C60 یا فولرین است. C60 ساختاری شبیه به توپ فوتبال دارد. اتمهای کربن در آن با پیوند کوالانسی به صورت پنج ضلعی و شش ضلعی به هم متصل شده اند. در واقع این کره از 30 قسمت که 01 تای آن شش ضلعی و 00 تای آن پنج ضلعی است تشکیل شده است. باکی بالها بخاطر خصوصیات شیمیایی و شکل توخالی و قفس مانند خود کاربردهای بسیاری دارند. باکی بالها بی نهایت پایدار هستند و میتوانند فشارها و دماهای بسیار بالا را تحمل کنند. اتمهای کربن باکی بالها میتوانند با اتمها و مولکولها واکنش دهند بدون آنکه پایداری و ساختمان کروی آنان دچار تغییر یا عیب شود.
4-1 -نانولوله های کربنی
نانولوله های کربنی از مهمترین و پرکاربردترین ساختارهای کربنی هستند که اخیرا کشف شدهاند. آنها از خواص و ویژگیهای منحصر بفردی برخوردار هستند. نانولوله های کربنی علاوه بر اینکه استحکام بسیار بالایی دارند، از انعطاف و پیچش پذیری خوبی نیز برخوردارند. یکی از کاربردهای آنها، کامپوزیت است. مهمترین خاصیت نانولولهها، هدایت الکتریکی آنهاست که بستگی به میزان نظم قرار گرفتن اتمها، مقدار این پارامتر متغیر است.
نانو لوله های کربنی مولکولهایی استوانه ای شکل با انتهای باز یا بسته هستند. ساختار نانولوله ها مانند صفحهای از گرافیت است که رول شده باشد. برای درک بهتر ساختار نانولوله یک الیه گرافیت را در نظر بگیرید. اتمهایی را که در یک ردیف قرار گرفتهاند با(m,n )که نشاندهنده مختصات یک نقطه در صفحه است ـ مکانیابی میکنیم. به طوری که مختصاتn ،مربوط به ستون اتمها و مختصات m مربوط به ردیف اتمها باشد. همانطور که میدانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه، کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطه ی دیگر قرار دهیم. یک نانولوله مانند
صفحه گرافیتی است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند، انواع مختلفی از نانولوله ها را خواهیم داشت.
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )