ورود به حساب ثبت نام جدید فراموشی کلمه عبور
برای ورود به حساب کاربری خود، نام کاربری و کلمه عبورتان را در زیر وارد کرده و روی “ ورود به حساب” کلیک کنید.





اگر فرم ثبت نام برای شما نمایش داده نمیشود، اینجا را کلیک کنید.









اگر فرم بازیابی کلمه عبور برای شما نمایش داده نمیشود، اینجا را کلیک کنید.





نمایش نتایج: از 1 به 9 از 9
  1. #1
    حمید وکیل نژاد
    مدیـــر بازنشسته
    تاریخ عضویت
    2012/11/06
    محل سکونت
    تهران بزرگ
    نوشته ها
    764
    1,174
    1,681

    6 نانولوله هاي کربني

    مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني


    تهیه کننده : سیدمحمدهادی میرمطلبی
    منبع : راسخون

    نانولوله هاي کربني زيستي سلول


    يکي از پرکاربردترين ساختارهاي مورد بحث در فناوري نانو که به عرصه علوم زيستي وارد شده است، نانولوله هاي کربني هستند. اين نانوساختارها، به جهت بهره مندي از ويژگي هاي منحصربه فرد فيزيکي و شيميايي بالقوه، از توانايي هايي براي استفاده در حسگرهاي زيستي، حمل و نقل مولکولي، جستجوي الکتروشيميايي نمونه هاي بيولوژيک، داربست بافتي، فرستنده سيگنال به سلولها و روش هاي تشخيصي برخوردارند. اما پيش از به کارگيري نانولوله هاي کربني در موجودات زنده، بايد از سازگاري اين ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به اين منظور پژوهش هاي زيادي صورت گرفته است که تا حدودي سميت نانولوله هاي کربني و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنبالههاي شيميايي، سطح فعال و خلوص را مشخص نمودهاست. دانشمندان تاکنون توانستهاند از نانولولههاي کربني در حسگرهاي پروتئيني، ناقلهاي پروتئيني، ميکروسکوپها، داربست بافتي سلول استخواني و عصبي، کانالهاي مولکولي و فرستنده سيگنال به سلولهاي عصبي استفاده کنند.

    1. معرفي نانولوله هاي کربني

    1-1. تاريخچه

    به نظر ميرسد اولين رشته هاي در مقياس نانو در سال 1970 ميلادي توسط Marinobu Endo از دانشگاه اورلئان فرانسه تهيه شد. اين رشته ها هفت نانومتر قطر داشتند و با روش رشد توسط بخار تهيه شده بودند . با اين حال امروزه نام ايجيما از آزمايشگاه NEC در تسوکوبا بهعنوان اولين کسي که توسط HR-TEM در سال 1991 موفق به مشاهده نانولوله ها شد، در صدر محققان اين رشته باقي ماندهاست . در همين زمان و به طور مستقل در مسکو نيز دانشمندان موفق به کشف ريزلوله هايي شده بودند که البته نسبت طول به قطر آن کمتر از يافتة ايجيما بود. روسها نام اين ماده را Barrelense گذاردند . آنچه ايجيما موفق به مشاهده آن شده بود نانولوله چند لايه بود و وي به فاصله دو سال موفق به مشاهده نانولوله تکلايه نيز گشت. گروه رايس در 1996 موفق به ساخت دسته هاي موازي از نانولوله تکلايه شدند که راه را براي تحقيقات بيشتر روي فيزيک کوانتوم تک بعدي باز کرد .

    1-3. روشهاي توليد

    روشهاي توليد نانولولههاي کربني بهاختصار شامل موارد زير است:

    • تبخير يا سايش ليزري (Laser Vaporization/ablation)؛
    • رسوبدهي شيميايي بخار به کمک حرارت (CVD)؛
    • رسوبدهي شيميايي بخار به کمک پلاسما (PECVD)؛
    • رشد فاز بخار؛
    • الکتروليز؛
    • سنتز شعله.

    1-2. ساختار

    نانولوله بر اساس ساختمان گرافيت بنا ميشوند. گرافيت از لايه هاي مجزايي متشکل از اتم هاي کربن تشکيل شده است که بهصورت واحدهايي شش ضلعي که در شش رأس آن اتم کربن قرار دارد آرايش يافتهاند. قطر نانولوله بين يک تا دو نانومتر و طول آن گاه تا چند ميکرومتر نيز ميرسد. انتهاي هر دو سوي نانولوله ها ميتواند با نيمه اي از يک فولرين مسدود باشد يا نباشد . و لذا ميتواند در انتهاي خود علاوه بر اجزاي ششضلعي داراي اجزاي پنجضلعي نيز باشد. اما مهمترين ويژگي که در تعيين خصوصيات نانولوله ها نقش بازي ميکند، با عنوان Chirality يا پيچش شناخته ميشود.
    از ديگر ويژگيهاي ساختاري نانولوله ها حضور آنها به دو فرم نانولوله چند لايه با نام اختصاري MWNT و نانولوله هاي تکلايه با نام اختصاري SWNT است؛ هر يك از اين انواع داراي کاربردهاي متفاوتي هستند.

    2. ويژگيهاي زيستي نانولوله هاي کربني

    با وجود خصوصيات متنوع نانولوله ها، دور از ذهن نيست که کاربردهاي متنوعي نيز داشته باشند. در يک تقسيمبندي ساده ميتوان برهمکنشهاي زيستي نانولوله ها را از دو بعد درونسلولي و برونسلولي مورد بررسي قرار داد. به طور کلي مهمترين عناوين کاربردهاي نانولوله ها از ديد بيولوژيک عبارتند از:

    • حسگرهاي زيستي؛
    • حمل و نقل ملکولي؛
    • جستجوي الکتروشيميايي نمونههاي بيولوژيک؛
    • داربست بافتي؛
    • فرستنده سيگنال به سلولها؛
    • روشهاي تشخيصي.

    اما يکي از مهمترين مباحث در راه استفاده از کارايي هاي نانولوله در بافت زنده، سازگاري زيستي آن است. لذا ابتدا مطالعات صورت گرفته در اين زمينه را مرور ميكنيم.

    خصوصيات فيزيکي و شيميايي

    نانولوله ها عليرغم برخورداري از قطر بسيار کم، استحکام کششي بالايي در حدود صد گيگاپاسکال دارند. از ديگر خصوصيات نانولوله ها وجود پيوندهاي واندروالس بين اتمها(و لذا توانايي بسيار پايين آنها براي چسبيدن به يکديگر)، خواص الکتريکي منحصر به فرد (نانولوله فلزي و نيمه هادي) ، رسانايي تنها در جهت طولي ، رسانايي حرارتي و خاصيت نشر ميداني است. خاصيت نشر ميداني در ساختارهايي که داراي نسبت طول به قطر بالا (بزرگتر از هزار) ، داراي رأس اتمي تيز، ثبات بالاي حرارتي و شيميايي و هدايت بالاي الکتريکي و گرمايي باشند، ديده ميشود
    .
    2-1. سازگاري زيستي


    جلب نظر دانشمندان به سازگاري زيستي نانولوله ها و اثرات مضر احتمالي آنها بر سلولها، به اين واقعيت برميگردد که در سالهاي اخير با افزايش روز افزون کاربردهاي نانولوله ها در صنعت و حضور بيشتر آنها در محيط، ارتباط معناداري بين آنها و بيماريهايي از جمله بيماريهاي تنفسي و پوستي پيدا شدهاست. اين امر مراکز علمي و تحقيقاتي را بر آن داشته است تا به بررسي اساسي اين تأثيرات، يعني تأثير نانولوله بر سلول بپردازند. عليرغم مطالعاتي که در ابتدا نشان ميداد که نانولوله و هم خانواده هاي آن تأثير چنداني بر مورفولوژي، رشد و تکثير سلولي ندارند [11]، امروزه مشخص شدهاست که شاخصهايي چون ابعاد فيزيکي، مساحت، دوز، نسبت طول به قطر، زمان، خلوص و وجود عوامل شيميايي متصل به سطح، هر يک به نوبه خود در خاصيت سيتوتوکسيتي نانولوله مؤثرند. هر يک از مطالعات صورت گرفته روي يکي از متغيرهاي مذکور تمرکز بيشتري دارند، اما به نظر ميرسد که دوز، خلوص و حضور دنباله هاي شيميايي متصل به سطح از موارد مهمتر باشند.
    مطالعات نشان دادهاند که آستانه اثر کشندگي نانولوله براي نانولوله هاي چند ديواره و تکديواره ، حدود 06/3 ميکروگرم در ميليليتر است که اين رقم در برابر C60 (فولرين) که تا 226 ميکروگرم در ميليليتر نيز اثر کشندگي براي سلول ندارد، رقمي قابل توجه است . آخرين و مهمترين مقاله منتشر شده در اين زمينه توسط انجمن شيمي آمريکا، در مقايسهاي بين سيتوکسيتي MWCNT، SWCNT، کوارتز و C60، بهترتيب توان کشندگي اين مواد براي سلول را به اين شکل بيان ميکند:

    C60 < کوارتز < SWCNT > MWCNT

    نکته جالب آن است که اگر چه با افزايش دوز نانولوله در محيط کشت، اثر کشندگي آن نيز افزايش مييابد، اما اين ارتباط، خطي و منظم نيست. نکته ديگر در مورد اثر دوز اينکه نانولوله در دوزهاي پايين اثري عکس اثرات آن در دوزهاي بالا دارد.
    بررسي ها نشان ميدهد که نانولولة خالص داراي اثرات سمي بيشتري نسبت به نوع ناخالص آن است. اما مهمتر از خلوص، اثر عوامل شيميايي بر روي سطح نانولوله است که موجب کاهش اثرات سمي آن ميشود . اضافه نمودن عوامل شيميايي بر روي سطحِ نانولوله را فعال سازي (Functionalization) ميگويند که به نوبه خود موجب تسهيل به کارگيري نانولوله در صنايع ميگردد.
    برخي از مطالعات به نحوة اثر نانولوله در سلول و علت مستقيم مرگ سلولي ناشي از آن اختصاص دارند. به طور کلي سلول ها در مواجهه با نانولوله، پاسخ هاي گسترده و بعضاً متناقضي از خود نشان ميدهند. اين پاسخهاي سلولي عبارتند از: فعالسازي ژنهاي مؤثر در حمل و نقل سلولي، متابوليسم، تنظيم سيکل سلولي و رشد سلولي پاسخهاي استرسي و اکسيداتيو، توليد و ترشح پروتئين از سلول، توقف رشد سلولي و در نهايت آپوپتوز و نکروز .
    طبق مطالعات صورت گرفته، نانولوله ها در دوزهاي پايينتر موجب افزايش رشد و متابوليسم سلولي و در دوزهاي بالاتر موجب واکنش هاي التهابي و پاسخ هاي ايمني سلولي، مشابه وضعيتي که در برابر تهاجم يک عفونت وريدي از خود نشان ميدهد، مي شوند. در واقع مرگ سلولها در مواجهه با نانولوله ها مشابه ديگر موارد مرگ سلولي، ناشي از تشکيل راديکال هاي آزاد و عوارض ناشي از آن، تخليه مواد آنتياکسيدان و up-regulation برخي از ژنها و down-regulation برخي از ژنهاي ديگر است .

    اثرات نانولوله بر روي بيان ژني که تا به حال کشف شدهاست عبارت است از: up-regulation بيان ژنهاي مؤثر در سيکل سلولي مثل P38, CdC37, CdC42, hrk, P57, bax, P16 و Down-regulation بيان ژنهاي مؤثر در سيکل سلول مثل Cdk2 و Cdk4، Cdk6 و Cyclin D3 و نيز down-regulation بيان ژنهاي مرتبط با سيگنالهاي سلولي مثل pcdha9, ttk, jak1, mad2 و erk. همچنين موجب القاي down-regulation بيان پروتئينهاي دخيل در اتصالات سلولي مانند لامينين، فيبرونکتين، کادهرين و FAR و کلاژن نوع چهار ميشوند.
    از اين ميان دانشمندان مهمترين تأثير نانولولهها را در سيکل ميتوز در مرحله G1 ميدانند و توقف سلول در فاز G1 را عامل اصلي آپوپتوز قلمداد ميکنند.

    2-2. نانولوله هاي کربني: ابزارهاي قدرتمند زيستي

    چنانچه عنوان شد، با در نظر گرفته خطرات احتمالي نانولوله ها براي سلول و بافت، اين ساختارهاي نانويي بالقوه از کاربردهاي فراواني در موجودات زنده برخوردارند. اگرچه ترس از عدم سازگاري زيستي موجب کند شدن روند تحقيقات در اين زمينه شدهاست، با اين حال تاکنون دانشمندان به نتايج قابل قبولي نيز دست يافتهاند که در ادامه به آنها اشاره ميشود.

    2-2-1. حسگرهاي زيستي

    هرگونه تغييري در ساختمان و اجزاي نانولوله ها موجب تغيير در قدرت هدايت الکتريکي آنها خواهد شد. دانشمندان دريافته اند که فعالسازي نيز متناسب با خصوصيات مولکول پيوند شده، موجب تغييراتي در هدايت الکتريکي و تابش نور از نانولوله ميشود که منحصر به همان مولکول است. تاکنون مطالعاتي روي پروتئينها، کربوهيدارت ها و آنتيبادي هاي مختلف صورت گرفتهاست که همگي تأييدي بر اين فرضيه بودهاند. لذا متصور خواهد بود که با حضور هر نوع مولکول در محيط حاوي نانولوله و اتصال به آن ميتوان فرکانس الکتريکي يا طول نوراني متفاوتي را ثبت کرد و به حضور آن ماده در محيط پي برد.

    2-2-2. حمل و نقل ملکولي


    تاکنون مطالعاتي روي توانايي نانولوله ها در جابهجا نمودن مولکولها صورت گرفتهاست. اين بررسيها غالباً به دو دسته تقسيم ميشوند: مطالعاتي که به بررسي عبور مولکولها از درون نانولوله [20] و جاگذاري مولکولها درون آنها اختصاص دارند و مطالعاتي که بر پايه اتصال مولکولها به سطح نانولوله و انتقال از اين طريق بنا شده اند. در نوع اول دانشمندان موفق به مشاهده عبور مولکول آب، +H، برخي از يونها و بعضاً پليمرها از درون نانولوله شده اند، آنها با جايگذاري داروهاي ضد سرطان (مثل سيس پلاتين) درون نانولوله ها موفق به انتقال آنها به اطراف سلول و آزادسازي آهستة آنها از درون نانولوله شده اند. در نوع ديگر عموماً نقل و انتقال پروتئينها توسط نانولوله ها بررسي شدهاست. اين مطالعات نشان ميدهند که با فعال سازي نانولوله توسط بنيان اسيدي ميتوان قابليت اتصال اين مواد به پروتئينها را افزايش داد و به اين طريق انتقال پروتئين ها به درون سلول را تسهيل کرد. البته اين توانايي نانولوله ها به اندازه پروتئين نيز بستگي دارد و در اندازههاي بزرگتر اين توانايي از نانولوله صلب ميشود. در همين رابطه ميتوان توانايي نانولوله را براي انتقال ژنها به درون سلول نيز ذکر کرد . که البته مطالعات در اين زمينه همچنان ادامه دارد. چنانچه بتوان از نانولوله به عنوان ناقل ژني استفاده کرد، ميتوان آينده درخشاني را براي ژندرماني و روش هاي مشابه متصور بود.

    2-2-3. داربست بافتي

    اخيراً توجه دانشمندان به اين قابليت نانولوله ها جلب شدهاست که همانند داربستهاي طبيعي بافتي محتوي کلاژن، ميتوانند به عنوان داربست (Scaffold) براي رشد سلولهاي روي آنها مورد استفاده قرار بگيرند. احتمالاً ايده اوليه از آنجا منشأ ميگيرد که نانولولهها هنگام توليد به صورت رشتههايي درهم آرايش مييابند که به آن فرم ماکاروني اطلاق ميشود. اين مشابه وضعيت کلاژنها در مايع خارج سلولي است. نام ديگر اين آرايش bucky paper است .

    دانشمندان دريافتهاند که SWCNTهاي بافته نشده (non woven) داراي خاصيت داربستي بيشتري نسبت به ديگر انواع هستند. در اين حال قابليت تکثير و چسبندگي سلولي نيز افزايش چشمگيري دارد. مهمترين دستاورد محققان در اين زمينه، کشت استئوبلاستها روي نانولولههاست که بهتازگي در مقالهاي توسط محققان دانشگاه کاليفرنيا در سال 2006 منتشر شدهاست و توجهات زيادي را به خود جلب کردهاست. اين يافته راه را براي به کارگيري نانولولهها در ترميم آسيبهاي سلولي باز ميکند . بيش از اين نيز اتصالات محکم استئوبلاستها به داربست نانولولهاي توسط filopodiaهاي شکلگرفته در حين کشت به اثبات رسيده بود . با اين حال مطالعاتي نيز نشان ميدهند که اتصالات بين سلول و داربست نانولوله سست بود و سلولها قادر به نفوذ به داربست نيستند.

    يافته ديگري که توسط دانشگاه کاليفرنيا اعلام شدهاست، احتمال بهكارگيري نانولولهها در ترميم ضايعات نخاعي است. در اين حال حضور نانولولهها در محيط موجب هدايت رشد آکسوني ميشود.

