أنابيب الكربون
إن الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) هي عبارة عن مصادر مختلفة من الكربون ذات بنية نانوية أسطوانية. تتميز هذه الجزيئات الكربونية الأسطوانية بخصائص غير عادية ، والتي تعد ذات قيمة بالنسبة لتقنية النانو ، والإلكترونيات ، والبصريات وغيرها من مجالات علوم وتكنولوجيا المواد. بسبب قوة المادة وتصلبها الاستثنائيين ، تم بناء الأنابيب النانوية مع نسبة الطول إلى القطر التي تصل إلى 132،000،000: 1 ، أكبر بكثير من أي مادة أخرى.
بالإضافة إلى ذلك ، وبفضل الموصلية الحرارية الاستثنائية والخواص الميكانيكية والكهربائية ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية تجد التطبيقات كإضافات للمواد البنائية المختلفة. على سبيل المثال ، تشكل الأنابيب النانوية جزءًا صغيرًا من المادة (المواد) في بعض خفافيش البيسبول (ألياف الكربون) أو نوادي الجولف أو قطع السيارات أو صلب دمشق.
الأنابيب النانوية هي أعضاء في العائلة الهيكلية الفوليرين. واشتق اسمها من هيكلها الطويل المجوف مع الجدران التي تكونت من صفائح سميكة من الكربون ، تسمى الجرافين. يتم دحرجة هذه الأوراق في زوايا محددة (منفصلة) ، وتحدِّد زاوية الدوران ونصف القطر خصائص الأنابيب النانوية ؛ على سبيل المثال ، ما إذا كانت قشرة الأنابيب النانوية الفردية عبارة عن معدن أو أشباه موصلات. تصنف الأنابيب النانوية على أنها أنابيب نانوية أحادية الجدار (SWNTs) وأنابيب نانوية متعددة الجدران (MWNTs). تصنع الأنابيب النانوية الفردية نفسها بشكل طبيعي في “الحبال” التي تجمعها قوى فان دير فالس ، وبشكل أكثر تحديدًا ، التراص.
كيمياء الكم التطبيقية ، على وجه التحديد ، التهجين المداري يصف أفضل الترابط الكيميائي في الأنابيب النانوية. تتضمن الرابطة الكيميائية للأنابيب النانوية ذرات كربون-هجينة كليا. هذه الروابط ، التي تشبه تلك التي تحتوي على الجرافيت وأقوى من تلك الموجودة في الألكانات والماس (التي تستخدم ذرات الكربون الهجينة sp3) ، توفر الأنابيب النانوية بقوتها الفريدة.
أنواع الأنابيب النانوية الكربونية والهياكل ذات الصلة
لا يوجد توافق في الآراء حول بعض المصطلحات التي تصف الأنابيب النانوية الكربونية في الأدبيات العلمية: يتم استخدام كل من “-wall” و “walled” بالاشتراك مع “single” أو “double” أو “triple” أو “multi” ، والحرف C غالبًا ما يتم حذفه في الاختصار ؛ على سبيل المثال ، أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWNT).
احد الجدران
حيث a = 0.246 نانومتر.
تعد SWNTs مجموعة مهمة من الأنبوب النانوي الكربوني لأن معظم خصائصها تتغير بشكل كبير مع قيم (n، m) ، وهذا الاعتماد غير رتيب (انظر مخطط Kataura). على وجه الخصوص ، يمكن أن تختلف فجوة فرقهم من صفر إلى حوالي 2 فولت ، ويمكن أن تُظهر التوصيلية الكهربائية سلوكًا معدنيًا أو شبه موصلًا. وتعتبر الأنابيب النانوية أحادية الجدار مرشحة على الأرجح لتصنيع الإلكترونيات. وأهم بناء أساسي لهذه الأنظمة هو السلك الكهربائي ، ويمكن أن تكون أسلاك SWNT بأقطار من نانومتر موصلًا ممتازًا. تطبيق واحد مفيد من SWNTs هو في تطوير أول الترانزستور تأثير المجال intermolecular (FET). تم إنشاء أول بوابة منطقية بين الجزيئات باستخدام SWCNT FETs في عام 2001. تتطلب البوابة المنطقية كل من F-FET و n-FET. لأن SWNTs هي p-FETs عندما تتعرض للأكسجين و n-FETs على خلاف ذلك ، فمن الممكن فضح نصف الـ SWNT للأكسجين وحماية النصف الآخر منه. يعمل SWNT الناتج كبوابة منطقية مع كل من FET و n من النوع في نفس الجزيء.
