در دنیایی که فناوری به سرعت در حال پیشرفت است، مواد جدید و شگفتانگیزی به طور مداوم کشف و توسعه مییابند. یکی از این مواد خارقالعاده، نانو لوله کربنی است. این ماده با ساختارهای استوانهای شکل و بسیار کوچک، از اتمهای کربن تشکیل شده و خواص منحصر به فردی دارد که آن را به یکی از امیدوارکنندهترین مواد قرن 21 تبدیل کرده است.
کربن نانو تیوب به دلیل ساختار اتمی منحصربهفردش، خواصی از قبیل استحکام بسیار بالا، هدایت الکتریکی و حرارتی عالی، سبکی و انعطافپذیری را از خود نشان میدهد. این خواص بینظیر، نانولولههای کربنی را به مادهای ایدهآل برای طیف وسیعی از کاربردها در صنعت الکترونیک، صنعت هوافضا، صنعت پزشکی و… کرده است.
در ادامه این مقاله از پیشگامان کربن کرمان، به بررسی دقیقتر ساختار، خواص و کاربردهای مختلف نانو لولههای کربنی خواهیم پرداخت.
کربن نانو تیوب چیست؟
کربن نانو تیوب (Carbon Nanotube) یا به اختصار (CNT) در واقع ورقههایی از اتمهای کربن هستند که به شکل استوانهای در آمدهاند. این ورقهها بسیار نازک بوده و قطر آنها در حدود چند نانومتر است. به همین دلیل، به آنها نانو تیوب گفته میشود. نانو تیوبها میتوانند به صورت تک جداره (SWCNT) یا چند جداره (MWCNT) باشند.
- نانو لوله های کربنی تک جداره (SWCNT): این نوع نانو تیوبها از یک لایه گرافن تشکیل شدهاند و خواص متنوعتری دارند:
- استحکام بسیار بالا
- هدایت الکتریکی و حرارتی عالی
- خواص نوری منحصر به فرد
- سطح ویژه بسیار بالا
- نانو لوله های کربنی چند جداره (MWCNT): این نوع نانو تیوبها از چندین لایه گرافن تشکیل شدهاند و خواص زیر را از خود نشان میدهند:
- استحکام بالا
- هدایت الکتریکی خوب
- خواص مکانیکی مناسب
در جدول زیر تفاوت بین نانو لولههای تک جداره و چند جداره را مقایسه کردیم. با کمی دقت متوجه میشوید که قطر نانولوله های کربنی یکی از عوامل اصلی مشخص کردن نوع و خواص آن است. در واقع قطر نانولولهها بر خواص مختلفی از جمله هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی، استحکام و واکنشپذیری شیمیایی تاثیر میگذارد. شاید بتوان گفت همه این خواص به دلیل تاثیر مستقیم این قطر روی چگالی نانو تیوب کربنی است. در مقاله چگالی زغال سنگ هم به تاثیر چگالی روی پدید آمدن انواع زغال سنگ صحبت کردیم.
تاریخچه نانو تیوب کربنی
اولین بار در سال 1952، رادوشکویچ و لوکیانویچ ساختارهایی شبیه به نانو لولههای کربنی را مشاهده کردند. اما در آن زمان، اهمیت این کشف به خوبی درک نشد و به فراموشی سپرده شد.
در 1991 سومیو ایجیما از شرکت NEC ژاپن، در حین بررسی رسوبات گرافیتی، ساختارهای استوانهای توخالی از اتمهای کربن را مشاهده کرد. او این ساختارها را نانو لوله کربنی نامید. این کشف، نقطه عطفی در دنیای علم مواد بود و تحقیقات گستردهای را در این زمینه برانگیخت.
در سال 1993 ایجیما و همکارانش، موفق به تولید نانو لولههای کربنی تک جداره شدند که خواصی حتی بهتر از نانو لولههای چند جداره داشتند. و در نهایت با پیشرفت فناوریهای میکروسکوپی و سنتز، محققان توانستند ساختار و خواص نانو لولههای کربنی را به طور دقیقتری مطالعه کنند و روشهای تولید کارآمدتری برای آنها توسعه دهند.
