نانو تیوپهای (نانو تیوب) کربنی:

یکی از اکتشافات بزرگ مربوط به Nanotechnology ، کشف Nanotube  است .نانو تیوبها صفحاتی از اتمهای کربن هستند که درون قسمتی غلطک مانند حرکت می کنند ودر ظاهر شبیه توریهای سیمی هستند که بر روی یک سمت آنها پوششی قرار گرفته باشد. Carbon Nanotube لوله کربنی تو خالی است . نانو تیوب های کربنی از منابع کربنی مانند گرافیت یا گازهای هیدروکربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الکتریکی ، TCVD و Laserr ablation ساخته می شوند . این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد  (700-1000 m²/gr) ، استحکام زیاد (حدودا 50 برابر فولاد) و خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی استثنایی موارد کاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیست ، تقویت مکانیکی پلیمرها و کمپوزیت ها و ساخت قطعات الکترونیکی دارند .آنها 10 برابر از فولاد محکمتر ند در حالیکه وزنشان یک ششم وزن فولاد است. این امتیاز باعث شده است که آنها اولین انتخاب برای ساختن پلها، هواپیماها وحتی سفینه های فضایی باشند. تنها مشکل این است که بزرگترین نانو تیوبی که در آزمایشگاه ساخته می شود تنها چند میلینتر است. اما این مسئله باعث شده که درمورد ماشینهای کوچک ، نانو تیوب ها ی کربنی ایده آل باشند. یکی از مشکلاتی که بر کیفیت ابزار MEMSتاثیر منفی می گذارد ساییدگی قسمتهای بسیار کوچک آنهاست که در هر ثانیه هزاران بار اتفاق می افتد. اما در یاتاقانهای ساخته شده از نانو تیوبها تقریبا هیچ گونه اصطحکاکی وجود ندارد.وامتیازمهم این است که نانو تیوبها در هر دو حالت رسانا ونارسانا وجود دارند واین ویژگی موجب استفاده آنها در وسایل مختلف الکتریکی شده است.  نانو تیوبها دو نوع هستند : نانو تیوبهای چند دیواره ای و تک دیواره ای که به ترتیب در سال 1991 و 1993 کشف شدند. نوع چند دیواره ای از الیاف گرافیتی ساخته می شود در حالی که نانو تیوبهای تک دیواره ای از الیاف فولرن کشیده شده تشکیل شده اند . از زمان کشف این مواد کاربرد های مختلفی پیشنهاد شده است که از آن جمله می توان استفاده از نوع چند دیواره ای را در نوک ای . اف . ام حامل و در مورد نوع تک دیواره به منظور استفاده در وسایل الکترونیکی یا به عنوان محیط مناسب جهت ذخیره هیدروژن اشاره نمود .
نانو تیوبهای تک دیواره از دیواره های استوانه ای گرافن به قطر 1 تا 2 نانومتر تشکیل شده است . نوع چند دیواره ای ,دیواره های ضخیم تری دارد و از چندین استوانه هم محور گرافن که با فاصله 34 نانومتر (در حد فاصله لایه های گرافیت) از هم جدا شده اند ,تشکیل گردیده است . قطر خارجی نانو تیوب چند دیواره ای 2 تا 25 نانومتر و سوراخ داخلی آن در محدوده 1 تا 8 نانومتر قرار دارد و ما بین لایه های منفرد گرافیت هیچگونه نظم سه بعدی وجود ندارد . طول متوسط نانو تیوب می تواند چندین میکرون باشد .

اولین بار نانو تیوبها در سال 1991 توسط «سومیو ایجیما» و به صورت کاملا اتفاقی در هنگام مطالعه سطوح الکترودهای کربن در هنگام تخلیه قوس الکتریکی کشف شد.