انخفضت أسعار الأنابيب النانوية أحادية الجدار من حوالي 1500 دولار للجرام في عام 2000 إلى أسعار التجزئة بحوالي 50 دولار للغرام من إنتاج 40-60٪ بالوزن من SWNTs اعتبارًا من مارس 2010. اعتبارًا من عام 2016 ، بلغ سعر البيع بالتجزئة 75. كانت SWNTs بالوزن 2 دولار لكل غرام ، وهي رخيصة بما يكفي لاستخدامها على نطاق واسع. من المتوقع أن تحدث تقنية SWNT تأثيرًا كبيرًا في تطبيقات الإلكترونيات بحلول عام 2020 وفقًا لتقرير السوق العالمية لتقدير الكربون النانوي.
متعدد الجدران
تتكون الأنابيب النانوية متعددة الجدران (MWNTs) من طبقات متعددة (أنابيب متحدة المركز) من الجرافين. هناك نوعان من النماذج التي يمكن استخدامها لوصف هياكل الأنابيب النانوية متعددة الجدران. في نموذج الدمية الروسية ، يتم ترتيب صفائح الجرافيت في اسطوانات متحدة المركز ، على سبيل المثال ، أنابيب نانوية (أحادية الجدار) (0،8) داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار أكبر (17،0). في نموذج الرق ، يتم تدحرج ورقة واحدة من الجرافيت حول نفسها ، تشبه لفافة من الرق أو صحيفة ملفوفة. المسافة البينية في الأنابيب النانوية متعددة الجدران قريبة من المسافة بين طبقات الجرافين في الجرافيت ، حوالي 3.4 Å. لوحظ هيكل دمية الروسي أكثر شيوعا. يمكن وصف قذائفها الفردية باسم SWNTs ، والتي يمكن أن تكون معدنية أو شبه موصلة. بسبب الاحتمالية الإحصائية والقيود المفروضة على الأقطار النسبية للأنابيب الفردية ، فإن واحدة من القذائف ، وبالتالي MWNT بأكمله ، عادة ما تكون معادن ذات فجوة صفرية.
وتشكل الأنابيب النانوية الكربونية مزدوجة الجدران (DWNTs) طبقة خاصة من الأنابيب النانوية لأن مورفولوجيتها وخصائصها تشبه تلك الخاصة بـ SWNTs ولكنها أكثر مقاومة للمواد الكيميائية. هذا مهم بشكل خاص عندما يكون من الضروري توزيع وظائف كيميائية على سطح الأنابيب النانوية (functionalization) لإضافة خصائص إلى CNT. إن عملية التساهمية التساهمية من SWNTs سوف تكسر بعض الروابط المزدوجة C = C ، تاركة “ثقوب” في البنية على الأنابيب النانوية ، وبالتالي تعديل كل خصائصها الميكانيكية والكهربائية. في حالة DWNTs ، يتم تعديل الجدار الخارجي فقط. تم اقتراح توليف DWNT على مقياس الجرام لأول مرة في عام 2003 بتقنية CCVD ، من الاختزال الانتقائي لمحاليل الأكسيد في الميثان والهيدروجين.
قدرة الحركة التلسكوبية للأصداف الداخلية وخصائصها الميكانيكية الفريدة ستسمح باستخدام الأنابيب النانوية متعددة الجدران كأذرع متحركة رئيسية في الأجهزة النانوميكانيكية القادمة. [المضاربة؟] قوة التراجع التي تحدث للحركة التلسكوبية الناجمة عن تفاعل لينارد-جونز بين القذائف وقيمته حوالي 1.5 ن ن.