روش ساخت نانو لوله های کربنی
تولید نانو لولههای کربنی با خواص و ساختارهای مختلف، نیازمند روشهای سنتزی متنوعی است. هر یک از این روشها، مزایا و معایب خاص خود را داشته و برای کاربردهای مختلفی مناسب هستند. همانطور که در مقاله کربن فعال نیز در مورد انواع خواص و مزایا و معایب این ماده صحبت کردیم و به تاثیر میزان خلوص آن، روی کیفیت محصولات پرداخیتم.
در ادامه به بررسی برخی از مهمترین روشهای تولید نانو لولههای کربنی میپردازیم:
1. روش تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge)
در این روش، دو الکترود گرافیتی در محیطی حاوی گاز بی اثر (مانند هلیوم یا آرگون) قرار میگیرند و با ایجاد یک قوس الکتریکی بین آنها، بخار گرافیت تولید میشود. این بخار در شرایط خاص، به نانو لولههای کربنی تبدیل میشود.
- مزایا: تولید نانو لولههای با کیفیت بالا، به خصوص نانو لولههای تک جداره.
- معایب: راندمان تولید پایین، هزینه بالا و کنترل کم بر روی قطر و طول نانو لولهها.
2. روش لیزر تبخیری (Laser Ablation)
تاباندن یک لیزر پر انرژی به یک هدف گرافیتی ، باعث تبخیر آن میشود. بخار گرافیت در یک محیط با گاز بی اثر، به نانو لولههای کربنی تبدیل میشود.
- مزایا: تولید نانو لولههای با کیفیت بالا، به خصوص نانو لولههای تک جداره.
- معایب: هزینه بالا و پیچیدگی تجهیزات.
3. روش رسوب شیمیایی بخار (Chemical Vapor Deposition – CVD)
زمانی که یک گاز هیدروکربنی (مانند متان یا استیلن) در حضور یک کاتالیزور فلزی (مانند آهن، نیکل یا کبالت) روی یک زیرلایه داغ تجزیه میشود و کربن آزاد شده، به صورت نانو لولههای کربنی بر روی سطح کاتالیزور رشد میکند.
- مزایا: راندمان تولید بالا، کنترل بهتر بر روی قطر و طول نانو لولهها، امکان تولید انبوه.
- معایب: نیاز به کاتالیزور، امکان وجود ناخالصی در محصول نهایی.
انتخاب روش مناسب برای تولید نانو لولههای کربنی، به عوامل مختلفی از جمله نوع نانو لوله مورد نظر، میزان خلوص مورد نیاز، حجم تولید و هزینه تولید بستگی دارد. در کل، روش رسوب شیمیایی بخار (CVD) به دلیل راندمان بالا، کنترل پذیری و امکان تولید انبوه، پرکاربردترین روش تولید نانو لولههای کربنی است.
عوامل زیر نیز بر کیفیت نانو لولههای کربنی تولید شده تاثیر مستقیم دارند:
- نوع کاتالیزور: نوع و اندازه ذرات کاتالیزور، بر قطر و ساختار نانو لولههای تولید شده تاثیر میگذارد.
- دمای فرآیند: دمای فرآیند، بر سرعت رشد و قطر نانو لولهها تاثیر میگذارد.
- نوع گاز واکنش دهنده: نوع و غلظت گاز واکنش دهنده، بر ترکیب شیمیایی و ساختار نانو لولهها تاثیر میگذارد.
- زمان واکنش: زمان واکنش، بر طول نانو لولهها تاثیر میگذارد.
کاربردهای گسترده نانو لولهها در صنایع مختلف
نانو لولههای کربنی با استحکام بالا، هدایت الکتریکی و حرارتی عالی، سبکی و انعطافپذیری، به عنوان یک مادهی آیندهساز در نظر گرفته میشوند. در ادامه به انواع کاربرد نانو تیوب کربنی اشاره میکنیم:
صنعت الکترونیک:
امروزه صنعت الکترونیک به حدی با زندگی روزمره مردم گره خورده که اگر کوچکترین اختلالی در آن ایجاد شود، کیفیت زندگی جامعه را تحت تاثیر قرار میدهد. موارد زیر برخی از کاربردهای کربن نانو تیوب کربنی بوده که باعث بهبود صنعت الکترونیک شده است:
- ترانزیستورها: نانو لولهها به دلیل هدایت الکتریکی بالا، میتوانند برای ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک و سریع استفاده شوند.
- حسگرها: این مواد در ساخت حسگرهای گازی، شیمیایی و بیولوژیکی بسیار حساس کارایی بسیاری دارند.