    2-2-4. ديگر کاربردها

    ديگر کاربردهايي که امروزه مطالعاتي بر روي آنها در حال انجام است عبارتند از: الف) فرستادن سيگنال به سلول هاي عصبي که در آن همزمان با ايجاد داربست مناسب براي رشد سلولهاي عصبي (توسط فعالسازي مناسب نانولوله ها) ميتوان سيگنالهاي الکتريکي را به سلول عصبي فرستاد؛ ب) روشهاي تشخيصي زيستي که اولين مرحله اين کاربرد بر روي مالاريا و تشخيص گلبولهاي قرمز آلوده به اين تک ياخته Plasmodium falciparum صورت گرفته است و در حقيقت ميکروسکوپ AFM بر اين پايه عمل ميکند؛ ج) جستجوي الکتروشيميايي که در واقع از خاصيت قطبيتپذيري نانولولهها استفاده و آن را به ابزاري تحت عنوان «ion-nanotube terahertz osillator» تبديل کرده است. در اين حالت يون مورد نظر (مثلاً +K) با گيرافتادن در دالان نانولوله با فرکانس بالا شروع به حرکت به دو سوي نانولوله ميکند. حاصل اين فرايند ايجاد جريان الکتريکي متناوب با فرکانس بالا خواهد بود که از خارج قابل اندازه گيري است.

    3. جمع بندي


    نانولوله هاي کربني به جهت قدرت الاستيسيتة بالا و در عين حال استحکام فوق العاده، به عنوان داربست سلولي براي رشد سلولهاي استخواني و عصبي مورد استفاده قرار گرفته اند. به علاوه در عين حال که سلولها روي شبکهاي تور مانند از اين مواد شروع به رشد و تکثير ميکنند، دانشمندان توانستهاند از قابليت هدايت ويژه الکتريکي نانولوله هاي کربني استفاده و از آنها به عنوان راهي براي فرستادن پيام به سلول ها استفاده کنند. اين يافته ها تداعيکنندة نياز مبرم علم پزشکي و مخصوصاً شاخه هاي جراحي پلاستيک و پيوند اعضا، به رشد و تکثير و پرورش سلولهاي مورد نظر در خارج از بدن و سپس انتقال آنها به بدن است. در اين فرايند کاستن از رد شدن بافت پيوندي توسط دستگاه ايمني بدن از جايگاه ويژهاي برخوردار است که تحقيقات چند سال اخير روي سازگاري زيستي نانولوله هاي کربني آن را نشان دادهاست. با تغييراتي در ساختار و ترکيبات اين مواد ميتوان آنها را به ساختمانهايي سازگار با دستگاه ايمني بدن تبديل کرد. بهعلاوه اتصال محکم سلولها به اين ساختارها مشکل ديگر پيوند اعضا، يعني سستي سلولها پس از پيوند را مرتفع خواهد ساخت.
    همچنين قابليت ذخيرهسازي مولکولها در داخل نانولوله هاي کربني، درهاي تازهاي را به روي حمل و نقل مواد حاجب و داروها در داخل بدن گشودهاست؛ چنانچه هر دوي اين کاربردها در خارج از بدن انسان به اثبات رسيدهاند. مشابه اين کاربرد، توانايي نانولوله هاي کربني فعالسازي شده براي اتصال به پروتئينها و انتقال آنها به داخل سلول است که به تازگي نظر دانشمندان را به خود جلب نمودهاست.
    از مهمترين و اولين کاربردهاي نانولوله هاي کربني در محيطهاي زنده، توانايي آنها براي اتصال به مولکول هاي آلي مختلف و امکان جستجوي آن ماده بر اساس تغييرات هدايت الکتريکي نانولوله بودهاست. اين کاربرد، از برجستهترين تقابلهاي علم الکترونيک و بيولوژي در بهرهبرداري از فناوري نانو بودهاست.
    با توجه به آنچه گذشت و طبق اطلاعات موجود از امکانات حال حاضر کشورمان، به نظر ميرسد که با برقراري ارتباط بيشتر بين محققان علوم زيستي و علوم مهندسي، هيچيک از اين کاربردها هم اکنون دست نايافتني نيستند. در حقيقت ذکر چنين کابردهايي از نانولوله هاي کربني که تنها يک نانوذره از ميان هزاران نانوذرة موجود است، هدفي به جز ايجاد انگيزه بيشتر براي ورود مهندسان علوم الکترونيک، مواد و شيمي به حوزه علوم زيستي و بالعکس آشنايي بيشتر محققان علوم زيستي با بعد فني و مهندسي فناوري نانو نخواهد داشت.

    تركيب اسپین و مدار چرخش الکترون در نانو لوله های کربنی


    در یک نانو لوله ی کربنی، الکترون ها می توانند به طور ساعتگرد یا پادساعتگرد حول لوله بچرخند. ظاهراً به نظر می رسد که ویژگی حرکت اسپینی الکترون(چرخش به دور خود) نیز خاصیتی مشابه داشته باشد ولی طی پژوهشی که فیزیک دانان دانشگاه کرنل انجام دادند معلوم شد که این طور نیست.

    به گزارش خبرگزاری برق، الکترونیک و کامپیوتر ایران(الکترونیوز) و به نقل از فیزورگ، طبق پژوهش انجام گرفته، پژوهشگران که امیدوار بودند از نانو لوله های کربنی برای محاسبات کوانتومی استفاده کنند احتمالاً بایستی روش های خود را عوض کنند. گفتنی است برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده از نانو لوله های کربنی، اسپین یک اتم نشانگر یک بیت داده می باشد.
    فیزیک دانان دانشگاه کرنل دریافتند که اسپین یک الکترون در یک نانو لوله کربنی تزویج می شود یعنی با مدار چرخش الکترون اثر متقابلی دارند. این یافته به این معنی است که پژوهشگران مجبور خواهند بود روش بازخوانی اسپین یا تغییر اسپین را تغییر دهند ولی این یافته، روشی جدید ارائه می دهد که با کنترل مدار چرخش الکترون، اسپین هم قابل کنترل خواهد بود.
    این پژوهش در 27 مارس در ژورنال نیچر، توسط اساتید فیزیک دانشگاه کرنل به نام های پل مک یوئن و دنیل رلف و پژوهشگران اسبق این دانشگاه به نام های شهل ایلانی که هم اکنون در مؤسسه ی علوم وایمن اسرائیل فعالیت می کند، و فردیناند کوئیمیث که هم اکنون در دانشگاه هاروارد حضور دارد، گزارش شده است.

    نانو لوله های کربنی، استوانه های خیلی ریزی هستند که سطوح جانبی آنها از اتم های کربن ساخته می شود که نهایتاً شکلی شبیه به آرایش شش ضلعی های به هم وصل شده را که تقریباً شبیه یک شبکه ی سیمی لوله شده می باشد، به وجود می آورند. به جای چرخش الکترون های تنها حول هسته ی یک اتم، اتم های آزاد یک نانو لوله پیرامون محیط دایروی لوله می چرخند. در ضمن، اسپین الکترونی که می چرخد می تواند دو جهت داشته باشد. تاکنون فیزیک دانان اعتقاد داشتند که چهار حالت ممکن برای یک الکترون، همگی با یکدیگر هم ارزند. این چهار حالت از ترکیب دو حالت برای اسپین(در جهت های بالا و پایین) و دو حالت برای جهت چرخش الکترون ها(ساعتگرد و پادساعتگرد) حاصل می شود. پژوهشگران برای امتحان این ادعا، با استفاده از «تسهیلات علم و فن آوری نانو مقیاس دانشگاه کرنل(CNF)»، یک دستگاه ریزی ساختند که شامل یک نانو لوله ی کربنی است با قطر 5 نانومتر و طول 500 نانومتر که بین دو الکترود قرار دارد و این لوله بالای یک ساختار سیلیکونی قرار دارد تا بتواند بارهای الکتریکی مختلفی به لوله تحویل دهد. طراحی این دستگاه امکان ساخت نقطه های کوانتومی را میسر کرد. نقطه های کوانتومی متشکل از تعدادی الکترون است که در طول مسیر به یک الکترون کاهش می یابد.

    پژوهشگران با اعمال یک میدان مغناطیسی در طول محور لوله و اندازه گیری جریان گذرنده توانستند سطوح انرژی الکترون ها را در چهار حالت ممکن که از ترکیب اسپین و مدار چرخش به وجود می آمد، مشخص کنند. آنها دریافتند که با تغییر جهت چرخش الکترون، انرژی هم تغییر می کند. جهت چرخش الکترون روی اسپین تأثیر می گذارد و بر عکس.
    ایلانی گفت: "با وجود این، نمی توان استفاده از نانو لوله ها در محاسبات کوانتومی را کنار گذاشت بلکه باید قوانین جدیدی برای طراحی آنها در نانو لوله ها مشخص کرد. از نقطه نظر فیزیک پایه این نکته جالب توجه است که این توپولوژی استوانه ای منحصر به فرد نانو لوله ها است که به الکترون ها اجازه می دهد که مدارهای چرخش مشخصی داشته باشند و به تبع آن این ترکیب به وجود می آید."
    مشابه همین آزمایش برای حفره ها انجام گرفت. حفره، جای خالی الکترون است و معادل با حرکت بارهای مثبت در طول لوله می باشد. باز اعتقاد بر این بود که انرژی یک حفره می تواند همانند یک الکترون با اسپینی مشابه به آن باشد ولی آزمایش خلاف این را نشان داد.

    استانداردسازي نانولوله هاي کربني


    منظور از استاندارد، يکاها و مقياس هاي اندازه گيري است. اين مفهوم ميتواند به معناي يکاهاي اندازهگيري مانند متر، کيلوگرم، ثانيه و نظاير آن باشد و يا مقياسهاي فيزيکي از قبيل ميلة يكمتري، وزنة يک کيلوگرمي و امثال آن را در برگيرد. در مفهوم دوم، استاندارد کتابچه يا مجموعة مکتوبي است شامل مقررات و اصولي براي تنظيم امور فني، صنعتي، علمي و تجاري. بخشي از سهم استانداردسازي فناورينانو به استانداردسازي نانومواد که نانولوله هاي کربني بخشي از اين گسترة وسيع ‏هستند مربوط ميشود. ‏در حال حاضر در دنيا فعاليت بسيار گستردهاي روي استانداردسازي فناورينانو در حال انجام است. اين متن به گوشه اي از فعاليت ‏هاي کميته هاي استانداردسازي و راهبردهاي پيشنهادي و برنامه هاي مختلف بين المللي براي استانداردسازي فناورينانو ‏ اشاره ميكند.

    مقدمه

    به طور کلي واژه استاندارد در دو مفهوم عمده به کار برده مي شود در مفهوم اول منظور از استاندارد يکاها و مقياس هاي اندازه گيري است. اين مفهوم ميتواند به معناي يکاهاي اندازهگيري مانند متر کيلوگرم ثانيه و نظاير آن باشد و يا مقياسهاي فيزيکي از قبيل ميله يكمتري وزنه يک کيلوگرمي و امثال آن را در برگيرد. در مفهوم دوم استاندارد کتابچه يا مجموعه مکتوبي است شامل مقررات و اصولي براي تنظيم امور فني صنعتي علمي و تجاري. با توجه به برنامه 13 سند راهبرد آينده مبني بر استانداردسازي فناورينانو براي رسيدن به سهم مناسبي از تجارت جهاني اهداف شناخته شده در استانداردسازي فناورينانو عبارت است از: بررسي اثرات نبود استاندارد بر رشد بازار نانو و شناسايي نيازهاي استانداردسازي براي توسعه بازار اين توليدات. بخشي از سهم استانداردسازي فناورينانو به استانداردسازي نانومواد که نانولولههاي کربني بخشي از اين گستره وسيع هستند مربوط ميشود. در حال حاضر در دنيا فعاليت بسيار گستردهاي روي استانداردسازي فناورينانو در حال انجام است. گوشهاي از فعاليت هاي کميتههاي استانداردسازي و راهبردهاي پيشنهادي و برنامههاي مختلف بينالمللي براي استانداردسازي فناورينانو عبارتند از:

    • فرهنگ اصطلاحات و عبارات نانوذرات ( که در ماه مي سال 2005 در انگلستان به وسيله BSI تهيه شده است (UK PAS Vocabulary))
    • تأسيس کميته فناورينانو ايزو (ISO/TC229)
    • تهيه مستندات استاندارد P1650 توسط مؤسسه IEEE.
    به نقل از رئيس اين گروه کاري دکتر دان گاموتا (Dan Gamota) از شرکت موتورل نسخه پيشنويس اين استاندارد به منظور ارائه در رأيگيري ماه ژوئن سال 2005 آماده شد. اين استاندارد شامل رويهاي براي تعيين ويژگيهاي الکتريکي يک نانولوله کربني دوجهته است.
    • كشور چين هفت استاندارد ملي در زمينه فناورينانو تهيه کرده است.
    • در کشورهاي انگلستان ژاپن و آمريکا نيز کميتههاي ملي استانداردسازي فناورينانو تأسيس شده است.
    • در کشور کره يك گروه کاري در زمينه نانولولههاي کربن تشکيل شده است که در زمينه استانداردسازي اندازهگيري خلوص و پايداري نانولولهها در محلولها مطالعه ميکند.
    اين گروه همچنين در حال برنامهريزي به منظور استانداردسازي اندازهگيري ميزان انتشار نانولولههاي کربني است.
    • کميسيون اروپ راهبرد استانداردسازي فناوريهاي نانو را تا سال 2007 تهيه خواهد کرد
    • .کره نيز يك کميته تخصصي در ارتباط با نانولولههاي کربني تشکيل داده است اين كميته در حال حاضر در حال بررسي خواص است.
    • کميته E56 سازمان ASTM به وسيله 12 کشور تأسيس شده و داراي گروههاي کاري زير است:

    o اصطلاحات
    o تعيين ويژگيها
    o ايمني و بهداشت محيط زيست و محيط کار
    o قوانين حقوق معنوي
    o همکاريهاي بينالمللي
    o استانداردهاي توليد.

    چالشهاي استانداردسازي نانولوله هاي کربني

    با توجه به تاريخچه نانوالياف و نانولوله هاي کربني و عوامل تأثيرگذار بر کاربرد آن مباحث مربوط به نانولوله ها و نانوالياف به چهار گروه زير تقسيمبندي ميشود: 1. مباحث اقتصادي و قانوني 2. مباحث ايمني و بهداشت 3. مباحث نقل و انتقال و بستهبندي 4. اطلاعات فنّي. از لحاظ تاريخچه بررسي نانوالياف و نانولوله هاي کربني ميتوان به اين جمع بندي رسيد که استانداردسازي نانولوله هاي کربني بايد در چارچوب حوزه هاي فوق بررسي شود و به صورت عملياتي ميتوان فهميد که موانع زير از جمله موارد تجاريسازي نانوالياف و نانولوله هاي کربني هستند: 1. خطره سلامتي و ايمني 2. قراردادهاي نقل و انتقال و فرايند مواد جديد 3. پايداري در کيفيت توليدات (درجه خلوص ناخالصي کنترل پايداري و غيره) 4. آشنا نبودن با طراحي و توليد 5. عدم وجود ابزار و قوانين طراحي 6. عدم دسترسي به مواد در حجم انبوه و قيمت مناسب 7. ابزار و قوانين تحليلي براي شناسايي ترکيب نانومواد موجود در مواد کامپوزيت 8. قوانين حقوق معنوي. همچنين مشکلات شناساييشده در مورد کيفيت نيز به شرح زير طبقه بندي شده است: 1. نبود استاندارد مشخص براي نانولولههاي کربني 2. وجود تفاوتهاي زياد در انواع نانولولههاي کربني توليدي 3. نبودن امکان تجاريسازي به علت وجود همين تفاوتها. تدوين يک برنامه کنترل کيفيت نيز ضروري است که مزاياي زير را در پي دارد: 1. ايجاد ثبات و اطمينان در فرايندهاي جديد 2. ايجاد ثبات و اطمينان در توليدات جديد 3. بهبود قابليت اطمينان توليدات 4. افزايش کنترل بر روي فرايندها و محصولات. در کل ميتوان نتيجه گرفت که مشکل عدم استفاده انبوه از نانولوله هاي کربني در صنعت نداشتن توانايي در ارائه کيفيت يکسان است نه ظرفيت پايين توليد آنها و اين اصليترين چالش صنعت است. از سوي ديگر تدوين قوانين جديد و حساسيتهاي ايجاد شده در مورد تأثير اين مواد بر سلامت انسان و محيط زيست محدوديتهايي جدّي براي توليدکنندگان و عرضهکنندگان اين مواد به وجود ميآورد (به ويژه در مورد نانوذرات آزاد يعني ذراتي که به وسيله شبکههاي مولکولي به دام نيفتاده باشند) . در تدوين چنين قوانيني جهت تسهيل ارتباط ميان عرضهكنندگان و مشتريان محصولات فناورينانو ضرورت وجود يک مجموعه اصطلاحات عرضه کنندگان و مشتريان محصولات فناورينانو نيز مورد توجه قرار ميگيرد. نظريهاي مبني بر لزوم قرارگيري کليه نانومواد کربني در خانواده بزرگ نانوالياف (CNF's) وجود دارد لذا در اين مورد تعريف کلّي به صورت «الياف گرافيتها و مواد کربني با ابعاد متوسط کمتر از500 نانومتر» ارائه ميشود. هرچند نکته فوق داراي اهميت و پشتوانه علمي است ولي با توجه به مقبوليت عبارت نانولوله کربني نميتوان از جوامع علمي و صنعتي انتظار داشت تنها از اصطلاح نانوالياف استفاده نمايند. تعريف رايج ابعاد نانو بين يك تا صد نانومتر است اين با ابعاد معرفي شده در تعريف فوق همخواني ندارد. به همين دلايل تعريف فوق از حيظ انتفاع ساقط ميگردد.

