معرفی نانولوله های کربنی

کربن عنصری در جدول تناوبی با عدد اتمی 6 است. کربن عنصری غیر فلزی و فراوان، چهار ظرفیتی و دارای چندین دگرشکل می باشد. در میان عناصر موجود در طبیعت کربن یک استثنا به شمار می آید و ساختارهای کربنی، گستره‌ی وسیعی از تنوع و کاربرد را به خود اختصاص داده اند.

کربن در انواع میکروسکوپی مختلفی وجود دارد. ترکیباتی همچون گرافیت، الماس، کربن های بی شکل (آمورف)، فولرن، نانوالیاف کربنی، نانولوله های کربنی و گرافین از این دسته اند.   در میان ساختارهای کربنی، نانولوله های کربنی بدلیل خواص منحصر بفرد خود، جزو جذاب ترین این ساختارها محسوب می شوند. نانولوله‌های کربنی به طور کاملا اتفاقی توسط سامیو ایجیما (Ijima) در سال  1991 کشف شدند. او در آزمایشگاه‌های شرکت NEC ژاپن مشغول مطالعه نمونه‌های فولرن بوسیله میکروسکوپ الکترونی پویشی (TEM) بود.

در حین مطالعه، ساختارهای استوانه‌ای شکلی همانند صفحات گرافیت مشاهده کرد، وی در ابتدا این ساختار را نوعی فولرن تصور نمود که در یک جهت کشیده شده است ولی بعدها متوجه شد این ساختارها خواص متفاوتی از فولرن‌ها دارند، به همین دلیل آن‌ها را نانولوله کربنی نامید. اولین نانولوله‌های کشف شده از چند لایه‌ی استوانه‌ای شکل تو در تو و متحدالمرکز  تشکیل شده بودند، آن‌ها نانولوله‌های‌کربنی چند دیواره multi wall carbon nanotube نام دارند. اندکی پس از کشف نانولوله‌های چند دیواره، نانولوله‌های‌کربنی تک دیواره single wall carbon nanotube با روش تخلیه قوس الکتریکی در سال 1993 توسط ایجیما و همکارانش سنتز شدند. هر نانولوله‌ی تک دیواره از استوانه‌ای گرافیتی تشکیل شده است.  قطر این استوانه بین 0.5 تا 2  نانومتر است و با توجه به دو پارامتر اساسی ساختار نانولوله یعنی قطر و کایرالیته‌ی آن می‌تواند یک فلز، یک نیمه هادی و یا یک شبه فلز باشد. یک نانولوله‌ی چند دیواره دارای دیواره‌ای ضخیمتر بوده و شامل چند استوانه‌ی هم محور است. این استوانه‌ها با فاصله‌ای در حد 0.34  نانومتر از یکدیگر جدا شده‌اند.  شکل زیر نانولوله ی چند دیواره و تشکیل نانولوله تک دیواره را نشان می دهد. 

شکل1:سمت راست:نانولوله کربنی چند دیواره-سمت چپ: نانولوله کربنی تک دیواره

روش های مختلفی نیز برای سنتز این مواد بکار گرفته شده است که به دو نوع فیزیکی و شیمیایی تقسیم می شوند. در حال حاضر سه تکنیک اصلی برای سنتز انواع نانولوله های کربنی بکار می رود: تخلیه قوس الکتریکی (فیزیکی)، تبخیر لیزری (فیزیکی) و رسوب از فاز بخار (شیمیایی). کشف نانولوله ها در سال 1991 موجب شده است فعالیت های تحقیقاتی گسترده ای در علوم به بحث نانوساختارهای کربنی و کاربردهای آن ها اختصاص یابد. خواص منحصر بفرد این مواد به عنوان فرم جدیدی از مواد کربنی، شامل استحکام، سختی، چسبندگی، پایداری شیمیایی، هدایت حرارتی و جالب تر از همه هدایت الکتریکی، کاربردهای زیادی در نانوالکترونیک، ذخیره سوخت، ساخت مواد کامپوزیتی کم وزن، سلول های سوختی، نشردهنده های الکترونیکی، حسگرهای شیمیایی و بیولوژیکی، میکروسکوپ ها و ... فراهم آورده است. از طرفی لازمه ی استفاده از نانولوله ها در ابزار آلات الکتریکی و ... شناخت و امکان کنترل بر خواص مختلف این مواد است. ما در ادامه به بررسی ساختار نانولوله ها و خواص مختلف این مواد خواهیم پرداخت.