- نمایشگرها: نانو لولهها در ساخت نمایشگرهای OLED با روشنایی و کنتراست بالا کاربرد دارند.
باتریها: برای افزایش ظرفیت و بهبود عملکرد باتریها از کربن نانو تیوب کربنی استفاده میشود.
صنعت کامپوزیتها:
افزودن نانو لولهها به مواد کامپوزیتی، استحکام، سختی و مقاومت آنها را به طور قابل توجهی افزایش میدهد. نانو لولهها همچنین به دلیل چگالی کم، میتوانند برای تولید مواد سبک وزن با استحکام بالا استفاده شوند.
صنعت هوافضا:
کربن نانو تیوبها برای ساخت قطعات سبک وزن و مقاوم در برابر حرارت بالا، مانند بال هواپیما و بدنه ماهواره، گزینه مناسبی هستند.
صنعت پزشکی:
نانو لولهها میتوانند برای حمل دارو به سلولهای بیمار یا برای ساخت داربستهای سلولی و مهندسی بافت استفاده شوند.
صنعت انرژی:
امروزه در بسیاری از کشورهای پیشرفته، برای افزایش راندمان سلولهای خورشیدی استفاده از نانو تیوب کربنی بسیار رایج است. بهعلاوه این نانو لولهها میتوانند برای ساخت باتریها و ابرخازنهای با ظرفیت بالا استفاده شوند.
از سایر کاربردهای کربن نانو تیوب میتوان به موارد زیر نیز اشاره کرد:
- فیلتراسیون: نانو لولهها میتوانند برای تصفیه آب و هوا استفاده شوند.
- پوششهای محافظ: نانو لولهها میتوانند برای ایجاد پوششهای محافظ بر روی سطوح مختلف استفاده شوند.
- کاتالیست: نانو لولهها میتوانند به عنوان کاتالیست در واکنشهای شیمیایی استفاده شوند.
نانو تیوبهای کربنی، معجزه لایههای درهم پیچیده گرافن
همانطور که گفتیم نانو تیوبها از لایههای گرافن پیچیده شده به دور خود تشکیل شدهاند و بسته به تعداد لایهها و ساختار هندسی، خواص متفاوتی دارند. استحکام فوقالعاده، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، چگالی کم و نسبت سطح به حجم زیاد، از جمله خواصی هستند که نانو تیوبها را متمایز میکنند.
این خواص متمایز باعث رواج کاربرد نانو تیوب کربنی در صنایع مختلف از جمله؛ الکترونیک و کامپوزیتها تا پزشکی و انرژی شده است.
مطالب بررسی شده در این مقاله بر اساس تجربیات تیم پیشگامان کربن کرمان تهیه شده است. این تیم قدرتمند جزو برترین مجموعههای استخراج و تولید آنتراسیت بوده که تجربه زیادی درباره انواع زغال سنگ نیز دارند. اگر شما هم در صنعتی فعالیت میکنید که با آنتراسیت سر و کار دارد، کافیست با کارشناسان ما تماس بگیرید.
سوالات متداول
- آیا نانو تیوبهای کربنی برای سلامتی انسان مضر هستند؟
- مانند هر فناوری جدیدی، نانو تیوبها نیز ممکن است خطرات بالقوهای برای سلامتی داشته باشند. مطالعات نشان میدهند که تنفس طولانی مدت ذرات نانو تیوب میتواند به ریهها آسیب برساند. اما با توسعه فناوریهای تولید و استفاده ایمن، میتوان از این خطرات کاست.
- چگونه میتوان نانو تیوبهای کربنی را تولید کرد؟
- روشهای مختلفی از جمله تخلیه قوس الکتریکی، لیزر تبخیری، رسوب شیمیایی بخار (CVD) و… برای تولید نانو تیوبها وجود دارد.
- آیا نانو تیوبها میتوانند برای تصفیه آب استفاده شوند؟
- بله، نانو تیوبها به دلیل سطح ویژه بالا و خواص جذب کنندگی، میتوانند برای تصفیه آب و حذف آلایندهها استفاده شوند.
- چگونه میتوان از نانو تیوبها در ساخت مواد کامپوزیتی استفاده کرد؟
- با افزودن نانو تیوبها به مواد پلیمری، فلزی یا سرامیکی، میتوان کامپوزیتهایی با استحکام، سختی و مقاومت به حرارت بالاتر تولید کرد.