علم وتكنولوجيا الأنابيب النانوية الكربونية

إن الأنابيب النانوية الكربونية هي أنابيب جزيئية الحجم من الكربون الغرافيتي بخواص مذهلة وهي من أصلب وأقوى أنواع الليف المعروفة ولديها خواص إلكترونية مذهلة بالإضافة إلى خاصيات أخرى فريدة. لقد جذبت لكل تلك الأسباب اهتمام أكاديمي وصناعي كبير حيث يُنشر كل عام آلاف المقالات عن الأنابيب النانوية الكربونية، ولكن إن تطور تطبيقها التجاري إلى حد ما بطيء على الأغلب لارتفاع تكاليف تصنيع أجود أنواع الأنابيب النانوية الكربونية.

التاريخ

إن الاهتمام الكبير الحالي بالأنابيب النانوية الكربونية هو نتيجة مباشرة لتركيب بوكمينستر فوليرين C60 وأنواع فوليرين أخرى عام 1985. حفز الاكتشاف بأن الكربون قد يشكل تركيبات مستقرة منتظمة عدا الغرافيت والألماس الباحثين في أنحاء العالم للبحث عن أشكال كربون جديدة. أُضيف للبحث دوافع جديدة عندما تم الاكتشاف في 1990 أن C60 قد يُصنع في آلة تفريغ القوس الموجودة بجاهزية في كل المخابر. كان العالم الياباني سوميو إيجيما Sumio Ijima يستخدم مفرغًا كهذا عندما اكتشف أنابيب نانوية كربونية تتعلق بالفوليرين عام 1991. لدى هذه الأنابيب طبقتين وفي بعض الأحيان أكثر ويتراوح قطرها الخارجي بين 3 نانوميتر و30 نانوميتر. كانت محكمة الإغلاق من الطرفين.

1212

يظهر في الرسم (على اليسار) انتقال إلكترون مجهري لبعض الأنابيب النانوية متعددة الطبقات. اكتشف عام 1993 صنف جديد من الأنابيب النانوية الكربونية بطبقة واحدة فقط. إن هذه الأنابيب النانوية أحادية الطبقة أضيق بشكل عام من الأنابيب متعددة الطبقات، ويتراوح عادة قطرها بين 1-2 نانوميتر، كما يغلب عليها الانحناء أكثر من الاستقامة. يظهر في الرسم اليميني أنابيب أحادية الطبقة نموذجية. سرعان ما أُثبت أن لدى هذه الألياف خصائص استثنائية (انظر في الأسفل) وأشعل ذلك شرارة انطلاق البحوث في الأنابيب النانوية الكربونية. ولكن يجب الملاحظة إلى أن الأنابيب النانوية الحجم الكربونية، المصنعة تحفيزيًا، كانت معروفة قبل اكتشاف إيجيما بكثير. يكمن السبب الرئيسي وراء عدم الاهتمام الكبير بها لأن بنيتها كانت غير متسقة لذلك لم يكن لديها خاصيات مثيرة للاهتمام. ركزت البحوث الحديثة على تحسين نوعية الأنابيب النانوية المنتجة تحفيزيًا.

البنية

إن الرباط في الأنابيب النانوية الكربونية هو sp² حيث تتصل كل ذرة بثلاثة مجاورة كما في الغرافيت. لذلك يمكن اعتبار الأنابيب صفيحات غرافينية مثنية (الغرافين هو طبقة غرافيت منفردة).  يوجد ثلاثة طرق مختلفة يمكن بها ثني الغرافين إلى أنبوب، كما هو موضح في المخطط اللاحق.

212121

يُعرف أول اثنين منها بالأريكة (الأعلى يسارًا) والمتعرج (الأوسط يسارًا) ولديهما درجة عالية من التناظر. يرمز كل من المصطلح “أريكة” والمصطلح “متعرج” إلى تنسيق المضلعات السداسية حول المحيط. يعرف النوع الثالث من الأنابيب بالكيرالي أو الدواني، والذي هو عمليًا الأكثر شيوعًا، ويعني ذلك إمكانية تواجده في صيغتين متعلقتين بالمرآة. يظهر الأنبوب الدواني في أدنى الرسم يسارًا.

يمكن تحديد بنية الأنبوب النانوي من خلال مؤشر (n,m) والذي يحدد كيفية انحناء صفيحة الغرافين. يمكن فهم ذلك بالاستشهاد بالرسم البياني الذي على اليسار. لتصنيع أنبوب نانوي لنقول بأساس (6,3) يتم حني الصفيحة حتى تُضاف الذرة المرقمة (0,0) فوق تلك المرقمة (6,3). يمكن التبين من الرسم التوضيحي أن m=0 في كل الأنابيب المتعرجة في حين n=m في الأنابيب الأريكية.