    استانداردسازي کليد تجاري سازي فناوري نانو

    فاکتورهاي کليدي و موانعي که توليدکنندگان و عرضهکنندگان نانولولههاي کربني بايد به منظور موفقيت در تجاريسازي و کاربرد محصولاتشان مدنظر قرار دهند بهطور خلاصه عبارتند از:
    • تنوع زياد توليدات و نبود تعاريف شفاف
    • توليد فرايندهاي توليدي و دسترسي به مواد در حجم بال
    • قيمت هزينههاي توليد بالا و در نتيجه قيمت بال
    • نياز به سرمايهگذاريهاي مشترک يا همکارهاي صنعتي
    • حقوق مالکيت فکري
    • کيفيت و قابليت توليد يکسان نمونهه
    • روشهاي کاليبراسيون و تعيين ويژگيه استانداردسازي
    • قرار داشتن در مراحل اوليه رشد فناوري به نحوي كه بسياري از كاربردها هنوز در فاز R&D هستند
    نيازمندي مباحث ايمني و بهداشتي به اطلاعات و قوانين بيشتر.
    تست روش مشخصهيابي اثر
    استخراج PAH استاندارد اصلاح شده ASTM- Dl618-99 چسبندگي/تخلخل
    مقاومت الکتريکي ASTM D257-99 هدايت الکتريکي
    دانسيته بالک استاندارد اصلاح شده ASTM D IS09-99 توزيع/ هدايت الکتريکي
    درصد رطوبت ASTM E 394-00/DINS 3586 چسبندگي/ تخلخل
    درصد کاتاليست خلوص/ شيمي

    روشها و ابزار اندازهگيري براي مشخصه يابي نانولوله هاي کربني

    بسياري از روشهايي که امروزه به کار ميروند بين توليدکنندگان مختلف مشترک بوده و استانداردهاي آنها موجود است. صنايع مختلف براي استفاده از روشها و استانداردهاي مشترک بايد به اجماع برسند. استاندارد ساير روشها (از قبيل پارگي الياف ابعاد و طول) هنوز تهيه نشده است. روشهاي فعلي تعيين ويژگيه زمانبر گران و نيازمند ابزار اندازهگيري جديد است. نکات مهم در مقوله مشخصه يابي به شرح زير است:
    روشهاي اندازهگيري و مشخصه يابي که در حال حاضر براي ارزيابي نانولوله هاي کربني استفاده ميشوند
    تست روش مشخصهيابي خلوص
    آناليز SEM (کربن B) DIN VS3242-1 مکانها و ساختارهاي مرجع سطحي
    آناليز TEM TEM ويسکوزيته
    بررسي سطح ويژه DIN 66731/ISO 4652-1 (کربن B) ترشوندگي
    اندازهگيري انرژي سطحي کروماتوگرافي گازي معکوس چسبندگي/ ترشوندگي
    شيمي سطح طيفسنجي نوري اشعه X
    از روشهاي مختلف موجود بايد براي تست همه محصولات استفاده كرد. استانداردها و روشهاي موجود نظير درصد نانولوله هاي کربني طول و قطرها هنوز توسط نيافتهاند. روشهاي شناسايي با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني موجود بسيار کند و گران قيمت است و براي نمونه هاي بالک قابل استفاده نيست.
    برگه اطلاعات فني مواد
    در تهيه استاندارد براي نانولوله هاي کربني بايد مدل واحدي براي برگه هاي اطلاعات فني ارائه گردد تا مشتريان قادر باشند به راحتي خواص مواد توليدکنندگان مختلف را بررسي و مقايسه نمايند. نکاتي که در مباحث اندازهگيري خواص بايد مورد توجه قرار گيرد عبارتند از:
    پارامترهاي مورد نياز براي کنترل کيفيت محصولات حاوي نانولوله هاي کربني
    بررسيهاي ساختاري بررسي سطحي بررسي سطحي
    دانسيته بالک سطح ويژه سطح ويژه
    دانسيته ظاهري انرژي سطحي انرژي سطحي
    هدايت الکتريکي PH PH
    هدايت گرمايي محتوي درصد اتمي C,N,S,O محتوي درصد اتمي C,N,S,O
    قطر محتوي PAH محتوي PAH
    طول محتوي آب محتوي آب
    مدول يانگ نوع تخلخل (ميکرو / مزو) نوع تخلخل (ميکرو / مزو)

    بررسي امکان انطباق روشهاي آزموني که در حال حاضر در صنعت کربن سياه مورد استفاده قرار ميگيرند کاربردهاي جديد مورد نياز روشهاي استاندارد به دستآمده و آزمونهاي غير استاندارد موجود تستهاي استاندارد ASTM که براي ارزيابي صنعت کربن سياه ارائه ميشوند به قرار زير است:

    هيدروکربنهاي پليآروماتيک
    مقاومت الکتريکي بالک و توده محصول
    دانسيته بالک محصول
    درصد رطوبت محصول
    درصد کاتاليست در محصول 2. نياز به دستورالعملهاي آزمون استاندارد شده 3. بررسي آزمونهاي غير استاندارد شامل تحليل SEM تحليل TEM سطح ويژه نمونه انرژي سطح شيمي سطح.

    نانولوله هاي کربني؛ تداوم ابتکارات و چالش ها

    اصولاً نانولوله هاي کربني نانوساختارهاي خودساماني هستند که از صفحات اتمهاي کربن شش ضلعي که به شكل استوانههايي قرار گرفتهاند ساخته ميشوند. نانولوله ها به عنوان مدلهايي از دانش نانو و شاخههاي مرتبط با آن توجه زيادي را به خود جلب کردهاند. اين علاقه ويژه به نانولوله ها از ساختار و ويژگيهاي بينظير آنها سرچشمه ميگيرد؛ ويژگيهايي همچون:
    • اندازه بسيار کوچک ( قطر كمتر از 0.42 نانومتر)
    • حالت فلزي و نيمهرسانايي آنها بر حسب شکل هندسيشان
    • برخورداري از خاصيت منحصر به فرد ترابري پرتابهاي
    • قدرت رسانايي گرمايي خيلي بالا
    اکنون پژوهشها در مورد نانولوله ها به مرحلهاي رسيده است که ارائه دهنده فهم خوبي از ساختار، ويژگيها و همچنين روابط دروني آنها ميباشد. از سوي ديگر موانع بزرگي در اين دانش بر اثر فقدان فهم دقيق از مکانيسم رشد و همچنين نداشتن کنترل بر روي شيوه ترکيب نانولوله ها در جهت دستيابي به قطر و ساختار مورد نظر به وجود آمده است.
    هم اکنون نتايج جالبي در خصوص ويژگي هاي ساختماني، الکترونيکي، نوري و همچنين رسانايي اين ساختارهاي ريز و منظم حاصل شده است. اين تحقيق به گونهاي مطلوب، پيشرفتهاي فعلي و ماهيت تحقيقات آينده را نشان ميدهد.
    نانولوله ها در الکترودهاي باتري و حسگرهاي نانوالکترونيکي كاربرد دارند.
    نانولوله هاي كربني تک جداره کربن (SWNT) فقط از کربن و يک ساختار ساده (ورقهاي از شش ضلعيهاي منظم) تشکيل شدهاند.
    برخي پيشبينيهاي تئوري، حاكي از آن است كه که SWNTها ميتوانند فلزي يا نيمه رسانا باشند، البته اين احتمالات پيش از آن كه در آزمايشگاه بررسي شوند، مطرح شده است. از آغاز تحقيق بر روي SWNT، از آنها به عنوان يک پديده تک بعدي نام برده ميشد، تا اين که اين تئوري مرحله به مرحله پيشرفت کرد. اكنون که نانولوله ها از ساير مواد شيميايي ساخته شدهاند، ميتوان به گستره وسيعي از ويژگيهاي نوين دست پيدا كرد.
    بررسي تفاوت نانولوله هاي تک بعدي با نانوسيمهاي تک بعدي همجنس، اطلاعات جالب و مفيدي را ارائه ميکند.
    تحقيقات در زمينه نانولولهها اکنون به جايي رسيده است که فهم خوبي از ساختار، ويژگيها و روابط دروني آنها، دست آمده است.
    بسياري از پديدههاي غير قابل انتظار که در گرافيت اتفاق نميافتند، در نانولوله ها کشف شدهاند که اين پديده نه فقط به فناوري نانولوله ها بلکه به همه شاخه هاي دانش نانو، انرژي و حياتي دوباره بخشيده است.
    از آغاز، تاکيد عمده تحقيق نانولوله ها بر روي بخش سنتز بوده است که مهمترين مرحله فناوري نانولوله ها است. از سويي پيشرفت سريعي صورت گرفته تا کنترل بر روي فرآيند سنتز افزايش يابد، قطر نانولوله ها باريکتر شود، نقصها و ناخالصيها به حداقل برسد و کارايي توليد افزايش يابد.

    عمدهترين كاوش ها در کنترل سنتز نانولوله ها شامل موارد ذيل ميشود:
    • سنتز خوشه هاي کاتاليزوري مولکولي با شکل و ابعاد مشخص با دقت اتمي؛
    • رشد آرام؛
    • سنتز کاتاليزوري در دماي پايين؛
    • توسعه رشد برنامهريزي شده با امکان کنترل زياد اندازه و جهت نانولوله ها؛ سنتز پيچيده و سازماندهي شده شبكه يا آرايه هايي از نانولوله ها روي مواد درشت مقياس؛

    از آنجايي که SWNTها به همراه تعداد متنوعي از انواع کربن، ذرات کاتاليزوري و ساير مواد ناخواسته رشد ميکنند، توجه زيادي صرف خالصسازي نانولوله ها شده است. اين امر منجر به پيدايش روشهايي در جهت مشخص كردن درجه خلوص نانولوله ها و طبقه بندي آنها بر حسب طول، قطر و... گرديده است.
    اين مسئله به تفصيل در مقالهاي به وسيله هادون بيان شده است. مساله سنتز و جداسازي هم در مقالة ليو آمده است. اين دو مقاله به سمت ارائه دستاوردهايي حركت ميكنند که ممکن است نهايتاً به کنترل کامل فرآيند سنتز نانولوله ها بيانجامند.
    با بهبود سنتز، مشکلات موجود در فرآيند جداسازي و خالصسازي را ميتوان به مقدار زيادي کم و يا به کل رفع نمود.از سوي ديگر، اگر روشهاي جداسازي و خالصسازي دقيق توسعه داده شوند، ميتوان موانع رشد را رديابي كرد. همگرايي و ترکيب اين دو بخش، ميتواند منجر به تثبيت توليد نانولوله هايي با قطر و پيچش معين گردد.
    پر کردن نانولولهها با فلورينها راهي به سوي استفاده از نانولوله ها به عنوان يك قالب براي بسياري از نانوساختارهاي جديد ميباشد. علاوه بر اين، تبديل حرارتي فلورينهاي كپسوله شده به يک نانولوله کربني، منجر به دوجداره شدن آن ميگردد. نانولوله هاي كربني دو جداره (DWNTها) يک الگوي اوليه براي مطالعه كمي ساختار و ويژگيهاي نانولوله هاي چندجداره (MWNT) ميباشد.
    به دليل پايداري و ماندگاري دوجدارهها و چندجدارهها نسبت به تك جدارهها، اين نانولوله ها در كاربردهايي که مقاومت مکانيکي، سختي و هدايت گرمايي بالايي را طلب ميكند از توان بيشتري برخوردارند.
    فضاي موجود در هسته خالي نانولوله ها و سطح پيوسته داخلي آنها ميتواند به خلق ساختارهاي غير معمول بيانجامد.
    گامهاي بلندي در سنتز ساختارهاي جديد و توصيف ساختاري آنها برداشته شده است؛ اما هنوز بررسي نشده که چگونه اين ذرات ميتوانند به ساختارهاي جديد نانوسيمها مربوط شوند و نانوسيمها چگونه به مواد تودهاي سه بعدي ارتباط پيدا ميكنند.
    گستره وسيعي از تحقيقات جالب نشان دهنده شکلگيري نانوسيمهاي درون وجهي (endohedral) در درون SWNTها ميباشد.
    با توجه به اندازهگيري و خواص، بيشترين توجه به مطالعات بر روي خصوصيات انتقالي مشاهده شده در ترانزيستورهاي اثر ميداني FET ؛يعني ترابري پرتابهاي، اثرات ترانزيستور تکالکتروني، چگالي بالاي جريان، عملکرد خوب FET و برخورداري از كاركردهاي متنوع، معطوف شده است.
    در حالي که قدرت تحرک بالا و انتقال بالستيک تا حدي به سبب تکامل ساختاري نانولوله ها ميباشد، ولي پايداري شيميايي و استحكام نانولوله ها آنها را در بين ساير مواد الکترونيکي، بينظير ساخته است. دستاوردهاي اخير در زمينه خصوصيات انتقال الکترون در نانولوله هاي نيمهرسانا و فلزي يک جداره، در مقالهاي از مك اوئن و پارك توضيح داده شدهاند.
    همچنين فيزيک نوري در نانولوله ها به عنوان ابزاري براي مطالعه الکترون و پديده اپتوالکترونيک، توجه زيادي را به خود جلب کرده است. پيشرفتها در اين زمينه و چالشهاي بعدي، در مقالهاي از جوريو عرضه شده است.
    از آنجا که پراکندگي، رامان، جذب و انتشار نوري در SWNTها، به حالت الكترونيكي تک جداره بستگي داشته و فرآيندهايي بسامد افزا هستند، اين خواص، روش آساني را براي بيان توزيع قطر و توزيع خاصيت فلزي SWNTها در يک نمونه ارائه ميدهند.
    امروزه در روند تحقيق درباره نانولوله ها توجه و تأكيد ويژهاي بر روي استفاده از نانولوله ها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگراني كه در دانشگاهها و آزمايشگاههاي تحقيقاتي سرتاسر دنيا بر روي نانولوله ها كار ميكنند با خوشبيني پيشبيني ميكنند كه در آيندهاي نزديك نانولوله ها كاربردهاي صنعتي وسيعي خواهند داشت. در حال حاضر بيشترين كاربرد MWNTها در مواد كامپوزيت براي افزايش استحكام آنها و در باتريهاي ليتيومي براي بهبود عملكرد و طول عمر آنها ميباشد.
    هم اکنون امکان ساخت ابزارهاي بسيار جالبي وجوود دارد، اما در خصوص موفقيت تجاري آنها، بايد در آينده قضاوت كرد.
    تقريباً تمام مقالات بهطور ضمني به كاربرد نانولوله ها و بهرهبرداري تجاري از آنها در آينده اشاره دارند. آينده كاربرد نانولوله ها در بخش الکترونيک روشن است. خصوصيات الکتريکي و پايداري شيميايي بيبديل نانولوله ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از اين خواص سوق مي دهد.
    نانولوله ها در آستانه کاربرد در ترانزيستورهاي سريع هستند؛ اما آنها هنوز هم در اتصالات داخلي استفاده ميشود. بسياري از طراحان دستگاهها تمايل دارند به پيشرفتهايي دست پيدا كنند كه آنها را به افزايش تعداد اتصالات داخلي دستگاه ها در فضاي كوچكتر، قادر نمايد. در اينجا نانولوله ها وعده هاي بزرگي را با خود به همراه دارند؛ نانولوله هايي به عنوان حسگرهاي مواد زيستي و شيميايي خصوصا در ساختارهاي مينياتوري پيچيده، نويد بخش هستند.
    در چند سال اخير تعامل بين نانولوله ها و سيستم هاي زيستي شامل پروتئينها، DNA و سلولهاي زنده به طور مداوم افزايش پيدا كرده است. اين بخش يک قسمت جذاب و نسبتاً جديدي از دانش نانولوله ها است.
    تا به حال نتايج و دستاوردهاي جالبي از تحقيق در خصوص نانولوله ها به دست آمده است. البته ميتوان منتظر يافته هاي بسيار فراواني در طي چند سال آينده نيز بود.
    ذخيرهسازي متان در نانولوله هاي کربني
    يکي از مسائلي که امروزه در مبحث انرژي مطرح است، چگونگي ذخيره سازي سوخت هاي پاکي مانند هيدروژن، متان و... براي كاربردهاي مختلف است. در حالت عمومي ذخيره سازي گاز طبيعي فشرده در وسايط نقليه در سيلندرهاي استيل سنگين و در فشارهاي بالا (20 تا 30 مگا پاسكال)صورت ميپذيرد در حاليكه ذخيره سازي گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظه هاي سبك و با فشارهاي نسبتا پائيني (در حدود 4 مگا پاسكال)صورت ميپذيرد، بنابراين ذخيره سازي گاز طبيعي به روش ANG ميتواند يك انتخاب بسيار موثرتر باشد زيرا در فشارهاي پايين هزينههاي كمتري صرف ذخيره سازي ميشود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذبهاي متنوعي مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقي كربيد(CDC)، زئوليتها و نانولوله هاي كربني تك ديواره(SWCNT)، نانولولههاي كربني چند ديواره(MWCNT)و... صورت ميپذيرد. در اين مقاله مروري داريم بر مكانيزم ذخيره سازي گاز متان با استفاده از نانولوله هاي كربني و در نهايت نتايج كار محققان مختلف را در زمينه ذخيره سازي گازها با استفاده از نانو ساختارهاي كربني، مورد ارزيابي و مقايسه قرار ميدهيم.
    مقدمه
    جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليتها، كربن فعال شده (AC) غربالهاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولوله هاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله هاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) ميباشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولوله هاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولوله هاي كربني چند ديواره محدود ميباشد. اما در بررسيهاي انجام شده به نظر ميرسد، خواص جذب گاز روي SWCNTها و MWCNTها كاملاً متفاوت ميباشد.
    مکانيزم جذب متان توسط نانولوله هاي کربني

    در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرينها ونانولوله هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن هاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس ميدهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند.
    Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکولهاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قويتر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننتهاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيفتر در 70 تا 129 درجه کلوين است.
    شكل1- سيستم ذخيره سازي گاز به روش ANG
    بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژنهاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكولهاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر ميگيرد. به طوري كه متان بهطور قويتري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير.
    از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه هاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترونهاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر ميگذارد به صورتي که روي اتمهاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود ميآيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله هاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد.
    در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور ميکند. دراين حالت چون اتمهاي هيدروژن مولکولهاي متان به خاطر کشيده شدن الکترونها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل ميدهند. اين يون ميتواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني در واکنشهاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد ميکند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT ميشود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکولهاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب ميشوند.

