خواص الکتریکی نانولوله کربنی/قسمت اول/هیبریداسیون

هر اتم کربن ‎6‎ الکترون، با آرایش الکترونی ‎$ 1{s^2}2{s^2}2{p^2}$‎ دارد. دو الکترون اربیتال ‎$ 1s $‎ شدیدا به هسته مقید بوده و در واکنش‌های کربنی نقش چندانی ندارند، در نتیجه تنها ‎4‎ الکترون بیرونی در تعیین پیوندها و تعیین خواص الکتریکی موثرند. 4‎ اربیتال اتم کربن ‎$ (2s,2{p_x},2{p_y},2{p_z}) $‎ چون از نظر سطح انرژی به‌هم نزدیکند در اکثر ترکیبات کربنی، به شکل‌های مختلف با هم در آمیخته و هیبریدهای گوناگون ‎$ s{p^1},s{p^2},s{p^3} $‎ 

را به‌ وجود می‌آورند.

 

به عنوان مثال در الماس که هر اتم کربن چهار پیوند مشابه با کربن‌های همسایه خود دارد، ‎3‎ اربیتال ‎$ p $‎ با اربیتال ‎$ s $‎ ترکیب شده و ‎4‎ اربیتال ‎$ s{p^3} $‎ به‌ وجود می‌آید. در صفحه گرافین نیز هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند دارد و هیبرید اربیتال‌های آن از نوع ‎$ s{p^2} $‎ است. به عبارت دیگر اربیتال ‎$ s $‎ با اربیتال‌های ‎$ {p_x} $‎ و ‎$ {p_y} $‎ که در صفحه‌ی گرافین قرار دارند ترکیب شده و حالت‌های پیوندی $ \sigma $  و غیر پیوندی $\sigma^*$ را تشکیل می‌دهند.

حالت‌های کووالانسی قوی ‎$ \sigma $‎ مسئول انرژی بستگی و خواص الاستیکی ورقه‌های گرافین است.

اربیتال باقیمانده‌ی ‎$ {p_z} $‎ عمود بر صفحه‌ی گرافین قرار می‌گیرد و تحت تقارن صفحه‌ای فرد است و نمی‌تواند با حالت‌های ‎$ \sigma $‎ جفت شود و در نتیجه‌ی برهم کنش جانبی با ‎$ {p_z} $‎

اتم‌های همسایه (برهم‌کنش ‎$ pp\pi $ ) حالت‌های پیوندی ‎$ \pi $‎ و غیر پیوندی ‎$ {\pi ^*}$‎ را می‌سازد. 

نانولوله‌ها مشابه با گرافین بوسیله‌ی دو نوع پیوند، مشخص و هیبریداسیون‎Hybridization ‎ صفحه‌ای

‎$ s{p^2} $‎ را ارائه می‌دهند. باندهای ‎$ \sigma $‎ به طور قوی اتم‌های کربن در دیواره‌ی استوانه‌ای نانولوله را به هم متصل می‌کنند. باندهای ‎$ \pi $‎ عمود بر سطح نانولوله مشابه با برهم‌کنش ضعیف بین لایه‌های کربن در گرافیت خالص، مسئول برهم‌کنش ضعیف بین نانولوله‌های تک دیواره در یک دسته Bundle می‌باشند.

ترازهای انرژی متناسب با حالت‌های ‎$ \sigma $‎ از انرژی فرمی دورند ولی در مقابل حالت‌های ‎$ \pi $‎ در نزدیکی انرژی فرمی قرار می‌گیرند.‎ به همین دلیل در محاسبه‌ی ساختار نواری گرافین، در تقریب اول، تنها در نظر گرفتن همین یک اربیتال ‎$ {p_z} $‎ کفایت می‌کند. برای اینکه فهم خوبی از خواص الکتریکی نانولوله‌ها داشته باشیم ابتدا ساختار الکتریکی گرافین را  در موضوعات بعد به طور مختصر بررسی می‌کنیم.