 

التركيب

تستلزم طريقة التفريغ القوسي، والتي تنتج أفضل أنواع الأنابيب النانوية، تجاوز التيار بحوالي 50 أمبير بين اثنين من إلكترودات الغرافيت في بيئة من الهيليوم. هذا يسبب تبخر الغرافيت، يتكثف بعضها على جدران وعاء الارتكاس أو على المهبط (الكاثود). إن الترسب الذي في المهبط هو الذي يتحول إلى كربون.  تُنتج الأنابيب النانوية أحادية الجدار عندما يُضاف الكوبلت والسليكون أو نوع معدن آخر إلى المصعد (الآنود). إنه من المعروف منذ الخمسينات أو حتى قبل ذلك أنه يمكن أيضًا صنع الأنابيب النانوية بتمرير غاز حاوي للكربون كالهيدروكربون فوق حفَّاز. يتركب الحفّاز من جزيئات معدن نانوية الحجم عادةً كالحديد أو الكوبلت أو النيكل. تحفز هذه الجسيمات تحلل الجزيئات الغازية إلى كربون، فيبدأ نمو أنبوب بجُسيم معدني على طرفه. تبين في 1996 أنه يمكن تصنيع أنابيب نانوية بالتحفيز. إن جودة الأنابيب النانوية الكربونية المنتجة بهذه الطريقة غالبًا ما تكون أفقر من تلك المصنوعة بالمفرغ القوسي، ولكن تم تعديل هذه الطريقة جدًا في السنوات الماضية. يفوق التركيب التحفيزي على التفريق القوسي بأنه يمكن رفعه لكمية التصنيع. تتضمن الطريقة الثالثة لصنع الأنابيب النانوية الكربونية استخدام الليزر لتبخير الهدف المعدني الغرافيتي.

21333

الخاصيات

تعطي قوة الروابط الكربونية-الكربونية sp² الأنابيب النانوية الكربونية خاصيات كيميائية عظيمة. تقاس صلابة أي مادة بمقياس مُعامل يونغ فيما يتعلق بتغير الضغط بالجهد المستَخدم.  يمكن ارتفاع قيمة معامل يونغ لأجود أنواع الأنابيب النانوية إلى 1000 غيغا باسكال وذلك تقريبا خمسة أضعاف أكثر من الفولاذ. يمكن أن ترتفع مقاومة الشد أو انفعال انكسار الأنابيب النانوية إلى 63 غيغا باسكال حوالي خمسة أضعاف أكثر من الفولاذ. تعطي كل هذه الخاصيات بالإضافة إلى خفة الأنابيب الكربونية إمكانيات لاستعمالات كثيرة كاستخدامها في الفضاء. قد تم اقتراح إمكانية استخدام الأنابيب النانوية في “مصعد الفضاء” وهو كبل بين الأرض والفضاء اقترحه أولاً آرثر سي. كلارك Arthur C. Clarke. إن الخاصيات الإلكترونية للأنابيب النانوية الكربونية استثنائية أيضًا. يجدر الذكر خصوصًا حقيقة أن الأنابيب النانوية قد تكون معدنية أو شبه مُوصِلة على حسب البنية.  بناءًا على ذلك يوجد لدى بعض الأنابيب النانوية موصِلِات أكثر من الذي لدى لنحاس، بينما يتصرف غيرها مثل السيليكون. يوجد اهتمام كبير في احتمالية تركيب أجهزة إلكترونية بمقياس النانو من الأنابيب النانوية وهنالك تطورات جارية في هذا المجال. لكن إذا أردنا صنع جهاز مفيد سنحتاج لإعداد عدة آلاف من الأنابيب النانوية في بشكل محدد ولا يوجد لدينا هذا المستوى من السيطرة لتحقيق ذلك بعد. تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية في عدة مجالات من التكنولوجيا، ذلك يتضمن ألواح الشاشات المسطحة ومسح المجهر التحقيقي وأجهزة الاستشعار. ستقود الخاصيات الاستثنائية للأنابيب النانوية الكربونية بلا شك إلى استعمالات أكثر أخرى.

النانوهورن

تم تحضير مخروطات أحادية الجدار كربونية بالتشكيل المارفولوجي مشابهه لأغطية أنبوبية نانوية لأول مرة من قِبل بيتير هاريس Peter Harris وإيدمان تسانغ Edman Tsang وزملائهم عام 1994 (انقر هنا لقراءة مقالنا). تم تصنيعهم عبر معالجة سخام الفوليرين بدرجات حرارة مرتفعة – انقر هنا لرؤية الصور النموذجية. بينت مجموعة سوميو إيجيما لاحقًا أنه يمكن أيضًا تصنيعهم بالتذرية الليزرية للغرافيت، وأسمهوهم “نانوهورن”. برهنت هذه المجموعة أن لدى النانوهورن خاصيات امتزازية وتحفيزية.

 

العودة إلى الأعلى

 

روابط عن الأنابيب الناوية

* تاريخ الأنابيب النانوية في C&EN

* مقالة ويكيبيديا عن الأنابيب النانوية

* برنامج ممتاز اسمه Nanotube Modeler من JCrystal

* خلاصة الخصائص الفيزيائية للأنابيب النانوية من توماس أ. أدامز الثاني Thomas A. Adams II.

* معرض الأنابيب النانوية الحيوي من شيغيو ماروياما Shigeo Maruyama.

 

العودة إلى الأعلى

 

مواقع عن النانو

 Nanotechweb *

*Graphene News

 

العودة إلى الأعلى

 

مزودين تجاريين للأنابيب النانوية والمواد المتعلقة بها

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s