    اين پديده ميتواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.

    ذخيره سازي گاز به روش ANG

    شكل 1 سيستم ذخيره سازي گاز به روش ANG را نشان ميدهد. به منظور كنترل دماي فرايند، سلول بارگيري(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطي در يك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمايش بايستي ناخالصيهاي سلول جذب را توسط يك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گيري كرد، زمانيكه دما در سلولهاي بارگيري و جاذب به حد مطلوب رسيد (حالت تعادل اوليه) آزمايش شروع ميشود. ميزان فشار و دما در سلولها همانطور كه در شكل نشان داده شده است به يك ركوردر موبايل گزارش ميشود و به اين صورت زمان تعادل واكنش در هنگاميكه فشار و دماي فرايند ثابت باقي ماند (حالت تعادل دوم) مشخص ميشود سپس با موازنه جرم (معادله 1) بر مبناي دما و فشار اندازه گيري شده قبل و بعد از حالت تعادل ميتوان ظرفيت جاذب را تعيين كرد.
    كه در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولكولي، Z، ضريب تراكم پذيري گاز و Nتعداد مولكولهاي جذب شده است. زيرنويس 1 نشان دهنده وضعيت تعادلي اوليه و زيرنويس 2 نشان دهنده وضعيت تعادلي نهايي است.

    مروري بر ذخيره سازي گاز متان در نانو ساختارها

    شكل2- جذب متان در شرايط آزمايشگاهي با دماي 303 درجه كلوين (■)روي SWNHs فشرده شده، و ايزوترمهاي شبيه سازي شده (-) در SWNTs آرايه مربعي و (---) آرايه مثلثي
    Elena Bekyarova توسط اشتعال ليزري گرافيت، نانوهورنهاي (نانوشاخ) كربني تك ديوارهاي (SWNH) را براي ذخيره سازي گاز متان، در دماي اتاق و بدون كاتاليست، توليد كرد (شكل 2). سايز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل ميشود. اين ساختارهاي كربني در آرگون با فشار760 تور آماده ميشوند. بخار كربن ذرات گرافيتي را با سايز يكنواختي در حدود 80 نانومتر توليد ميكند كه از SWNHsبا قطر حدودا 2 تا 3 نانومتر تركيب شدهاند. دانسيته توده كه در اين روش ذخيره سازي گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار 50 مگا پاسكال زير خلاء)، 0.97 گرم بر سانتيمتر مكعب ميباشد. همانطور كه در شكل 2 مشاهده ميشود ايزوترمهاي جذب متان با دماي 303 كلوين در اين آزمايش بر اساس طبقه بندي BDDT از نوع I ميباشند. دادههاي آزمايشگاهي جاذب SWNHs با دادههاي SWNTهاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي شبيه سازي شده، مقايسه شدند. ايزترمهاي نانولوله هاي سرباز(opened-end) آرايه مربعي و آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر(فاصله بين ديوارهها و لولههاي مجاور) با استفاده از روش GCMC شبيه سازي شده اند. در فشارهاي كم، ظرفيت جاذب SWNHها مشابه با SWNTهاي آرايه مربعي ميباشد اما در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال نانولولههاي تك ديواره آرايه مثلثي ظرفيت بيشتري را براي جذب گاز متان نشان ميدهند بنابراين آرايش لوله ها در SWNTها ميتواند فاكتور مهمي در ذخيره سازي گاز متان باشد. ظرفيت ذخيره سازي جاذبهاي SWNHفشرده شده در دماي 303 كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال، حدود 160 cm3/cm3 و ظرفيت ذخيره سازي جاذبهاي SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دماي اتاق و فشار 4 مگا پاسكال 198گرم بر متر مكعب ميباشد و اين در حالي است كه ظرفيت ذخيره سازي كربن فعال شده در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال در حدود 96 cm3/cm3 است.

    متاسفانه گزارشهاي آزمايشگاهي و تحقيقاتي اندكي درباره ذخيره سازي متان روي آرايههاي SWNT موجود است. Murise و همكارانش تنها رفتار فازي وجذبي متان روي نانولوله هاي تك ديواره را در دماهاي پايين بررسي كردند.[6] Talapatra و همكارانش بطورآزمايشگاهي ميزان جذب گازهاي متان، گزنون و نئون را روي دستههاي SWNTاندازه گيري كردند و بطور غيرمنتظره اي مشاهده كردند كه هيچ گازي در فواصل بين آرايه اي SWNT جذب نشده است. [7]با اين وجود اين بدان معنا نيست كه فواصل بين آرايههاي SWNT ديگر نمي توانند گاز را جذب كنند. پس از مدتي، در يك مقاله ديگر از همان گروه مشاهده شد كه گاز متان ميتواند در دستههاي SWNT سردسته (Closed-end)، جذب شود.بنابر اين مشاهدات و مقايسه آنها با شبيه سازيهايBekyarova ميتوان به اين نتيجه رسيد كه فاصله واندروالس يك فاكتور اوليه موثر روي ميزان جذب متان در فواصل بين آرايه هاي SWNT است (شكل3 ). در پي اين نتيجه، Cao و همكارانش تحقيقات خود را در راستاي بهينه سازي فاصله واندروالس بين لولهها در آرايههاي SWNT ادامه دادند. اين گروه با استفاده از روش مونت كارلو جذب متان را روي SWNTهاي آرايه مثلثي در دماي اتاق بررسي كردند. در ديواره اين نانولوله ها اتمهاي كربن به صورت آرميچير قرار گرفتهاند. از نتايج اين كار مشخص شد كه SWNT با آرايه مثلثي و فاصله واندروالسي 0.8 نانومتر بيشترين مقدار گاز متان را در دماي اتاق جذب ميكند. در فشار 4.1 مگا پاسكال ظرفيت حجمي و ظرفيت جرمي جذب متان روي آرايههاي SWNT(15,15) با فاصله واندروالسي0.8 نانومتر216 v/v و215g CH4/Kg است.
    شكل3- برش عرضي از آرايههاي مثلثي نانولوله هاي تك ديواره
    همانطور كه گفته شد مطالعات و تحقيقات جذب گاز متان روي نانولوله هاي كربني چند لايه نسبت به نانولوله هاي كربني تك لايه محدودتر ميباشد. از جمله كساني كه در اين زمينه كار كرده است Sunny E.Iykenv از كشور مالزي است. وي توانست نانولوله هاي كربني چند ديواره را با تكنيك رسوبدهي بخار شيميايي كاتاليست شناور(FCCVD) توليد كند. اين تكنيك ميتواند در توليد انبوه نانولولههاي چند ديواره با هيبريدهاي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. نانولوله هاي كربني با هيبريد SP2 داراي بزرگترين سايز روزنه هستند. سايز روزنه در SP2 44.4 نانومتر و در SP1 وSP3 وSP4 به ترتيب برابر 9.1و8.9و8.7 نانومتر است. گاز متان بصورت مايع و شبه جامد روي نانولولههاي توليد شده جذب ميشود. ايزوترم هاي بدست آمده از آناليزر BET در اين آزمايش در شكل 5 نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده ميشود، ايزوترمهاي جذب براي كربنهاي SP1 و SP2از نوع III ميباشند در حاليكه ايزوترم هاي جذب متان براي كربن SP3 داراي سه نقطه اوج است كه احتمالا مربوط به تغيير فاز ميباشند. از اين گذشته ايزوترم دماي 15 درجه سانتيگراد داراي دو نقطه اوج ميباشد كه نمايشگر نقاط تغيير فاز ميباشند. در اين آزمايش مشاهده ميشود كه جذب متان توسط نانولوله هاي كربني چندلايه نسبتا پايين است در حاليكه با افزايش فشار بر مقدار گاز جذب شده اضافه ميشود.
    شكل4- تصاويرTEM از پنج نمونه CNT(SP2F,SP1,SP1,SP3,SP4) كه نمونه آخر داراي متان جذب شده است.
    پس از آن در آزمايشهايي كه توسطJae-Wook Lee انجام شد، نانولوله هاي كربني چند ديواره با روش رسوب دهي بخار شيميايي(CVD) با طول يكنواخت و قطر مشخص ساخته شدند، شكل10 تصاوير TEMوSEM نانولوله هاي چندلايه كربني ساخته شده را نشان ميدهد. ضخامت ديوارهها در حدود 15 تا 20 نانومتر و طول آنها در حدود 20 تا 30 ميكرومتر و دانسيته توده در حدود 0.005 تا 0.006 گرم بر سانتي متر مكعب است. در اين آزمايش گاز متان مورد استفاده داراي خلوص 99.9 درصد است. نتايج آزمايشگاهي كه در اين روش بدست آمده است در دماهاي 301.15 و313.15 و323.15 كلوين و در فشاري تا 3 مگا پاسكال موجود ميباشد كه در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور كه از اين جدول پيداست ظرفيت نانولوله هاي چند ديوارهكربني در فشارهاي پايين تر از 1.5 مگا پاسكال بسيار كم ميباشد در حاليكه در فشارهاي بالاتر نيز ميعان موئينگي رخ ميدهد. به علاوه فشار ميعان موئينگي با دما افزايش مييابد. در شكل 6 ايزوترمهاي جذب متان نشان داده شده اندكه مشاهده ميشود ايزوترمهاي جذب متان در گستره دمايي اين آزمايش، از نوعIV ميباشند.
    شكل5- ايزوترمهاي جذب/دفع متان در CNTها، (a) دفع متان از SP2 در دماهاي مختلف. (b) جذب متان روي SP1,SP2 (در دماهاي مختلف) وSP3
    شكل6- ايزوترمهاي جذب متان روي نانولوله هاي كربني چند ديواره

    نتيجه گيري
    بررسي جذب گاز درنانو ساختارها نشان ميدهد كه پارامترهاي روزنه و دانسيته جادب ميتواند در ميزان جذب گاز بسيار موثر باشد به طوري كه خواص روزنهها در SWNHهاي فشرده شده به گونه اي است كه در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال، ظرفيت ذخيره سازي گاز متان اين نوع جاذب 160 v/v ميباشد. در ارتباط با SWNTها ميتوان گفت كه آرايش آنها و فاصله واندروالسي در آنها از پارامترهاي مهم در ميزان ذخيره سازي گاز طبيعي ميباشد. همانطور كه در نمودار شكل 2 نشان داده شده است، ميزان جذب گاز در SWNTهاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي در فشارهاي پايين تقريبا يكسان است و اين ميزان در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال در SWNTهاي آرايه مثلثي افزايش مييابد. همچنين SWNTهاي آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر در فشار 4.11 مگاپاسكال ظرفيتي در حدود 170 v/v براي ذخيره سازي گاز متان دارند در حاليكه اين ظرفيت در SWNTهاي بهينه شده با فاصله واندروالسي 0.8 نانومتردر شرايط يكسان به 216 v/v ميرسد كه حتي بيشتر از ظرفيت ذخيره سازي CNGدر فشارهاي 20 تا 30 ميباشد(200 v/v).


    امكان ابررسانايي دماي اتاق در نانو لوله هاي كربني


    كشف ابررساناهاي سراميكي گرم در سال 1986[1] را، انقلاب علمي قرن بيستم نام نهادند و ارزش آن را حتي از كشف ترانزيستور بالاتر پنداشتند. جايزه نوبل سال 1987 نيز به كاشفان آن تعلق گرفت. پيشرفتهاي زياد، در ساخت ابررساناهاي گرم، و اميد به رسيدن به تركيبي كه بتواند در دماي اتاق ابررسانا باشد، دنياي فيزيك را به فعاليتي شبانه روزي واداشت. طي 5 سال بعد از كشف ابررساناهاي گرم، دماي بحراني ابررسانايي در تركيبات جيوه دار به K134 رسيد دمايي كه 5 سال قبل از آن در تصور هيچ فيزيكداني نمي گنجيد. متاسفانه اين دماي بحراني هنوز به صورت يك ركورد باقي مانده است و تركيب جديدي با دماي بحراني بالاتر كشف نگرديده است. اين ركود قدري فعاليت فيزيكدانان را در اين زمينه كمتر كرد و كم كم اين سوال پيش آمد كه آيا براي رسيدن به ابررسانايي دماي اتاق بايد سيستمهاي سراميكي را كنار گذاشت و به سراغ سيستمهاي ديگري رفت؟
    با كشف ابررسانايي در فولرنها و نانو لوله هاي كربني حوضه جديدي در فيزيك گشوده شد.
    پس از كشف كربن 60 در سال 1985 توسط Kroto و همكارانش از دانشگاه ساسكس و با توجه به كاربردهايي كه براي آن متصور شدند مجدداٌ آن را انقلاب علمي جديدي پنداشتند. آلاييدن كربن 60 با فلزات قليايي خاكي، ابررسانايي را به دنبال داشت. در تركيبات A3C60 (Aفلزات قليايي خاكي) ابررسانايي تا K 33 در تركيب RbCs2C60 كشف گرديد. در كربن 60 دوپ شده با حفره ، ابررسانايي در K52 بدست آمد [4]. همچنين در تركيب C60/CHCl3 و C60/CHBr3 ابررسانايي به ترتيب در K70 و K117 مشاهده گرديد .
    آنچه كه موضوع را مهيج مي كند امكان بروز ابررسانايي دماي اتاق در نانو لوله هاي كربني است. ابررسانايي دماي اتاق كه فيزيكدانان آن را در سيستمهاي سراميكي دنبال مي كردند و افق روشني براي آن نمی ديدند آنان را واداشته تا ابررسانايي دماي اتاق را در نانو لوله هاي كربني دنبال كنند. به همين منظور فعاليتهاي وسيعي در اين زمينه شروع شده است كه آن را با كشف ابررسانايي گرم مقايسه مي كنند.
    در سال 1991 محققين ژاپني در حين ساختC60 اشياء سوزني شكلي بر روي الكترود منفي دستگاه ايجاد كننده قوس الكتريكي يافتند. آزمايشهاي متعدد نشان داد كه اين اشياء سوزني شكل، صفحات گرافيتي لوله شده اي هستند كه داراي قطري در محدوده nm 1 وطولي در حدود ميكرومتر هستند. اين نانو لوله ها كه مي توانند تك جداره (SWNT) و يا چند جداره (MWNT) باشند داراي نوك مخروطي شكل و بسته اي هستند و اين امكان را دارند تا به روش هاي شيميايي باز شده وبا ذخيره كردن مواد خاصي در آنها مثل ئيدروژن، Ni و يا Liاز آنها به عنوان پيلهاي سوختي با عمر طولاني ويا كاربردهاي متعدد ديگر استفاده كرد. مطالعه فيزيكي اين نانو لوله ها با ضخامتهاي بسيار كم به عنوان يك سيستم شبه يك بعدي، مورد توجه شديد فيزيكدانان قرار گرفته است. يك مطالعه نظري نشان می دهد كه دريک سيستم شبه يك بعدي امكان بروز ابررسانايي حتی تا K500 وجود دارد. عامل بروز ابررسانايي مدهاي پلاسموني آكوستيكی غير ميرا در سيستم شبه يك بعدي مي باشد.علاوه بر اين ابررسانايی دمای بالا می تواند در يک سيستم الکترونيکی چند لايه به واسطه جاذبه حامل های بار در يک لايه رسانا از طريق تعويض پلاسمونهای مجازي در لايه مجاور رخ دهد.
    با توجه به اين تئوريها، نانولوله های کربنی تک جداره(SWNT)و چند جداره (MWNT) با توجه به ضخامت آنها (1 nm) كه به طور منحصر به فردي شبه يك بعدي اند براي بروز ابررسانايي دماي بالا با واسطه پلاسموني ايده آل به نظر مي رسند. ضمن اينكه نانو لوله هاي چند جداره هم يك بعدي اند و هم داراي ساختار الكترونيكي چند لايه مي باشند. مطالعات ديگر نشان مي دهد[8] كه نانو لوله هاي كربني بستر مناسبي براي حركت زوج كوپر فراهم مي آورند و به عبارتي رساناي زوج كوپر ميباشند(در ابررساناها، حامل هاي بار زوج الكترونهايي هستند كه توسط عوامل مختلف همديگر را به جاي دفع، جذب مي كنند و همين جاذبه عامل ابررسانايي است. اين زوج الكترون را زوج كوپر مي نامند). كشف ابررسانايي K 15 در نانو لوله هاي كربني خالص [9،10] نه تنها حيرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضايايي را كه حدود 40 سال پيش انتقال فاز را در سيستم هاي يك و يا دو بعدي ممنوع مي دانستند رد كرده است.
    Zhao و همکارانش [11] دلايل متعددي را ارائه كرده اند كه مي توان ابررسانايي دماي اتاق را در نانو لوله های کربنی يافت. آنها بيش از 20 دليل ارائه كرده اند كه اين نانو لوله ها ي كربني از خود خواصي را نشان مي دهند كه بيانگر ابررسانايي دماي اتاق در آنها است.
    آنچه كه جالب است تلاقي دو انقلاب علمی يعني ابررسانايي و نانو تكنولوژي است. بي شك ابررسانايي دماي اتاق رويايي در ذهن فيزيكدانان است. خصوصاٌ اينكه ماده اي در ابعاد نانو در دماي اتاق بتواند جريان الكتريسيته را بدون اتلاف حمل نمايد مي تواند كاربردهاي متعدد و غير قابل تصوري را در شاخه هاي مختلف علمي و صنعتي داشته باشد. كشف ابررسانايي دماي اتاق جايزه نوبل را نصيب كاشفان آن مي كند و به نظر مي رسد كه اين كاشفان بايد اميدهاي خود را در نانو لوله هاي كربني جستجو كنند.
    استفاده از نانولوله هاي کربني در پيلهاي خورشيدي
    براي افزايش بازدهي تبديل انرژي نور خورشيد، روشها و ابداعات جديدي مورد نياز است. در اين مسير استفاده از نانولولههاي کربني در سيستمهاي جمعآوري فوتون (ذرات نور) مسيري جديد در طراحي اين سيستمها به وجود آوردهاست. اين مقاله به بحث دربارة روشهاي استفاده از نانولوله هاي کربني به عنوان الکترودهاي حساس به فوتون و نقش آنها در تبديل انرژي خورشيدي به جريان الکتريسيته ميپردازد.
    سازمان ملل متحد، آييننامهاي را تحت عنوان تثبيت ميزان غلظت گازهاي گلخانه اي اتمسفر در حدي که بتواند از خطر تداخل آنتروپوژنيک (anthropogenic) با سيستم آب و هوايي جلوگيري کند، به عنوان يکي از پيماننامه هاي زيرساختاري قرار دادهاست؛ اين در حالي است که تا سال 2050 ميلادي ده تريليون وات (TW) انرژي بدون انتشار كربن بايد توليد شود که تقريباً معادل همة منابع انرژيهاي موجود تا به امروز است.
    براي مواجه شدن با افزايش تقاضاي انرژي در آيندهاي نزديک، چارهاي جز جستجوي منابع انرژي پاک که از نظر پسماند نيز مشکلي نداشته باشند، وجود ندارد. سوختهاي فسيلي و مشتقات آنها، سوخت هسته اي و سوخت هاي تجديدپذير از اصلي ترين منابع تأمين کنندة ده تريليون وات انرژي در سالهاي آتي هستند.
    در ميان انرژي هاي تجديدپذير (مثل باد، آب، زمين گرمايي (hydrogeothermal) ، خورشيد)، انرژي خورشيدي به عنوان يک منبع انرژي تمامناشدني يکي از قابل قبولترين منابع براي دستيابي به اين تقاضاي انرژي در آينده است. فعلاً انرژي توليدشده از نور خورشيد کمتر از 01/0 درصد از تقاضاي انرژي در جهان است. اگر چه انرژي خورشيدي و تشعشعات آن در مقالات و تحقيقات زيادي مورد بررسي قرار گرفته است ولي بهمنظور دستيابي به روشهاي اقتصاديتر و داراي راندمان بالا براي جمع آوري فوتونها نوآوري هايي لازم است.
    طي دهة اخير نانومواد به عنوان سيستم هايي جديد براي جمع آوري انرژي نور مطرح شدهاند. خواص کمنظير الکتريکي و الکتروني، پايداري بالاي الکتروشيميايي و سطح بالايي که اين گونه مواد ايجاد کردهاند انگيزة بسياري از محققان را در به خدمت گرفتن نانوساختارهاي کربني (مثل نانولولههاي تك ديواره) براي تبديل انرژيهاي مختلف برانگيخته است، به طور مثال فولرينها خواص فوتوشيميايي بالايي از خود نشان ميدهند و به عنوان پرتابه الکترون (electron shattle) در پيلهاي خورشيدي فوتوشيميايي عمل ميکنند. اين مواد در بهبود بازده پيلهاي فوتوولتائيک (photo voltaic) آلي نقش مهمي را ايفا ميکنند.
    در پيل هاي خورشيدي معمول فوتوشيميايي، لاية نيمههادي به عنوان الکترودهاي فوتواکتيو عمل ميکند که با تحريک نور مرئي، جفت الکترون- حفره ايجاد ميکنند. يکي از حاملهاي بار (مانند الکترون) بهسمت الکترود شمارنده رانده ميشود؛ در حالي که عامل بار ديگر (حفره) بهوسيلة جفت اكسايش - كاهش موجود در الکتروليت حذف ميشود و به اين ترتيب جرياني از فوتون ايجاد ميشود.
    نانولوله هاي تــــــکديواره (SWNT) و نانولـــــــوله هاي (stacked- cup (SCCNT، به عنوان دو نوع از بهترين نانولوله هاي کربني در تبديل انرژي خورشيدي در مقالات معرفي شدهاند. نانولوله ها به صورت معمول از شبکه هاي ششضلعي کربني تشکيل شدهاند كه مورفولوژي خاص آنها و در دسترس بودن سطوح داخلي و خارجي آنها براي افزودن عوامل شيميايي و اصلاح اين سطوح، کاربردهاي جديدي را براي اين مواد در فرايندهاي کاتاليستي و الکترونيکي به وجود آوردهاست.
    نانولوله هاي تکديوارة موجود شامل هر دو نوع نانولوله هاي فلزي و نانولوله هاي نيمه هادي با کايراليتي متفاوت هستند. تابع کار (work function) نانولوله هاي تکديواره حدود 8/4- الکترون ولت بر اساس ميزان خلاء مطلق (AVS) است. نانولوله ها داراي باندگپي در بازة صفر تا 1/1 الکترون ولت هستند که البته کاملاً به کايراليتي و قطر لوله ها بستگي دارد. هنگامي که باند گپ نانولوله هاي نيمههادي تحريک مي شود، دچار جداسازي بار ميشوند.
    از نانولوله هاي کربني در سلولهاي خورشيدي به دو صورت استفاده ميکنند (شکل 1) :
    1 - تحريک مستقيم باند گپ نانولوله هاي نيمه هادي؛
    2 - استفاده از نانولوله هاي رسانا به عنوان مجرايي براي عبور حامل هاي بار از نانوساختارهاي جمع کنندة نور.
    در بخش بعد روشي که نانولوله ها را به صورت لايه اي متراکم درآورده و به عنوان الکترود حساس به فوتون روي سطح رساناي پيلهاي خورشيدي مينشانند توضيح داده شده است.