دامنه کاربرد:

محاسبات اولیه نشان داده اند که نانو تیوبها بسته به هلیسیتی و قطرشان می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشد . دو سر تیوب حالت فلزی از خود نشان می دهند .نانو تیوب در عین استحکام بالا بسیار انعطاف پذیر است .
اکثر کاربرد ها بر اساس ساختار الکترونیکی ,استحکام مکانیکی ,انعطاف پذیری و ابعاد نانو تیوب پیشنهاد شده است . کاربرد الکترونیکی بر پایه نانو تیوب تک دیواره ای است در حالی که در مورد سایر کاربردها تفاوتی میان نوع چند دیواره ای و تک دیواره ای وجود ندارد . کاربرد نانو تیوب به عنوان وسایل الکترونیکی کوچک مورد توجه بیشتری قرار گرفته است . به عنوان مثال نوع تک دیواره ای که بین دو الکترود فلزی قرار داده شده , مشابه وسایل نیمه رسانای مرسوم است و عملکرد آن در حد وسایل موجود برآورد شده است (عملکرد از لحاظ سوییچینگ). نانو تیوبها می توانند به دلیل استحکام و انعطاف پذیری در ساختمان مواد به کار روند و موادی با خواص بهتر را ایجاد کنند .

مشخصات :

 ساختار تو خالی نانو تیوب سبک بودن آن را به دنبال دارد . چگالی نوع چند دیواره ای 8/1 و نوع تک دیواره ای 8/0 است . استحکام ویژه آنها حداقل 100 برابر فولاد است . نانو تیوبها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالای برخوردارند . اکسایش نانو تیوب از دو سر تیوب آغاز می شود . این عمل باعث باز شدن تیوب خواهد شد . انتقال الکترون در نانو تیوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شدیدا رسانا هستند. رسانایی گرمایی آنها در جهت محوری نیز بالا است . نانو تیوبها از لحاظ کاتالیزوری فعال می باشند. نانو تیوبها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند . از نانو تیوبهای چند دیواره ای به عنوان الکترود در واکنشهای بیوالکترو شیمیایی استفاده شده است . نانو تیوبها می توانند واکنشهای احیای اکسیژن را کاتالیز کنند. سرعت انتقال الکترون در نانو تیوب بیشتر از الکترودهای کربنی است . ذخیره هیدروژن در داخل حفره های نانو تیوبهای تک دیواره ای امکان پذیر خواهد بود . 

روشهای تولید نانو تیوب کربنی:
در سال 1991 توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما که متخصص میکروسکوپ آزمایشگاه NECبود ،آزمایشی به وقوع پیوست که تا به حال سهم به سرتئی در توسعه نانو تکنولوژی داشته است. وی که به دستکاری وتغییر روش های ارائه شده توسط محققین موسسه ی فیزیک هسته ای ماکس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الکترد گرافیت را به جای اتصال در فاصله کمی از یکدیگر قرار داد وبین آنها قوس الکتریکی برقرار کرد. این آزمایش سبب شد که وی به طور کاملا اتفاقی نانو تیوب های کربنی را کشف کند. اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به دلیل خواص مکانیکی والکتریکی جالب ومتنوع آنها ست .پیش بینی می شود که این مواد بتوانند در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به کار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تیوب کربن وجود دارد،که از بقیه اشکال آن تا حدودی متمایز است:
1- نانو لوله تک جداره Single Wall
2- نانو لوله چند جداره Multi Wall
این دو مورد وخصوصا نوع تک جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به خود جلب کرده است.نانو لوله تک جداره از یک ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به وجود آمده که دو سر آن به حالت کروی مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده که درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب کربنی تک جداره ،سه روش از اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از :
1- قوس الکتریکی Arc Discharge
2- رسوب گذاری بخار شیمیایی :
(Chemical Vapor Deposition or CVD)
3- تبخیر لیزری (Laser Vaporization)