تقاطعات و crosslinking
وقد تمت مناقشة تقاطعات بين 2 أو أكثر من الأنابيب النانوية على نطاق واسع نظريا. كثيرًا ما يتم ملاحظة هذه التقاطعات في العينات المحضرة بواسطة تفريغ القوس وكذلك بترسيب البخار الكيميائي. تم النظر إلى الخواص الإلكترونية لمثل هذه التقاطعات من الناحية النظرية من قبل لامبين وآخرون ، الذين أشاروا إلى أن العلاقة بين الأنبوب المعدني والأنبوب شبه الموصلة من شأنه أن يمثل عملية تجانس نانوية غير متجانسة. وبالتالي ، يمكن أن يشكل هذا التقاطع مكوِّناً لدائرة إلكترونية قائمة على الأنابيب النانوية. تظهر الصورة المجاورة تقاطع بين اثنين من الأنابيب النانوية متعددة الطبقات. وقد اعتبر من الناحية النظرية تقاطعات بين الأنابيب النانوية والجرافين ، ولكن لا تدرس على نطاق واسع تجريبيا. وتشكل هذه التقاطعات أساس الجرافين المسدود ، حيث يتم فصل صفائح الجرافين المتوازية بواسطة أنابيب نانوية قصيرة. الجرافين المعزولة يمثل فئة من البنى ثلاثية الأبعاد للأنابيب النانوية الكربونية.
في الآونة الأخيرة ، أبرزت العديد من الدراسات إمكانية استخدام الأنابيب النانوية الكربونية ككتل بناء لتصنيع أجهزة بصرية ثلاثية الأبعاد مجهرية (& nt؛ 100 نانومتر في جميع الأبعاد الثلاثة). لالواني وآخرون. أبلغت عن طريقة تشابك حراري راديكالية جديدة بدأت في تصنيع السقالات المجهريّة ، القائمة بذاتها ، المسامية ، الكلّية الكربون باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية ومتعدّدة الجدران ككتل بناء. وتمتلك هذه السقالات مسامًّا ميكروية ومُنَظّمة النانو ، ويمكن تصميم المسامية لتلائم تطبيقات محددة. يمكن استخدام هذه السقالات / التراكيب ثلاثية الأبعاد الكربونية لتصنيع الجيل التالي من تخزين الطاقة ، المكثفات الفائقة ، ترانزستورات انبعاثات المجال ، الحفز عالي الأداء ، الخلايا الكهروضوئية ، والأجهزة الطبية الحيوية والزرعات.
المورفولوجيا الأخرى
الكربون النانوبودي هي مادة تم تكوينها حديثا تجمع بين مقولين من الكربون تم اكتشافهما سابقا: أنابيب الكربون النانوية والفوليرين. في هذه المادة الجديدة ، يتم ربط “البراعم” الشبيهة بالفوليرين بشكل تساهمي بالجدران الخارجية للأنبوب النانوي الكربوني. هذه المادة المختلطة لها خصائص مفيدة لكل من الفوليرين والكربون النانوي. على وجه الخصوص ، تم العثور عليها لتكون بواعث الحقل جيدة بشكل استثنائي. في المواد المركبة ، قد تعمل جزيئات الفوليرين المرفقة كمثبتات جزيئية لمنع انزلاق الأنابيب النانوية ، وبالتالي تحسين الخصائص الميكانيكية للمركب.
إن الكربون peapod هو مادة كربونية هجينية جديدة تحبس الفوليرين داخل أنبوب نانوي كربوني. يمكن أن تمتلك خصائص مغناطيسية مثيرة للاهتمام مع التدفئة والإشعاع. كما يمكن تطبيقه كمذبذب خلال التحقيقات والتنبؤات النظرية.
من الناحية النظرية ، فإن النانوتور هو أنبوب نانوي كربوني مرن في شكل طارة (شكل الدونات). من المتوقع أن يكون لدى نانوتوري العديد من الخصائص الفريدة ، مثل اللحظات المغناطيسية 1000 مرة أكبر مما كان متوقعًا سابقًا لبعض الأقطار المحددة. تختلف الخصائص مثل العزم المغناطيسي ، الاستقرار الحراري ، وما إلى ذلك اعتمادًا كبيرًا على نصف قطر الطرقة ونصف قطر الأنبوب.