    رسوب الکتريکي نانولوله هاي کربني تکديواره روي الکترود شيشه اي رسانا

    قدم اول در ساخت پيلهاي خورشيدي، سوار کردن نانولوله ها بهصورت فيلم نازک روي سطح الکترود است که در اين زمينه روشهاي مختلفي وجود دارد. در اين آزمايش از روش بسيار مؤثر رسوب الکترو فورتيک (electrophoretich) در نشاندن نانولوله هاي کربني روي سطح الکترود، استفاده شده است.
    ابتدا نانولوله هاي کربني به همراه نمک آمونيوم (تترا اُکتيل آمونيوم برمايد يا TOAB) در تتراهيدروفوران (THF) حل ميشوند. سپس اين سوسپانسيون به پيل الکترو فورتيک شامل دو الکترود موازي شفاف به نور (OTE) به ضخامت پنج نانومتر، انتقال مييابد. بعد از برقراري ولتاژ 40 ولت مستقيم (dc) نانولوله ها بهسمت الکترود مثبت رفته، بعد از دو تا سه دقيقه فيلم نازکي از نانولوله هاي تکديواره روي سطح الکترود رسوب ميکند (شکل 2) با افزايش زمان اعمال ولتاژ، ضخامت فيلم نانولوله هاي تکديواره افزايش مييابد. لايه تشکيلشده کاملاً قوي و براي اندازه گيري هاي الکتروشيميايي نيز مناسب است.

    هنگامي که ميدان مستقيم بين دو الکترود شيشهاي بيشتر از 100V/Cm باشد نانولوله ها به جاي رسوب روي سطح در عرض فضاي بين دو الکترود و بهصورت صفوف همخط و موازي روي هم رسوب ميکنند. اين تجمع نانولوله هاي کربني کاملاً از هم جدا بوده و به صورت بسيار جالب و مناسب در يک خط و به صورت عمود بر سطح الکترود قرار ميگيرند. نمونهاي از آن چه در ولتاژهاي بالا ايجاد شده در شکل (2) آورده شدهاست.
    بنابراين بهسادگي ميتوان جهتگيري و رسوبدهي لايههاي نانولولههاي تکديواره را با کنترل ولتاژ تغيير داد. به روشي مشابه ميتوان فيلم نانولوله هاي تکديواره و SCCNT ، را روي سطح الکترودهاي ديگري مثل صفحات بسيار نازک کربني رسوب داد. براي تعيين مورفولوژي الکترودهاي متشکل از نانولوله هاي تکديواره و SCCNT از ميکروسکوپ الکتروني روبشي SEM استفاده شده که تصاوير آن در شکل (3) آورده شدهاست.

    جداسازي بارهاي القاء شدة فوتوني در فيلم نانولوله هاي تکديواره

    از خواص جالب نانولولههاي کربني نيمههادي، توانايي آنها در پاسخدهي به نور است. به عنوان مثال در سالهاي اخير با استفاده از پاسخ الاستيک كلاف هاي موازي نانولوله هاي کربني که بين دو الکترود فلزي قرار گرفته بودند، خاصيت تحريکپذيري فوتوني فيلمهاي نانولولههاي کربني مشخص شده است. آوريس و همکارانش (Avouris) پديده لومينسانس حاملهاي تابشکنندة بار را بهوسيلة ترانزيستورهاي اثر- ميداني (FET) نانولولههاي کربني دوقطبي مشاهده کردند. الکترون- حفرهها به يک مدار خارجي تزريق ميشوند و با ترکيب مجدد آنها نور توليد ميشود.
    گزارشهاي اخير در مورد اثر فلوئورسانسي باند گپ از نمونه هاي نانولوله هاي نيمه هادي تك ديوارة منفرد، نشان ميدهد که امکان تصحيح خواص اپتيکي نانولوله به كمك نانولوله هاي منفرد وجود دارد. مطالعات اسپکتروسکپي نشان ميدهند که زمان ماندن جفت الکترون- حفره در لبة لايه حدود صد فمتوثانيه بعد از القاي فوتوني ون هو (van Hove) در ساختار لولهاي است. مطالعات اخير نشان دهندة توانايي ساختار لايهاي نانولولهها در جداسازي جفت الکترون- حفره بهوسيلة القاي نورمرئي است.

    بهمنظور استفاده از حاملهاي بار توليدشده بهوسيلة فوتون براي ايجاد جريان الکتريسيته، ترکيب مجدد حاملهاي بار محدود شده فضايي در نانولوله به وسيلة برهمکنش هاي کولمبي با پيوندهاي دوگانه که اکسايتون نام دارند، جفت ميشوند. اغلب اين اکسايتونها از سطوح بالاي 2 C و 2 V ، از طريق گذارهاي بين باندي به ترازهاي 1 C و 1 V زير گپ افت کرده، و بدين ترتيب يک اکسايتون زير باندگپ ثانويه (Second Sub-bandgap) را ميسازند.
    تنها کسر کوچکي از اكسايتون ها قادر به تجزيه شدن و تشکيل الکترون- حفره هاي جفت نشده هستند. جداسازي اكسايتونها بهدليل ايجاد حالت بارهاي تفکيکي نقش مهمي در توليد جريان فوتوني دارد.
    جداسازي بارها در نانولولهها بهوسيلة طيفسنجي با پروب پمپ ليزر فمتوثانيهاي (Femtosecond laser pump-probe spectroscopy) بهخوبي مورد تحليل و بررسي قرار ميگيرد. اين روش براي تحقيق در مورد فرايندهاي بسيار سريع که بر اثر تحريک نانولوله هاي کربني يا مواد نيمه هادي اتفاق ميافتند،بسيار مفيد است. در يک آزمايش واقعي، تغييرات جذب در نمونه در زمانهاي گذار متفاوت از طريق تحريک با يک پالس ليزري کوتاه ثبت شدهاست. طيفهاي جذبي مختلف در زمان هاي گذار مختلف با تحريک سوسپانسيون نانولولههاي تکديواره در HTF با پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 130 فمتوثانيه ثبت شده است. در شکل (5) نمونه اي از طيف جذب انتقالي و از بين رفتن جذب در پالس 700 نانومتر نشان داده شدهاست. القاي فوتوني باعث رنگبري (bleaching) جذب نانولوله هاي تکديواره در ناحية قرمز طيف ميشود. پهناي باند بيرنگ با تغيير قطر نانولولهها و زاويه کايرال و توده شدن ذرات تغيير ميکند و بيرنگ شدن در ناحية مرئي که مطابق انتقال V2-C2 است در کمتر از يک پيکوثانيه تجديد ميشود که از اين بابت شبيه به ايجاد باند الکترون- حفره و يا انتقال برانگيختگي به باند C1- V1 است. محققان مشاهده کردند که جمعآوري جفت الکترون- حفره در باند گپ اصلي V1-C1 و طول عمرشان (100-10 پيكوثانيه) بهشدت به برانگيختگي بستگي دارد. اين دانشمندان براساس تفاوت هايي که بين بازيافت جذب انتقالي و از بين رفتن گسيل ها وجود دارد معتقدند كه پيچيدگي هاي حالتهاي مختلف به دام انداختن بار، فاکتور مهمي در انتقال الکترونيکي محسوب ميشود.
    به طور کلي حضور چنين حالت هاي سطحي، در تثبيت حامل هاي بار توليدي و شرکت در توليد جريان فوتوني بسيار مؤثر است و با افزايش احتمال جمعآوري در سطح الکترود، افزايش جداسازي بارها نيز قطعي ميشود. بيرنگ شدن انتقالي که به دنبال القاي پالس ليزري ايجاد ميشود نشان دهندة تجمع تعداد قابل قبولي از حاملهاي بار روي نانولوله هاي تکديوارة موجود است. سؤالي که در اينجا مطرح ميشود چگونگي جمع آوري مناسب حامل هاي بار فوتوالقايي توليدشده روي نانولوله هاي تکديواره براي توليد جريان الکتريکي است، مانند آنچه در نيمه هاديهاي ديگر و پيلهاي فوتوولتائيک ديگر اتفاق ميافتد.

    سلولهاي خورشيدي فوتوالکتروشيميايي

    با استفاده از نانولوله هاي تکديواره و SCCNTهاي رسوبدادهشده به روش الکتروفورتيک، به عنوان الکترودهاي حساس در مقابل ذرههاي فوتون، ميتوان سلول هاي فوتوالکتروشيمي ساخت. با توليد زوج اكسايش- كاهش مانند (-I2/I3) در حلال استونيتريل ميتوان الکتروليت رسانايي بين فيلم نانولوله و الکترود شمارنده پلاتين به وجود آورد. شکلهاي (6) و (7) نشاندهندة پاسخ فيلم نانولوله هاي تکديواره در برخورد با نور گسيل شده است. نور برخوردي (با طول موج بزرگتر از 400 نانومتر) باعث برانگيخته شدن نانولوله هاي تکديواره ها و توليد حاملهاي بار ميشود. ايجاد آني جريان فوتوني را بعد از برانگيخته شدن در شکل (6) مشاهده ميکنيم. بيشترين جريان و ولتاژ ايجاد شده در اين آزمايش بهترتيب 8µA/Cm2 و 12mV است. بازدهي تبديل فوتوني بهصورت نسبت فوتونهاي گسيلشده به حاملهاي بار (IPCE) تعريف ميشود که با اندازهگيري جريان فوتوني در طول موجهاي القائي متفاوت به وجود آمدهاست. بيشترين مقدار IPCE در حدود 15/0 درصد در طول موج 400 نانومتر به دست آمده است، اين در حالي است که انتظار ميرفت اين مقدار براي پيل هاي خورشيدي فوتوشيميايي در بازة 90-80 درصد باشد. گرچه مقدار IPCE به دست آمده براي پيل هاي خورشيدي ايجادشده به وسيلة نانولوله ها نسبتاً کم است ولي قابليت تكرار و تجديدپذيري اثر فوتوالکتروشيميايي ميتواند باعث ايجاد جريان پايدار در زوج اكسايش- كاهش موجود (I2/I3-) شود.
    توليد جريان کاتدي فيلم نانولولههاي تکديواره سازوكاري را نشان ميدهد که در آن حفره هاي توليدشده به وسيلة فوتون در سطح OTE جمع ميشوند و در يک گردش خارجي به الكترود شمارنده انتقال مييابد. ايجاد مجدد زوج اكسايش- كاهش (I2/I3-)، باعث پاک شدن سطح الکترود از بارها ميشود که خود در رساندن جريان فوتوني به حالت پايدار نقش بسزايي دارد. مشاهدة جريان فوتوني کاتد باعث تقويت اين نظريه ميشود که نانولوله هاي تکديواره استفادهشده در اين تحقيق داراي خواص نيمه هادي نوع p هستند.
    قرار دادن لايهاي از SnO2 روي OTE ، سطح ويژه را براي جمعآوري بارهاي توليدشدة فوتوني افزايش ميدهد و همان طور که از نتايج نيز برميآيد اين افزايش سطح الکترود باعث سه برابر شدن جريان فوتوني در سيستم ميشود. نانولوله هاي کربني تك ديواره و يا چندديواره اغلب حالت توده شدن و تجمعي به خود ميگيرند؛ اما نانوذرات SCCNT هنگامي که روي سطح الکترود رسوب ميکنند به صورت ذرات مجزا هستند.
    تفاوت در شکل (مورفولوژي) اين دو فيلم در تصاوير SEM (شکل 3) قابل مشاهده است. همان طور که در مطالعات قبلي نيز خاطر نشان شدهاست اين لولههاي توخالي داراي بخش عمده و قابل توجهي لبه هاي خارجي و روباز هستند که نيروي واندروالس بين لوله ها را به کمترين مقدار خود ميرساند. به طور کلي فيلمهاي SCCNT در پيل هاي فوتو الکتروشيميايي عملکرد بهتري نسبت به نانولوله هاي تکديواره نشان ميدهند.
    الکترود OTE/SnO2/SCCNT به محض قرار گرفتن در معرض القاي نورمرئي جريان فوتوني ايجاد ميکند (فيلم SCCNT روي الکترود شيشهاي رسانايي ساخته شدهاست که روي آن ذرات SnO2 قرار گرفتهاست) .
    براي ايجاد جريان آندي، الکترونهاي توليدشدة فوتوني درSCCNT بهوسيلة نانوکريستالهاي SnO2 جمع ميشود. رفتار SCCNTهاي بهوجودآمده بيشتر شبيه نيمه هاديهاي نوع n است که درست مخالف رفتار فيلم نانولوله هاي تکديواره عمل ميكنند. بررسي اثر آلايش ذاتي نانولوله ها (dopant) در طول سنتز آنها و يا تأثير عوامل شيميايي در ايجاد خواص نيمه هادي نوع n يا p در نانولوله هاي کربني بسيار مؤثر است. مقدار بازده تبديل فوتونها در طول موجهاي القايي متفاوت، در شکل (8) نشان داده شدهاست که بيشترين آن در چهار درصد بدون هيچ گونه باياس و در 17 درصد تحت باياس 2/0 ولت اتفاق ميافتند. اعمال باياس خارجي به وسيلة بار پتانسيل، فرايند جلوگيري از دوباره ترکيب شدن بارها در حرکت به سمت سطح الکترود را تسهيل ميکند.
    در شرايط يکسان آزمايشگاهي، مقدار IPCE ثبتشده براي الکترود SCCNT نسبت به الکترود نانولوله هاي تکديواره يك مرتبه بزرگتر است. هدف ما بالا بردن کارايي سيستم نسبت به پيلهاي خورشيدي ديگر و رساندن اين بازده به صد درصد، چيزي نزديک به مدلهاي تئوري است که بهوسيلة تصحيح خواص سطحي و مورفولوژي نانولوله هاي تکديواره و SCCNT در حال انجام است.