روش قوس الکتریکی:
روش قوس الکتریکی همان روشی است که توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به کار برده شد،بااین وجود مقدار محصول به وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست آورد.و به همین دلیل پیش بینی میشود که در آـینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به کار رود.در روش قوس الکتریکی از دو الکترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله کمی از یکدیگر قرار می دهند به خاطر اینکه خلوص بدست آمده در روش ایجیمیا بسیار پاییین بود Journet وهمکار انش در سال 1997 به دستکاری متد بکار رفته توسط ایجما پرداختند وبا بهینه کردن پارامتر های تولید توانستند نانو لوله های تک دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .آنها از آند گرافیتی با قطر 16 وطول 40 میلی متر وهمچنین الکترود دیگری با قطر 16 وطول 100 میل متر به عنوان کاتد استفاده کردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله Single Wall میان اند کاتالیست Ni,Yپرگردید. عمود بودن یا در امتداد هم قرار داشتن کاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد.
برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا کرده وسپس در فشاری پایین (معمولا بین 260 تا 360 torr) از هلیوم ویا آرگون که گازهای بی اثر هستند پر کنیم .یکی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی پایداری قوس الکتریکی اعمال شده ونیز مقدار شدت جریان وولتاژ است که می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.در صورتی که محصول مورد نظر نانو تیوب های Multi Wallباشد دیگر اجباری در استفاده از کاتالیزگرها نداریم با اینکه محصول به دست آمده توسط روس قوس الکتریکی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شودف زیرا مقدارمحصول برای یک کار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه آنچه مهم است خلوص محصول وکامل بودن ساختار آن است .که روش قوس الکتریکی تا حد زیادی این مشکل را بر طرف میکند واما مشکل دیگردر روش قوس الکتریکی تکنیک خلا است که در بسیاری از آزمایشگاههای سطح پایین امکان آن وجود ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون که هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده است ولی این مورد تالثیر چندانی نداشته ومشکل بوجود آمده دیگر امکان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است.
پایداری قوس الکتریکی عامل مهمی در سنتز به شمار می آید با این وجود استفاده از یک منبع تغذیه ی DCمیتواند تاثیر خوبی در سنتز داشته باشد وآزمایشات نشان داده است هر چند اندازه ی شدت جریان نسبت به اختلاف پتانسیل بیشتر باشد شرائط بهتر است ولی رسیدن به چنین جریان هائی بسیار مشکل است.


روش Magnetic Field:
یکی از موضوعات وپارامترهای مهم برای پژوهشگرانی که می خواهند از نانو لوله ها استفاده کنند خلوص محصول است وهمچنین اینکه در سطح مقدار بیشتری نانو لوله قرار گرفته باشد، تا بتوانند آزمایشهای کیفی خود را با دقت بالاتری انجام دهند. در روش قوس الکتریکی هنگاه ایجاد قوس در اطراف کاتد وآند به دلیل اختلاف پتانسیل وجریان، دما تا حد قابل توجهی بالا می رود ،این مقدار به اندازه ای است که گرافیت (در حالت کلی کربن ) رو ی آند بخار شده وسپس روی کاتد می نشیند.از آنجا که در اطراف کاتد وآند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز نیز اثر گذاشته ودمای آنرا افزایش می دهد . ودر نتیجه در اطراف محیطی نه به شکل گاز بلکه به شکل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است .
دلیل لیمکه پلاسما را حالت جدیدی از ماده می نامیم این است که از ترکیب ین های مثبت ومنفی اتم های خنثی بوجود آمده است .با افزایش دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد افزایش می یابد .اما نکته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست .به وسیله میدان مغناطیسی می توان پلاسما را در یک منطقه محصور کرد.این جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره طرف که در راکتور که در راکتور گداخت گرمائی از آن استفاده میشود می تواند در سنتز نانو لوله ها بسیار موثر واقع شود. فرض کنید اطراف الکترود های گرافیتی را با یک میدان مغناطیسی حاصل از چها رآهن ربا احاطه کنیم ،در این صورت وجود میدان سبب می شود پلاسما ی وجود آمده به دیوارها برخورد نکند وفقط در محدوده ی گرافیتها دما افزایش می یابد که این امر باعث کمک به تبخیر بهتر وسریعتر آند می شود ودر کل سنتز حالت بهتری به خود می گیرد.در این مورد دیگر جنس طرف اهمیت خاصی ندارد.