إن الأنابيب النانوية الكربونية النحاسية الممغنطة عبارة عن هجين جديد نسبيًا يجمع بين الأوراق الورقية الجرافيتية التي تزرع على طول الجدران الجانبية للجنازات CNT ذات الجدران المتعددة أو البامبو. يمكن أن تختلف كثافة أوراق الشجر كدالة لظروف الترسيب (مثل درجة الحرارة والوقت) مع تراكيبها التي تتراوح من عدة طبقات من الجرافين ( 1 مم في جميع الأبعاد الثلاثة). لالواني وآخرون. وقد أبلغت عن طريقة تشابك حراري راديكالية جديدة بدأت في إنتاجها ، إلى السقالات المجهري ، القائمة بذاتها ، والمسامية ، والكربون بالكامل باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية ومتعددة الجدران كبنات. وتمتلك هذه السقالات مسامًّا ميكروية ومُنَظّمة النانو ، ويمكن تصميم المسامية لتلائم تطبيقات محددة. يمكن استخدام هذه السقالات / التراكيب ثلاثية الأبعاد الكربونية لتصنيع الجيل التالي من تخزين الطاقة ، المكثفات الفائقة ، ترانزستورات انبعاثات المجال ، الحفز عالي الأداء ، الخلايا الكهروضوئية ، والأجهزة الطبية الحيوية والزرعات.
CNTs هم المرشحين المحتملين للمستقبل والمواد الأسلاك في دوائر VLSI نانو النطاق. القضاء على مخاوف موثوقية الكهرومغناطيسية التي تصيب الوصلات النحاسية اليوم ، يمكن أن تحمل الأنابيب النانوية الكربونية المعزولة (أحادية ومتعددة الجدران) الكثافات الحالية التي تزيد عن 1000 متر مربع / سم بدون تلف الكهرومغناطيسي.
يمكن تحويل الكميات الكبيرة من الأنابيب النانوية الكربونية الصرفة إلى صفائح أو أفلام مستقلة عن طريق تقنية تصنيع صب الشريط السطحي المهندسة (SETC) ، وهي طريقة قابلة للتطوير لتصنيع صفائح مرنة وقابلة للطي مع خصائص فائقة. عامل شكل آخر ذكرت هو ألياف CNT (خيوط الملقب) عن طريق الغزل الرطب. يتم إما نسج الألياف مباشرة من وعاء التركيب أو نسج من CNTs المذابة مسبقا. يمكن تحويل الألياف الفردية إلى خيوط. وبصرف النظر عن قوته ومرونته ، فإن الميزة الرئيسية هي صنع خيوط موصلة للكهرباء. تخضع الخواص الإلكترونية للألياف CNT الفردية (أي حزمة CNT الفردية) للبنية ثنائية الأبعاد لـ CNTs. تم قياس الألياف ليكون لها مقاوم واحد فقط من حيث الحجم أعلى من الموصلات المعدنية عند 300 ألف. من خلال زيادة تحسين الألياف CNTs و CNT ، يمكن تطوير ألياف CNT مع خصائص كهربائية محسنة.
تعتبر الخيوط القائمة على CNT مناسبة للتطبيقات في مجال الطاقة ومعالجة المياه الكهروكيميائية عندما تكون مغلفة بغشاء التبادل الأيوني. أيضا ، يمكن أن الخيوط المستندة إلى CNT تحل محل النحاس كمادة متعرجة. بيرهونن وآخرون. (2015) قاموا ببناء محرك باستخدام لفائف CNT.
السلامة والصحة
المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنيتين (NIOSH) هي الوكالة الفيدرالية الرائدة في الولايات المتحدة التي تجري الأبحاث وتقدم إرشادات بشأن الآثار المترتبة على السلامة المهنية والصحة وتطبيقات تكنولوجيا النانو. وقد أشارت الدراسات العلمية المبكرة إلى أن بعض هذه الجسيمات النانوية قد تشكل خطراً صحياً أكبر من الشكل الأكبر حجماً لهذه المواد.في عام 2013 ، نشر المعهد الوطني للمعلومات الصحية (NIOSH) نشرة استخبارية حالية توضح بالتفصيل المخاطر المحتملة والحد الموصى به للتعرض للأنابيب النانوية الكربونية والألياف.
اعتبارًا من أكتوبر 2016 ، تم تسجيل الأنابيب النانوية الكربونية ذات الجدار الواحد من خلال لوائح الاتحاد الأوروبي للتسجيل والتقييم والترخيص وتقييد المواد الكيميائية (REACH) ، بناءً على تقييم الخواص المحتملة الخطيرة لـ SWCNT. واستنادًا إلى هذا التسجيل ، يُسمح للتسويق في SWCNT في الاتحاد الأوروبي بما يصل إلى 10 أطنان مترية. حالياً ، يقتصر نوع SWCNT المسجل من خلال REACH على النوع المحدد من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار المصنعة من قبل OCSiAl ، التي قدمت الطلب.