    هيبريدهاي نانولوله تکديواره- نيمه هادي

    در سلولهاي فوتوالکتروشيميايي که بر اساس نانوساختارها و يا فيلمهاي نيمه هادي مزوسکوپيک شکل گرفتهاند انتقال الکترون در عرض ذرات، قابليت كاهش بازترکيب مجدد در مرزدانة ذرات را دارد. استفاده از نانولوله هاي کربني در سيستم هاي جمع آوري نور (مانند نيمه هاديها) راه بسيار مؤثر و مناسبي براي تحت نفوذ قرار دادن همة سيستمهاي جمع آوري فوتون است. در شکل (9) اين دو روش قابل مشاهده هستند. نانولولههاي تکديواره کانديداي ايدهآلي براي مجراي جمعآوري و انتقال بار سيستمهاي جمعآوري نور است. از موارد مورد توجه کامپوزيت CdS/SWNT (کادميوم سولفيد/نانولولة تکديواره) است که ميتواند بهوسيلة نور مرئي جرياني فوتوني با راندمان بسيار بالا ايجاد كند. نانولولههاي تکديواره از روشنايي و درخشندگي کادميوم جلوگيري ميکند و درخشندگي آن بهوسيلة نانولوله هاي تکديواره فرو نشانده ميشود.
    آزمايشهاي جذب انتقال، غيرفعال شدن سريع برانگيختگي کادميوم سولفيد (CdS) را روي سطح نانولوله هاي تکديواره تأييد ميکند همانطور که بيرنگ شدن انتقالي آن در حدود 200 پيکوثانيه تجديد ميشود.
    بهمنظور آزمايش فرضيات مربوط به انتقال الکترون بين CdS برانگيخته شده و نانولولههاي تکديواره در لاية کامپوزيت، بايد ذرات کادميوم سولفيد را روي الکترود نانولوله هاي تکديواره رسوب دهيم (مثل OTE/SWNT/CdS) ؛ ابتدا بهوسيلة رسوب دهي الکتروفورتيک فيلم نانولولههاي تکديواره را روي OTE رسوب ميدهيم و بافروبردن الکترودها در محلولي شامل Cd2+وS2- نانوکريستالهاي CdS شکل ميگيرند، سپس الکترودها بهوسيلة آب ديونيزهشده کاملاً شسته ميشوند، بهطوري كه تنها يونهاي جذبشدة Cd2+ با S2- واکنش ميدهد. قابل توجه اينكه بعضي از اين روشهاي رسوب دهي جذب يوني شبيه به روشهايي است که براي ساخت فيلمهاي نانوساختار از فلزات كالكوژني بر روي اکسيد فلزات استفاده ميشود. همچنين يون Cd2+ بهآساني روي نانولولههاي تکديواره جذب و با S2- واکنش داده و نانوکريستالهاي CdS را با ضخامت 500 نانومتر تشکيل ميدهد.
    در اين جا از الکترود OTE/SWNT/CdS سلول فوتوالکتروشيميايي شامل محلول استونيتريل با 1/0 درصد تري اتانول آمين که به عنوان دهندة الکترون ازبينروندهاست استفاده شدهاست. ترياتانولآمين در از بين بردن حفره هاي فوتوني ايجادشده در سطح الکترود، دچار اکسيداسيون غيرقابل برگشت ميشود. با تحريك فيلم نانولوله هاي تکديواره بهبود يافته با CdS بهوسيلة نور مرئي (380 <λ نانومتر) جريان فوتوني در آن مشاهده ميشود.

    براي حالتي که ولتاژ مدار باز حدود 200mV و جريان مدار کوتاه 6/2 ميكرو آمپر است، تابعيت IPCE با طول موج القايي در شکل (10) نشان داده شدهاست. کم شدن IPCE در500 نانومتر و به دنبال آن جذب اختصاصي CdS مشاهده ميشود (نمودار ضميمهشده در شکل 10) . همان طور که در طيفهاي فعال جريان فوتوني مشخص است جريان ايجادشده، تحت تأثير القاي اوليه CdS قرار ميگيرد. به علاوه مشاهدة جريان آندي فيلم SWNT/CdS، نشاندهندة جهت جريان از CdS به الکترود جمعآوري است که بهوسيلة شبکة نانولوله هاي تکديواره پوشانده شدهاست. به هر حال قابليت سيستم هاي نانوکامپوزيتي CdS/SWNT در جداسازي بارهاي فوتوالقايي موجب ايجاد روند جديدي در طراحي ساختارهاي جمع آوري نور شدهاست.
    1) NT-H4P2++hv  SWNT-1 (H4P2+) +
    2) (SWNT-1 (H4P2+) +  SWNT- (H4P+
    ساختار نانولولة تکديواره- پورفيرين

    نانولوله هاي تکديواره داراي سطح منحنيشکل ويژهاي هستند که اتصال آنها را به مولکولهاي آلي بزرگ بهوسيلة برهمکنشهاي غيرکووالانسي يا نيروهاي آبگريز، آسان ميکند. مولکول هايي مانند مولکول پورفيرين ميل زيادي به تركيب غيرکووالانسي با نانولوله هاي تکديواره از طريق برهمکنش π-π دارند. برهمکنش بين پورفيرين و نانولوله هاي تکديواره ميتواند براي رسيدن به ساختار سوپرمولکولار تنظيم شود. براي رسيدن به ساختار مورد نظر ميتوان با استفاده از چنين خواصي، ترکيب پورفيرين- پروتونه (H4P2+) نوع H و J را به صورت تودهشده روي سطح نانولولة تکديواره جايگزين کرد. همچنين اين پديدة غيرمعمول، يعني توده شدن روي نانولولة تکديواره، ميتواند کامپوزيت ها را به صورت باندهاي خطي در کنار هم قرار دهد. پورفيرين يک مولکول فوتوني فعال است که اغلب به منظور ايجاد (تقليد) فرايند فوتوسنتز طبيعي در آزمايشگاه مورد استفاده قرار ميگيرد. انتقال بار بين پورفيرين و نانولولههاي تکديواره به وسيلة القاي نورمرئي انجام ميشود. همچنين نانولوله هاي تکديواره در انتقال الکترونهاي توليدشدة فوتوني به سطح و جمع آوري در سطح پيل فوتوالکتروشيميايي نقش بسزايي دارند و موجب تسهيل اين امر ميشوند. لاية هدايت نانولوله هاي نيمه هادي در بازة صفر تا نيم ولت بر حسب الکترود هيدروژني نرمال (NHE) قرار ميگيرد. انتقال بار از پورفيرين برانگيخته شده به مرزهاي نانولوله هاي تکديواره به صورت زير است:
    سيستم هاي مولکولي نانولوله هاي تکديواره و پورفيرين پروتونه ميتوانند بهوسيلة رسوب الکتروفورتيک بهصورت آرايههاي سه بعدي روي لايه هاي نانوساختاري SnO2 آرايش يابند. لاية کامپوزيتي SWNT-H4P2+ که روي سطح الکترود قرار گرفته، با اعمال پتانسيل 2/0 ولت بر حسب SCE، بازدهي (IPCE) سيزده درصد نشان ميدهد.
    الکترودهاي تهيهشده از نانولوله هاي تکديواره از طريق تقويت انتقال بار در اثر تعامل با پورفيرين القايي و ايجاد مجرايي براي انتقال الکترونهاي تزريقشده به الکترودِ جمعآوري، ايفاي نقش ميکنند. با توجه به اين مطالب، طراحي دقيق ساختمان نانولوله ها و توجه به خواص سطحي آنها در بهبود بازدهي پيلهاي خورشيدي الکتروشيميايي نقش بسزايي دارد.

    نتيجه گيري

    مثالهاي مورد بحث در اين مقاله موارد جالبي را در زمينة خواص فوتوالکتروشيميايي نانولوله هاي کربني ارائه ميدهد. بهبود جداسازي بارها در نانوساختارهاي کربني باعث ايجاد پيشرفتهاي زيادي در طراحي و توليد پيلهاي خورشيدي ميشود. ايجاد روشها و راهبردهاي مناسب براي نشاندن دو يا چند جزء روي سطح الکترود، از عوامل کليدي در بهبود کارايي پيلهاي خورشيدي به شمار ميرود که در همين مسير براي ايجاد و تکميل سيستمهاي هيبريدي با توانايي و کارايي مضاعف در زمينة طراحهاي تبديلي انرژي خورشيدي احتياج به تلاشها و فعاليتهاي زيادي است.
    شکل 1. روشهاي استفاده از نانولولههاي کربني در پيلهاي خورشيدي فوتوشيميايي بهوسيلة: (چپ) برانگيختگي مستقيم نانولولههايکربني و (راست) برانگيختگي ساختارهاي تجمع نور که نانولولههاي کربني روي آنها ثابت شدهاند. الکترون- حفرههاي ايجادشده بهوسيلة القاء فوتوني بهصورت h وe نشان داده شدهاست. يکي از حاملهاي بار روي سطح الکترود جمع ميشود و ديگري با اکسيد شدن (O) يا احيا شدن (R) توسط زوج اکسايش- کاهش موجود در الکتروليت، از سطح الکترود پاک ميشود
    شکل 2. سوسپانسيون نانولوله هاي تکديواره در THF بهصورت رسوب فيلمي نازک روي الکترود رساناي شيشهاي OTE در ميدان dc پايين (کمتر از 100V/Cm) و يا رسوب نانولولههاي تکديواره بهصورت كلاف هاي خطي بر سطح الکترود در ميدان dc بالا قابل رؤيت است.
    شکل 3. تصاوير SEM از فيلم رسوبدادهشدة الکتروفورتيک (a): نانولولههاي تکديواره (b): نانولوله هاي stacked - cup
    شکل4. نمايي از چگالي حالتها در يک نانولوله کربني. حفره هاي ايجادشده به وسيله فوتون در سطح الکترود محصور ميشوند که خود باعث ايجاد جريان در پيل فوتوالکترو شيميايي ميشود. C1 و C2 مربوط به لاية هدايت و V1 وV2 مربوط به لاية ظرفيت هستند. h وe نيز حفره و الکترون ايجادشده در اثر تحريک نوري نانولوله هاي تکديواره هستند.

    شکل 5. طيف جذب انتقالي زمان ثابت براي سوسپانسيون نانولوله هاي تکديواره در THF با استفاده از پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 150 فمتوثانيه و 0=t∆.
    شکل 6. جريان فوتوني (a) و ولتاژ فوتوني (b) سيکل هاي قطع- وصل براي فيلم برانگيخته شدة OTE/SWNT به وسيلة نورمرئي (P~100mW/Cm2 و 400nm< ) الکتروليت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونيتريل است و الکترود شمارنده (CE) از پلاتين تشکيل شدهاست.
    شکل 7. طيف حرکتي جريان فوتونها در الکترود (a) OTE/SWNT و OTE/SnO2/SWNT که نشان دهندة ميزان بازده IPCE در طول موجهاي القايي متفاوت است. الکترود شمارنده از جنس پلاتين و الكتروليت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونيتريل است. در نمودار ضميمه شده طيف جذبي فيلم نانولولههاي تکديواره که بهوسيلة رسوب روي الکترودهاي OTE و OTE/SnO2 به وجود آمده است نشان داده شده است. خط (c) فقط الکترود OTE است. براي تعيين IPCE از فرمول زير استفاده شدهاست:100 (isc/Iinc / = که Isc جريان فوتوني مدار کوتاه و Iinc شدت نور گسيل شده است.

    شکل 8. طيف حرکتي جريان فوتوني براي الکترود OTE/SnO2/SCCNT a) تحت پتانسيل باياس 2/0 ولت بر اساس SCE و b) بدون هيچ پتانسيلي. نمودار ضميمهشده نشاندهندة جريان فوتوني مدار کوتاه (ISC) براي الکترودهاي: OTE/SnO2/SCCNT تحت پتانسيل با ياس 2/0 ولت بر حسب SCE و OTE/SnO2/SCCNT بدون هيچ پتانسيلي و OTE/TiO2/SCCNT بدون هيچ پتانسيلي. شکل سمت راست نشاندهندة جداسازي بارها در فيلم SCCNT و انتقال الکترون به سطح الکترود است. همچنين تصوير SEM از فيلم SCCNT نشان داده شدهاست (توان ورودي معادل78mW/Cm-2 و 400nm< است).
    شکل 9. تشريح انتقال تصادفي حاملهاي بار در فيلم هاي نيمه هادي مزوپور بر حسب جهت انتقال بار در نانولولهها در ساختارهاي هيبريدي تشکيل شده
    شکل 10. ميزان بازده IPCE براي الکترود OTE/SWNT/CdS. نمودار ضميمه شده نشاندهندة تفاوت جذب بين OTE/SWNT/CdS و فيلم نانولوله هاي تکديواره خالص است.

    a) ساختار مولکولي پوفيرين- پروتونه نانولوله هاي تکديواره با برهمکنشهاي π -π؛
    b) تصاوير TEM ساختارهاي ميلهمانند؛
    c) طيف حرکتي جريان فوتوني براي الکترود (OTE/SnO2/SWNT- H4P2+)
    a) با کاربرد پتانسيل باياس 1/0 ولت برحسب SCE ؛
    b) با کاربرد پتانسيل باياس 2/0 ولت بر حسب SCE ؛
    c) بدون به کارگيري پتانسيل باياس
    الکتروليت هم شامل 5/0 مول Nal و 01/0 مول I2 در استونيتريل است.
    الکترود مورد نظر (OTE/SnO2/SWNTS-H4P2+) شامل يک ميلي گرم SWNT و 2/0 ميلي مول H4P2+ است.
    اثر نشر ميداني الکتروني در فيلم نانولولههاي کربني

    در اين گزارش، به طور خلاصه ويژگيهاي يک فيلم نانولوله کربني ناشر الکترون بررسي شده و با توجه به نتايج تئوري در نشرميداني فلزات و نتايج تجربي به دست آمده براي نانولوله هاي کربني در مقالات و گزارشهاي اخير، عناصر مؤثر در يک فيلم مورد ارزيابي قرار ميگيرد. در انتها خصوصيات يک فيلم نانولوله اي بهينه براي کاربرد در صنعت ارائه ميشود

    ا. تئوري مسئله
    اثر نشر ميداني الکترونها از سطح يک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات ميشود، عبارت است از تونلزني الکترون از سطح فرمي فلز به درون ناحيه ديگر که معمولاً خلاء است. اين يک پديده کاملاً کوانتومي است و الکترونها از حالات محدود شده فلزي با غلبه بر يک سد پتانسيلي در فصل مشترک فلز با محيط اطرافش، به يک ذره آزاد تغييرحالت ميدهند.
    اين اثر همانطور که از اسمش پيداست در اثر بر همکنش ميدان الکتريکي با فلز، روي ميدهد پس در زمره کوانتوم الکترو ديناميک بررسي ميشود. تقريبهاي نظري در مورد يک جريان نشري الکتروني از يک فلز، بهطور معمول در يک مدل نيمه کلاسيک صورت ميپذيرد، که به نظريه فـولر- ناردهيم [Fowler-Nardheim) [1) مشهور است. (شکل 1)
    ميدان اطراف الکترود فلزي تخت به صورت تابعي از فاصله و پتانسيل الکتريکي بهصورت زيرتعريف ميشود.
    ما همين مطالعات، تک ديواره (SWNTs) بودن يا چند ديواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملي مؤثر مورد بررسي قرار دادهاند .