روش Under de-ionized Water:
برخی از محققان در جهت تلاش برای حذف تکنیک خلا وهم چنین گازهای گران قیمت هلیوم وآرگون به روشهای جدیدی دست یافته اند، از این موارد می توان به قرار دادن الکترودها در نیتروژن ما یع اشاره کرد، که خود پر خطر است. آب چون یکی از موادی است که به فور در طبیعت یافت میشود ،می تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد. البته آبی که در ساخت نانو لوله ها استفاده میشود،از نوع de- ionized یا یون زدوده است که از عبور جریان به مقدار زیادی جلوگیری می کند .این آب که معمولا در صنعت میکرو الکترونیک کاربرد زیادی دارد را می توان به راحتی با استفاده از دستگاههای (رزین)در آزمایشگاههای شیمی بدست آورد ومعمولا نیروگاهها از این آب استفاده می کنند. خصوصیت جالب در مورد آب یون زدوده این است که خاصیت عبور ندادن جریان در آن براحتی از دست نمی رود . سنتز در آب می تواند هزینه ی آزمایش را تا حد قابل توجهی کاهش دهد، ولی مقدار ودرجه خلوص نانو تیوب های بوجود آمده د راین آزمایش بسیار پایین است خصوصا اینکه مقداری از نانو لوله ها ممکن است در آب به صورت مخلوط وارد شود، که البته می توان با یک روکش گرافیتی از آن جلوگیری کرد. شکل الکترود ها وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الکتریکی بسیار انعطاف پذیر است .تا کنون با آزمایشهائی که به وسیله این روش صورت گرفته حتی در زمانهایی که از کاتالیز گرها استفاده شده است ، محصول از نوع چند جداره بوده واین خاصیت آب در تشکیل نانو لوله های MWNTs است.

دارو رسانی به وسیله نانو تیوبهای کربنی:
پژوهشگران به تازگی در یافته اند که شکل خاصی از مولکولهای کربن می توانند به خوبی وارد هسته سلولها شوند ومی توان در آِینده ای نزدیک از آنها درسیستم دارسازی وواکسیناسیون استفاده کردامروزه از این مولکولهای کربن که (نانو تیوبهای کربنCarbon nano tubes) نامیده می شوند تنها جهت حمل پپتیدهای کوچک به هسته های سلولهای فیبروپلاستی استفاده می شود ولی پژوهشگران امیدوارند که بتوانند از آنها در درمان سرطان ،ژن درمانی وواکسیناسیون نیز استفاده نمایند. آلبرتوبیانکو از موسسه CNRSدر استراسبوک فرانسه می کوید که پژوهشگران در مراحل اولیه تحقیقات می باشند واز آنجا که به نظر می آید نانو تیوبها می توانند وارد هسته شوند، از این خاصیت جهت حمل ژنها ی ساخته شده ورساندن داروها به بخش خاصی از سلول می توان استفاده کرد. تیم تحقیقاتی بیانکو ،نانو تیوبها را چند روز در دی متیل فرمامید حرارت دادند وبه دنبال آن اتصالات کوتاهتری (اتیلن گیکول TEG) ایجاد شد وسپس پپتیدهای کوچک به مولکولهای TEGمتصل شدند وهنگامی که این نانو تیوبها با سلولهای فیبروپلاست انسانی کشف شده مخلوط شدند،به سرعت به سمت هسته حرکت کردند. اصولا طیف وسیعی از مولکولها می توانند به نانو تیوبها متصل شوند وبه راحتی به سمت سلولها حرکت کنند وبه طور کلی نانو تیوبها سمیت بالایی ندارند ودر دوزهای پایین برای سلولها بی ضررند ولی در غلضتهای بالا باعث از بین رفتن سلولها می شوند وباید اثرات آن در بدن مورد مطالعه قرار گیرد. روت دوتکان پژوهشگر دانشگاه کاریف انگلستان می گوید:دلایل بسیاری وجود دارد که نشان می دهد که ذرات بسیار ریز می توانند در سیستم دارو سازی مفید باشند.اما مکانیسم وارد شدن نانو تیوبها به داخل سلولها مشخص نمی باشد.همچنین او می گوید تحقیات نا موفقی جهت استفاده از bucky balls (نانو تیوبهای کربنی کروی) جهت رساندن داروهای ضد سرطان ونوکلوتیدهای پرتو زا به داخل سلول انجام شده است.

خلق نانوتیوپهای کربنی ابر رسانا

پژوهشگران نانو تیوب های کربنی تک دیواره یک بعدی خلق کرده‌اند که علاوه بر ویژگیهای ابر رسانایی‌، پتانسیلی برای زیر بنای نسل جدید الکترونیک‌های بسیار ریز هستند . پژوهش‌های قبلی این احتمال را داده اند که دسته ای از نانو تیوب ها – در اصل صفحات گرافیتی در اندازه اتمی که درون استوانه ای به دور هم پیچیده اند - هنگامی که روی هم انباشته می‌شوند رفتار ابر رسانایی‌ نشان می‌دهند.
پژوهشهای Sheng و Tang فیزیک‌دانان موسسه علم و نانو تکنولوژی دانشگاه هنگ کنگ نشان داده است که تک نانو تیوب های مجزای یک بعدی نیز می‌توانند ابر رسانا باشند. Sheng درمصاحبه با روزنامه بین المللی United Press اظهار داشته " این تیوب‌ها یک بعدی هستند بنابراین ما با وجود یک بعدی بودن ابر رسانایی را نشان داده ایم و این اولین باری است که تا به حال مشاهده شده است و از جهاتی مرز جدیدی است زیرا ما داریم پدیده یک بعدی بودن را می بینیم . ما در دنیای سه بعدی زندگی می کنیم و روی یک بعدی بودن تامل کرده ایم و اکنون پدیده یک بعدی بودن یک حقیقت شده است ."

آنها نانو تیوب ها را درون حفرات یک کریستال زئولیت رشد دادند که همانند شابلون و یا قالب عمل می‌کند و برای تشکیل
تیوب ها ابتدا دما را تا C 400 و سپس تاC 500 بالا بردند.
کربن یکی از متداولترین و مهمترین عناصر می‌باشد . الماس کربن خالص است . اعتقادی بر ابر رسانایی کربن خالص وجود ندارد اما این کشف نشان می‌دهد که صفحات کربن اگر به تیوب هایی به حد کافی کوچک شکل داده شوند، می‌توانند خواصشان را تغییر دهند. حال سوال اینست که آیا کربن خالص می تواند ابر رسانا باشد؟ پاسخ حداقل در مقیاس نانو بله می باشد.

محدودیت های فیزیکی سیلیکون تلاش های انجام گرفته برای کوچک کردن اندازه کامپیوترها، افزایش قدرت محاسباتی آنها و کاهش مصرف برقشان را با مشکل مواجه کرده است . اندازه بسیار کوچک نانو تیوب ها – فقط چند صد یا چند هزار اتم – و خواص الکترونیکی چند منظورشان ، آنها را کاندیدای خوبی برای انتخاب در جاهایی که سیلیکون مساله ساز است ساخته است .

در حالیکه پژوهش‌ روی نانو تیوب ها هنوز نسبتا جوان است، کشف های اخیر خبر می دهند که نانو تیوب ها می‌توانند اساس قطعات الکترونیکی کوچک نظیرکامپیوترهای فرا ریز را تشکیل دهند.