    به طور کلي عوامل مؤثر در نشر ميداني نانولوله هاي کربني به دو دسته تقسيم ميشود؛ اول، ساختار ذاتي و ويژگي هاي شيميايي منحصر به فرد نانولوله ها که به قطر و رفتار سطحي آنها و نيز باز و بسته بودن انتهاي آنها برميگردد. دوم، چگالي و نيز نوع جهت گيري آنها بر روي سطح فيلمي که رشد داده شدهاند. اين زيرلايه ميتواند با توجه به نوع کاربرد، سيليکون و طلا و. . . باشد. بررسي روي نمونه هاي فراوان نشان ميدهد که در فيلمهايي که چگالي نانولوله ها روي آنها متوسط و نرمال است، نشر الکتروني در ميدان آستانه کمتري صورت ميگيرد. شکل (3) به خوبي نشان ميدهد که فيلم با چگالي متوسط، نشر يکنواخت و واضحي را نشان ميدهد که در آن، خطوط، پل ها و نقاط بر روي فيلم ساخته شده قابل تمايز هستند.

    اين نتايج اثباتکننده نقش مهم چگالي فيلم و هندسه در ناشران الکترون است. تقويت ميداني يک نشرکننده الکتروني که جريان نشرشده را براي يک ميدان الکتريکي تعيين ميکند، تنها به هندسه نشرکننده يعني شعاع انحناي نوک و ارتفاع نانولوله ها از زيرلايه بستگي دارد. اما وجود يک چگالي بهينه نانولوله اي روي فيلم که در چگاليهاي متوسط روي ميدهد نشان دهنده فاصله اي بهينه بين نانولوله هاي ناشر الکتروني است که ما را به الگوي پخش نانولوله ها روي زيرلايه ها براي کارايي بهتر راهنمايي ميکند. اين فاصله تقريباً يک تا دو برابر ارتفاع نانولوله هاي کاربردي است که امروزه موضوع تحقيقاتي مهمي براي شرکتهاي توليد کننده پانل هاي نمايشي (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبيه سازي شده اين مسئله را ميتوان ديد و به مقايسه آنها پرداخت.

    اما عاملي که روي کاربرد آنها تأثير بسزايي دارد، ثابت باقي ماندن اين يکنواختي و شدت نشر الکتروني در طول زمان است که روي طول عمر فيلمها- در مقياس تجاري- مؤثر است. با مقايسه فيلمهاي ساخته شده از نانولوله هاي تک ديواره و چند ديواره و آزمايش در شرايط يکسان، اين نتيجه حاصل شده است که افت در نشرالکتروني در فيلمهاي تک ديواره ده برابر سريعتر از فيلم چند ديواره رخ ميدهد. اين پديده را شايد بتوان به حساسيت نانولوله هاي تک ديواره نسبت به بمباران يوني و پرتويي نسبت داد که چند ديواره بودن، اين ضعف را با پوشش ديوارهاي ديگر حذف ميکند و نميگذارد که تعادل ساختاري از بين برود. با توجه به توضيحات داده شده بهترين فيلم نانولوله اي، فيلمي است با چگالي متوسطي از نانولوله هاي چند ديواره با انتهاي بسته که بهطور يکنواخت روي زيرلايهاي توزيع شدهاند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتريکي، نشر يکنواختي را ايجاد کنند که آخري در صرفهجويي انرژي مؤثر است.

    نانولوله کربني که انتهاي آن بر روي يک زيرلايه سيليکوني قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتريکي تحريک ميشود تا به گسيل الکتروني بپردازد دقيقا همان کاري را که تفنگ الکتروني در نمايشگرهاي عادي انجام ميدهد. الکترونهاي منتشر شده در فاصله بين لايه فسفري و نانولوله شتاب داده مي شوند تا در هنگام جذب بتوانند اين لايه را برانگيخته کنند تا در انتها با ايجاد نورهاي رنگي که ما برروي نمايشگر مي بينيم کار به پايان برسد .

    3. نتيجه

    پارامترهاي موثر در ساختمان يک فيلم نانو لوله اي گسيل ميداني غالبا از نوع هندسي هستند و ما با کنترل شرايط فيزيکي محيط در هنگام رشد نانولوله ها برروي زيرلايه
    مي توانيم کيفيت کاربردي و تجاري آن را بهبود ببخشيم .

    منابع :
    www. nanoeurope. Org
    www. impart-nanotox. Org
    www. semi. Org
    www. msel. nist. gov/Nanotube2/2nd_Joint_Workshop. Htm
    www. compositesworld. com/ct/issues/2005/April/802
    www. dke. de/DKE/Aktuelles/Veranstaltungen/ShowEvent.
    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
    ویرایش توسط آسمون : 2013/04/03 در ساعت 17:20

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]


    -من با هیچکس بر سر کیین و باوری که دارد(حتی اگر بت پرست باشد)نمی جنگم و خون وی را نمی ریزم چرا که خدای هر کسی همان است که خرد او به او می نمایاند. ( اشوزرتشت بزرگ )
  2. 3
  3. #2
    mitsomak
    کاربر سایت
    تاریخ عضویت
    2013/03/30
    محل سکونت
    وطنم خوزستان
    سن
    33
    نوشته ها
    216
    32
    365

    نانولوله کربنی

    نانولوله های کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانهای توخالی ساخته شدهاست در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد.

    خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله ها (به خاطر این که کربن مادهای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزانتر میباشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روشهای رشد نانولوله ها باشد. کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله متمرکز شده است. کوشش های گستردهای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شکل نانولوله ها بر خواص الکتریکی صورت گرفته است. میتوان گفت این علاقه ویژه به نانولوله ها از ساختار و ویژگی های بی نظیر آنها سرچشمه می گیرد.

    بعد از ساخت اولین نانولوله، دانشمندان بر روی روشهای سنتز این نانولوله فعالیت زیادی انجام داده و توانستند به روشهای مختلفی دست یابند و سپس سعی کردند با ارائه روشهای متنوع بر مشکلات موجود نیز فائق بیایند که بعضی از مشکلات تا حدی مرتفع و بعضی نیز همچنان پابرجاست. با این وجود امروزه سنتز نانولوله ها یک مسأله کاملاً حل شدهاست لذا کمتر محققی به دنبال سنتز نانولوله با روشهای خاص میباشد. میتوان گفت امروزه بعد از گذر از مرحله سنتز به مرحله تجاریسازی نانولوله ها رسیدهایم، مرحله ای که میتواند توان رقابتی بالای شرکت ها را نمایان سازد.

    بعضی اوقات تجارت به جهان داروینی شبیه میشود، جهانی که شرکت ها برای تسلط بر یکدیگر در آن با هم به رقابت میپردازند. در این فرایند شرکتهای ضعیفتر مجبور به ترک صحنه سرمایهگذاری تجاری میشوند. به نظر میرسد این ماجرا در مورد یکی از شاخههای اصلی فناوری نانو یعنی نانولوله های کربنی نیز صادق میباشد.

    شرکت هایی از سراسر جهان، از جزیره کوچک قبرس گرفته تا جمهوری خلق چین، ادعای ریسک و سرمایه گذاری بر روی نانولوله های کربنی را دارند. محصولاتی که از فولاد سختتر، از آلومینیوم سبکتر و از مس ضریب هدایت بیشتری داشته و نیمه هادی خوبی نیز هستند. تولید کنندگان در حال سرمایه گذاری جهت پیشبرد این بخش و کاهش قیمتهای این فرآورده هستند. اما در واقع بقای این شرکتها وابسته به نوع نانولوله هایی است که ارائه میدهند، چه از لحاظ کیفی و چه از لحاظ ثبت اختراعات در این زمینه.

    درست است که هنوز سوددهی اقتصادی نانولوله ها کاملاً روشن نیست، اما دانشمندان معتقدند چیزی قویتر از فولاد به خوبی میتواند جای خود را در بازار باز کند. لذا در آینده نه چندان دور شرکتهایی که از نانولوله جهت بهتر کردن کیفیت محصولات خود استفاده میکنند بازار آینده را در اختیار خواهند گرفت.

    ویرایش توسط آسمون : 2013/04/03 در ساعت 15:46
    [SIGPIC][/SIGPIC]
  4. 2
  5. #3
    mitsomak
    کاربر سایت
    تاریخ عضویت
    2013/03/30
    محل سکونت
    وطنم خوزستان
    سن
    33
    نوشته ها
    216
    32
    365

    کایرالیتی، اثر انگشت نانولوله ‏های کربنی

    • مقدمه:
      در مقاله‏ های قبلی از سری مقالات «ساختار نانولوله‏ های کربنی»، شاخصی به نام کایرالیتی برای تمایز انواع نانولوله‏ ها از یکدیگر معرفی شد. همان‏گونه که گفته شد، این شاخص در تعیین خواص نانولوله‏ های کربنی نقشی تعیین کننده دارد. اصطلاح کایرالیتی تنها در مورد نانولوله‏ های کربنی مصداق ندارد و در علم شیمی، به عنوان یکی از مباحث فعال، مطرح می‏ باشد. در این مقاله به توضیح این اصطلاح، اهمیت آن در شیمی و توصیف مولکول‏ های کایرال خواهیم پرداخت.
    • کایرال و کایرالیتی:
      كايرال از لحاظ لغوي به معناي چيزي است كه تصوير آن در آيينه بر خودش قابل انطباق نباشد. به شکل 1 نگاه کنید. این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده است. الگویی که در این تصویر نشان داده شده است، بیانگر یک طرح کایرال است. زیرا نمی‏توان برای آن مرکز تقارنی پیدا کرد. بنابراین صفحه‏ ی تقارنی نیز برای این تصویر وجود ندارد و در تعریف کایرال می‏گنجد.


    شکل 1- تصویری از یک الگوی کایرال
    غالبا به جای کلمه‏ ی کایرال، کلمه‏ ی نامتقارن نیز به کار می‏ رود. کلمه‏ ی کایرال (chiral) از کلمه‏ ی یونانی ceir یا cheir به معنای دست، به وجود آمده است. چرا که هر یک از دو دست ما، تصویر آیینه‏ ای از دست دیگر ما است (شکل 2). همان‏گونه که می‏ توانیم برای بسیاری از مولکول‏ های موجود در طبیعت، مولکول‏ هایی را بیابیم (با همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه‏ ای آن‏ها باشند.

    شکل 2- همان‏گونه که مشاهده می‏ کنید، دست‏ها و پاهای ما کایرال هستند. یعنی هر یک از آن‏ها تصویر آیینه‏ای دیگری است به طوری که بر یک‏دیگر منطبق نیستند.
    همان‏گونه که در شکل 3 مشاهده می‏ کنید، مولکول آلانین دارای دو شکل است که به هر یک از آن‏ها «انانتیومر» می‏ گوییم. این دو به نام‏ های (r)-آلانین و (s)-آلانین معروف هستند. در اینجا حرف s به کلمه‏ ی لاتین sinister به معنای چپ و r به کلمه‏ ی لاتین rectus به معنای راست اشاره دارد.

    شکل 3: کایرالیتی آمینو اسید آلانین، در شکل بالا با استفاده از تصویر دست‏ ها، بر مفهوم کایرالیتی تاکید شده است.
    هنگامی‏که آلانین تحت شرایط معمولی در آزمایشگاه تولید می‏ شود، مخلوطی از این دو انانتیومر به وجود می آید که نیمی از آن‏ها از نوع (s) و نیمی از نوع (r) هستند. در شرایط تولید نامتقارن، مقدار سنتز یکی از این دو نوع بیشتر خواهد بود. یکی از روش‏ های رسیدن به این هدف استفاده از کاتالیزگرهاست. در سال 2001 میلادی، دانشمندانی که روی این حوزه از شیمی کار کرده بودند، توانستند جایزه‏ی نوبل شیمی را از آن خود کنند. در عمل، در حضور یک کاتالیزگر غیرکایرال، یکی از دو نوع آلانین بیشتر تولید می‏ شود.
    اهمیت این بحث در این است که عملگرهای سلول‏ ها کایرال نیستند، یا به عبارتی عملگرها تنها پذیرای یک انانتیومر هستند و نمی‏ توانند مولکول با تقارن آیینه‏ ای آن را بپذیرند. بنابراین برای این‏که یک ترکیب خاص شیمیایی مانند یک دارو بتواند عملیات مورد نظر را در بدن انجام دهد، باید از یک انانتیومر خاص آن استفاده شود.
    پرسش 1: به نظر شما اگر از انانتیومر نامناسب یک ترکیب شیمیایی درون بدن استفاده شود، چه عوارضی ممکن است در فرد مصرف کننده ایجاد شود؟
    هم‏چنین دیده می‏ شود که در برخی موارد برای انجام یک واکنش شیمیایی، یک نوع کاتالیزگر وجود دارد که تنها می‏ تواند یک انانتیومر را به خوبی کاتالیز کند. مانند این‏که ما نیاز داریم برای هر کدام از پاهای خود، یک کفش مجزا داشته باشیم. بنابراین برای تضمین بالا بودن نرخ واکنش، نیاز است تا آن انانتیومر در مقایسه با انانتیومر دیگر، در مقادیر بیشتری تولید شود. در شکل 4 این موضوع به شکل شماتیک نشان داده شده است.
    شکل 4: دست‏های سمت راست، نشان‏دهنده‏ ی کاتالیزگر و دست‏ های سمت چپ نشان‏دهنده‏ ی محصول واکنش هستند. این دو در تصویر بالایی برهم‏کنش بهتری دارند. هنگامی‏که دو نفر به هم دست می‏ دهند، دو دست راست بهتر در هم جفت می‏ شوند تا یک دست راست و یک دست چپ.
    نکته‏ ی قابل توجه این است که انانتیومر‏های مختلف می‏ توانند رفتارها و خواص مختلفی داشته باشند و توانایی تولید هر یک از آن‏ها به طور خالص از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، مولکول لایمونن را در نظر بگیرید. لایمونن یک مولکول کایرال است که دو انانتیومر آن شباهت بسیاری به یک‏دیگر دارند.
    شکل 5: (r)-لایمونن بوی پرتقال و انانتیومر آن یعنی (s)-لایمونن بوی لیمو ایجاد می‏ کند.
    با این‏که در نگاه اول تمیز دادن شکل این دو انانتیومر از یک‏دیگر بسیار دشوار است، اما گیرنده‏ های بینی ما بسیار دقیق‏ تر عمل می‏ کنند، چراکه یکی از این دو انانتیومر بوی لیمو و دیگری بوی پرتقال را به مشام می‏ رساند.
    • نانولوله‏ های کربنی کایرال:
      در مقالات قبلی با طرز تشکیل نانولوله‏ های کربنی با استفاده از یک لایه‏ ی گرافن آشنا شدید. هم‏چنین دانستید که هر یک از این نانولوله‏ های تک دیواره یک زاویه‏ ی کایرال مختص به خود دارد. بنابراین می‏ توانیم معیاری برای سنجش مقدار کایرالیتی آن داشته باشیم. در جدول زیر شکل نانولوله را با توجه به زاویه‏ ی کایرال و مولفه‏ های کایرال آن مشاهده می‏ کنید.

    نوع نانولوله نوع اول نوع دوم نوع سوم
    تصویر نانولوله
    اندیس کایرال (nوm) m≠0, n=0 m=n≠0 m≠n
    زاویه θ
    0
    °30
    °30 > θ > 0
    جدول 1: دسته‏ های مختلف نانولوله‏ های کربنی بر اساس کایرالیتی
    مشاهده می‏ شود که شکل ظاهری این سه نوع نانولوله‏ ی کربنی تفاوت‏ های زیادی با هم دارند. این تفاوت در نوع چیده شدن اتم‏ های کربنی در راستای محور مرکزی نانولوله و همچنین در محیط آن دیده می‏ شود.
    پرسش 2: با توجه به این شکل‏ ها، کدام یک از این سه دسته، در تعریف مولکول‏ های کایرال می‏ گنجد؟
    با توجه به تعریفی که از مولکول‏ های کایرال ارائه شد، و با توجه به تصاویر بالا، مشخص می‏ شود که تصاویر آیینه‏ ای نانولوله‏ های نوع اول و نوع دوم بر خود آن‏ها منطبق است، اما در مورد نانولوله‏ های نوع سوم این انطباق وجود ندارد. بنابراین زوایای °0 و °30 زوایای خاصی هستند که نانولوله‏ های متقارن ایجاد می‏ کنند.
    نوع نانولوله تصویر اصلی تصویر آیینه‏ ای
    نوع اول
    نوع دوم
    نوع سوم
    جدول 2: تصاویر آیینه‏ ای انواع نانولوله‏ های کربنی
    با توجه به جدول بالا، مشخص است که تنها تصویر آیینه‏ ای نانولوله‏ ی نوع سوم بر خودش قابل انطباق نیست. بنابراین به این مدل نانولوله‏ ی کربنی، نانولوله‏ ی کایرال یا هلیکال، و در معنای فارسی آن، نامتقارن می‏گوییم. با توجه به شکل ظاهری نانولوله‏ های نوع اول و دوم، آن‏ها را به ترتیب آرمچیر (معادل نوع صندلی) و زیگزاگ می‏ نامیم.
    [SIGPIC][/SIGPIC]
  6. 2
  7. #4
    mitsomak
    کاربر سایت
    تاریخ عضویت
    2013/03/30
    محل سکونت
    وطنم خوزستان
    سن
    33
    نوشته ها
    216
    32
    365

    نانو لوله های کربنی، پاسخی برای چالش های نانو الکترونیک؟!

    مقدمه

    رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو (ابعاد زیر 100 نانو متر)، همراه با مزایا و شگفتی های دور از انتظاری که برای این فناوری به دنبال داشته، چالش ها و پرسش های فراوانی را نیز فرا روی متخصصین الکترونیک و پژوهشگران فناوری نانو قرار داد. برخی از این چالش ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی است و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس مدارهای الکترونیکی میباشد. محدودیت های فناوری و چالشهای کوانتومی مهمترین چالشهای نانو الکترونیک است.

    افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت. در واقع آنان به این موضوع می اندیشیدند که آیا به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی (یعنی از جنس سیلیسیوم) که با چنین محدودیت هایی روبرو است، میتوان از مواد دیگری استفاده کرد. کشف نانو لوله های کربنی (Carbon Nano Tube یا CNT) در سال 1991 توسط ایجمیا رؤیای آنان را به واقعیت نزدیک کرد. نانو لوله های کربنی با خواص خاص و چشمگیر الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارد، هم از دیدگاه بنیادی و هم از دیدگاه کاربردی به سرعت کانون توجه پژوهشگران حوزه های گوناگون دانش قرار گرفت.

    پژوهشگران نانو الکترونیک نیز از این کشف جدید غافل نشدند و به بررسی خواص الکترونیکی نانو لولههای کربنی پرداختند. ما در این مقاله بخشی از نتایج این پژوهشها را به اختصار بیان میکنیم. تحلیل و بررسی تفصیلی این پژوهشها مستلزم دانش بیشتر در زمینه ی فیزیک الکترونیک و کوانتوم و ریاضیات است که خارج از موضوع نوشتار ما است.

    چالش های نانو ترانزیستورها

    همان طور که در مقالهی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئلهی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل میشود. همچنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیدههای کوانتومی همچون تخلیهی بار الکتریکی و تونلزنی الکترونی و در نتيجه ایجاد جریانهای مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را میآفریند.
    علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش مییابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانو متری) ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین هزار درجهی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه ذوب میشوند.

    جایگزینی نانو ترانزیستورها با ...؟

    با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچکتر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکولهای منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لولههای کربنی، نتایج امیدوار کنندهای را به دنبال داشته است.
    برای ساخت نانو لولههای کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. همچنین نانو لوله های کربنی میتوانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آنها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله های کربنی است.
    در سال 1998 برای اولین بار از نانو لوله های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه رسانایی بودند برای ساخت نانو ترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانو ترانزیستورها که آنها را CNTFET (که مخفف واژهی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانو لوله های کربنی میباشد) میگویند، نمیتوان از نانو لوله های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانو لوله ها همواره رسانا هستند و ویژگی های عملکردی ترانزیستورها را ندارند

    همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار میکند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لولههای کربنی ساخته میشوند این اتصال توسط یک نانو لولهی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار میشود. این ترانزیستور که با نانو لوله های کربنی ساخته شده، میتواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی همچون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد.


    چالشهایCNTFET ها

    با وجود توسعه و گسترش پژوهش ها درباره ی ترانزیستورهای نانو لوله ی کربنی، چالشهای بسیاری فرا روی پژوهشگران الکترونیک به منظور جایگزینی ترانزیستورهای سیلیسیومی با این نانو ترانزیستورها وجود دارد. اولا هزینه ی ساخت نانو لولههای کربنی گران است و تولید آن در مقیاس زیاد هم به فناوری پیشرفته و هم به هزینه ی بسیار نیاز دارد. ثانیا خواص نانو لولههای کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت های بسیاری در خواص آنها می شود. لذا اگر چه ترانزیستورهای نانو لوله ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده اند، اما قرار گرفتن آنها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاشها و پژوهش های بسیاری است.

    نتیجه و جمع بندی


    نانو لوله های کربنی به دلیل خواص شگفت انگیز الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارند، بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. هم اکنون یافتن روش های تجاری مقرون به صرفه برای ساخت، تولید و تصفیه ی نانو لوله های کربنی از ناخالصی هایی که هنگام فرآیند ساخت در آن ایجاد میشود، در مقیاس بزرگ و صنعتی، تلاش اصلی پژوهشگران است. همچنین بررسی خواص نانو لوله های کربنی و بهینه سازی فرآیند ساخت و تولید آنها مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. با توجه به موارد ذکر شده، به نظر میرسد استفاده از نانو لوله های کربنی در صنعت الکترونیک به زودی مورد توجه جدی پژوهشگران و صنعتگران قرار خواهد گرفت.

    این ماجرا ادامه دارد...
    ویرایش توسط آسمون : 2013/04/03 در ساعت 15:59
    [SIGPIC][/SIGPIC]
  8. 3
  9. #5
    mitsomak
    کاربر سایت
    تاریخ عضویت
    2013/03/30
    محل سکونت
    وطنم خوزستان
    سن
    33
    نوشته ها
    216
    32
    365

    هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی-قسمت اول

    هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی-قسمت اول


    مقدمه:

    در مقاله‏ ی قبلی به برخی کلیات مربوط به روش‏ های به دست آوردن خواص نانولوله‏ های کربنی پرداختیم. یکی از مهم ترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی میشود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏ های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏ های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏ های بین آن‏ها، دانشمندان علاقه‏ ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏ های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی ‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏ نظیر نانولوله‏ ها یاد کرد.

    هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی:

    دانشمندان در بررسی‏ های تجربی و آزمایش ‏های خود به نتایجی در زمینه‏ی هدایت حرارتی نانولوله‏ ها کربنی دست یافته‏ اند. آن‏ها پیش‏ بینی می‏کنند که نانولوله‏ های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه‏ گیری‏ ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله‏ ها به دست آوردند. یک دسته، نانولوله ‏های کربنی تک دیواره‏ای بودند که به صورت توده ‏ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه‏ ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله‏ های کربنی چنددیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله‏ ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از W/mK 200 را برای توده‏ های نانولوله‏ های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی‏ها، مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از W/mK 300 به دست آمد.

    پرسش 1: آیا می‏توانید مقادیر متداول رسانایی حرارتی مواد مختلف از جمله گرافیت و الماس را بیابید؟ این کار را برای درک بهتر مطالب ارائه شده در این مقاله و مقایسه‏ ی بین اعداد درج شده انجام دهید.


    پرسش 2: به نظر شما آیا می‏توان میزان رسانایی حرارتی دسته ‏های نانولوله‏ های کربنی تک دیواره را به رسانایی حرارتی نانولوله ‏های تک دیواره‏ ی مجزا نسبت داد؟


    پرسش 3: آیا می‏توانید دلیلی برای تفاوت مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی تک دیواره و چند دیواره بیابید؟

    برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏ های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت‏ ها استفاده نمود. طبق بررسی‏ های انجام شده، با افزودن تنها %1 از نانولوله ‏های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت‏های نانولوله‏ های کربنی می‏توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده شوند.

    هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی از منظر تئوری:


    وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله ‏ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه‏ های توده‏ای از نانولوله‏ های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله‏ های چند دیواره می‏باشد.
    گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله‏ های کربنی را با روش‏ های محاسباتی اندازه‏گیری کرده ‏اند.

    از آنجایی که کمیتλ در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل λ(T) نشان داده ‏ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده می‏شود که مقدار λ(T) در نزدیکی دمای K100 به یک مقدار بیشینه برابر با W/mK37000 می‏رسد (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می‏شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می‏یابد. بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون در بررسی‏ های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه ‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای K104 اندازه‏گیری شده است. این مقدار برابر با W/mk41000 است. بنابراین مقدار λ(T) نانولوله‏ ی کربنی در بیشینه‏ اش با بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون اندازه‏گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله‏ی کربنی بسیار بالا و برابر با W/mK6600 می‏باشد، این مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه‏ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده‏اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم‏خوانی باشد.

    برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‏ های کربنی می‏توانیم مقایسه‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏ ها و دیگر مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده‏ی مقایسه‏ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه‏ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه که مشاهده می‏شود، رسانایی حرارتی تک لایه‏ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از K270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می‏باشد، این اختلاف در دماهای پایین تر از K270 بسیار بیشتر می‏شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه‏ی دیگر دارد.
    همانطور که می‏دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه‏های گرافن ساخته می‏شود. بنابراین بین لایه‏های گرافن، برهم‏کنش‏هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم‏کنش‏های بین لایه‏ای، مقدار هدایت حرارتی را به شدت کاهش می‏دهد. به نظر می‏رسد همین اتفاق در مورد دسته‏های نانولوله‏ های کربنی رخ خواهد داد و مقدار هدایت حرارتی دسته‏ های نانولوله‏ های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله‏ ها کمتر باشد.

    پرسش 4: چگونه می‏توانیم با استفاده از پدیده‏ی کاهش رسانایی حرارتی صفحات گرافن در حالتی که در کنار هم قرار گرفته‏ اند، پیش‏بینی کنیم که رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی تک دیواره به صورت دسته‏ای از حالت مجزای آن‏ها کمتر است؟



    هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی:


    گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏ هایی از نانولوله ‏های تک‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه‏گیری نمودند.

    پرسش 5: در اینجا اشاره شد که می‏توان جهت قرارگیری نانولوله‏ های کربنی را با اعمال یک میدان مغناطیسی تنظیم کرد. به نظر شما این کار چگونه انجام می‏گیرد و اساسا دلیل این قابلیت نانولوله ‏ها چیست؟

    در نمونه‏ هایی که قرارگیری نانولوله‏ ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود W/mK 35 اندازه‏گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله‏ ها در چنین نمونه‏ای به شدت در هم پیچ خورده‏ اند، و مسیری که انتقال حرارت در آن رخ می‏دهد به مقدار قابل توجهی طولانی‏تر از فاصله‏ی مستقیم بین نقاط است. برای کاهش دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می‏توان نانولوله‏ ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه‏ ها، هدایت حرارتی بالاتر از مقدار W/mK200 می‏باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در همین دسته‏های منظم از نانولوله‏ ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می‏گذارند. برای مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال‏هایی که در بین نانولوله‏ های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله‏ ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در اینجا برای دسته‏ های نانولوله‏ ها به دست آمد.

    در مقاله‏ ی بعدی برخی مثال‏های استفاده از این خاصیت نانولوله‏ های کربنی را در نانوکامپوزیت‏ ها بررسی می‏کنیم.
    ویرایش توسط آسمون : 2013/04/03 در ساعت 16:08
    [SIGPIC][/SIGPIC]
  10. 2
  11. #6
    mitsomak
    کاربر سایت
    تاریخ عضویت
    2013/03/30
    محل سکونت
    وطنم خوزستان
    سن
    33
    نوشته ها
    216
    32
    365

    هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی-قسمت دوم

    هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی-قسمت دوم


    مقدمه:

    در مقاله‏ی قبلی در مورد خواص هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی صحبت کردیم و برخی بررسی‏های انجام شده توسط دانشمندان را بیان نمودیم. در این مقاله با بیان چند مثال از کاربرد نانولوله‏های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ها موضوع را ادامه می‏دهیم.

    خاصیتی به نام هدایت حرارتی:


    انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی است. دانشمندان نظریه ‏های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح می‏کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه‏ های کاملا متفاوتی بوده و عده ‏ای برای تولید موادی با هدایت حرارتی بسیار بالا و عده‏ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش می‏کنند. هر یک از این مواد می‏تواند کاربردهای گسترده ‏ای در صنایع مختلف داشته باشد. امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت‏ ها، ایده‏های زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده‏اند.

    پرسش 1: آیا می‏توانید کاربردهایی را برای مواد عایق حرارت نام ببرید؟ در مورد موادی که هدایت حرارتی بالایی دارند، چه مصارفی را می‏شناسید؟

    رسانایی حرارتی بالای نانولوله‏ های کربنی می‏تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند تخلیه‏ ی حرارت پردازنده‏ های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک‏ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی. امروزه برای خنک کردن پردازنده‏ های رایانه ‏ای بعضا از سامانه ‏های مختلفی از قبیل سامانه‏ های آب‏گرد استفاده می‏شود. اما ایده ‏ای که مدت‏هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته‏ بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت تخلیه‏ ی حرارتی بالایی داشته باشند.

    پرسش 2: در مقاله‏ ی پیش رو، اعداد و ارقامی را بررسی خواهیم کرد که در آزمایشگاه‏ ها و توسط ابزارهایی خاص، در مورد میزان هدایت حرارتی اجسام به دست آمده‏اند. بنابراین پیش از شروع این مبحث، لازم است تا در مورد نحوه‏ی اندازه‏گیری میزان هدایت حرارتی مواد اطلاعاتی را داشته باشیم. آیا روش‏ های بررسی این خصوصیت ماده را می‏دانید؟

    نانولوله‏ های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‏ها

    1- کامپوزیت‏های زمینه‏ ی پلیمری


    گروه‏های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت‏های اپوکسی / نانولوله‏ ی کربنی را بررسی کرده‏اند. اپوکسی دسته‏ای از مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله‏های کربنی را داخل زمینه‏ی اپوکسی پراکنده کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله‏ی کربنی را بسازند. آن‏ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با نانولوله را اندازه‏گیری کرده‏اند و پس از مطالعه‏ ی نتایج آزمایش‏هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله‏های کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می‏تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این دانشمندان هم‏چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایسه‏ ای را بین نانولوله‏ های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند.


    افزودن 1% وزنی نانولوله‏ ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می‏کند در حالی‏که همین مقدار از الیاف کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40% افزایش می‏دهد. بنابراین نانولوله ‏های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه‏ی کامپوزیت‏ ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.

    پرسش 3: در نمودار شکل 1 مشاهده می‏کنید که میزان بهبود در رسانایی حرارتی کامپوزیت حاصل از افزودن نانولوله‏ های کربنی همیشه روند افزایشی نداشته است. بلکه در مقدار برابر با نیم درصد وزنی (wt%5/0) کاهش یافته است. به نظر شما چرا چنین اتفاقی رخ داده است؟



    پرسش 4: در مورد کاربردهای حرارتی اپوکسی مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی اپوکسی در چه زمینه‏ هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟

    2- کامپوزیت‏ های زمینه‏ ی سرامیکی


    گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن (C2H2) را از روی بستری از نانوذرات آلومینا (Al2O3) که روی سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه‏ ی فرآیند CVD یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله‏ های کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده کردند و نانوکامپوزیت Al2O3/CNT (آلومینا / نانولوله ‏ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نکته‏ ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است که برای داشتن مقایسه‏ ای قابل قبول میان دو ماده ‏ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده‏ ی حاصل تاثیر می‏گذارند و دیگر نمی‏توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب‏ های دو ماده ‏ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین نتایج قابل استناد نخواهند بود.



    در اینجا مشاهده می‏شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت‏ ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می‏باشد. برای مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 7/39 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه ی سانتی‏گراد معادل با W/mk 90/44 میرباشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227% افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 درجه ی سانتی‏گراد برابر با W/mk 60/98 بوده که 169% رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در دمای 300 درجه‏ ی سانتی‏گراد، با 218% رشد نسبت به آلومینای خالص، به W/mk 63/.52 می‏رسد.

    پرسش 5: در مورد کاربردهای حرارتی آلومینا (Al2O3) مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی آلومینا در چه زمینه‏ هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟

    اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی‏ نظیر نانولوله‏ های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را در کامپوزیت بررسی کنند. همان‏گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله‏ های کربنی به دیگر مواد می‏تواند بهبود چشمگیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت‏ ها نمود پیدا نمی‏ کند. در مقاله‏ ی بعدی به جنبه ‏ای دیگر از تاثیر حضور نانولوله‏ های کربنی بر خواص هدایت حرارتی مواد خواهیم پرداخت.
    ویرایش توسط آسمون : 2013/04/03 در ساعت 16:14
    [SIGPIC][/SIGPIC]
  12. 1
  13. #7
    mitsomak
    کاربر سایت
    تاریخ عضویت
    2013/03/30
    محل سکونت
    وطنم خوزستان
    سن
    33
    نوشته ها
    216
    32
    365

    هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی-قسمت سوم

    هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی-قسمت سوم


    مقدمه:

    در مقاله‏ ی قبلی دو مثال از کاربرد نانولوله‏ های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ های زمینه‏ ی پلیمری و زمینه‏ ی سرامیکی ارائه دادیم. مشخص شد که نانولوله‏ های کربنی تاثیر چشمگیری بر بالا بردن نرخ هدایت حرارت در این مواد زمینه دارند. در این مقاله با یکی از چالش‏ های موجود در صنعت میکروالکترونیک آشنا می‏شویم و به توانایی‏ های نانولوله‏ های کربنی به عنوان موادی جدید در حل این معضل پی می‏بریم.
    در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله‏ های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین دو قطعه‏ ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده‏اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا موضوع اصلی این کاربری را مطرح می‏کنیم. اتلاف حرارتی اساسی‏ ترین مشکلی است که کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک‏ سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می‏سازد. در این ادوات، فاصله‏ ای بین منبع تولید کننده ‏ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده‏ای که وظیفه‏ ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد. از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده‏ ی تخلیه کننده‏ ی حرارت قرار دارد. برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده‏ ی زیر را مطالعه کنید.

    مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده‏ ای گرم را در دستان خود بگیریم. می‏توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته‏اید. در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می‏کنید، اما اگر در دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می‏کنید و در نتیجه داغی جسم از روی دست شما برطرف می‏شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می‏توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت که در این حالت مقدار هم بستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.

    با توجه به مشاهده‏ی بالا و مطالب بیان شده می‏توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله‏ی بین منبع حرارتی و ماده‏ی تخلیه کننده‏ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می‏شود. از آنجایی که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه‏ای در قسمت‏های بر آمده و همچنین بسته‏ های هوایی (که به آن‏ها گاف هوایی می‏گوییم) در قسمت‏هایی که از یکدیگر دور هستند، می‏باشد (شکل 1). کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف‏های هوایی عبور کنند. همان‏گونه که می‏دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده‏ ی دیگر جایگزین کنیم.


    موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه‏ی موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می‏باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله‏ ی زیر می‏باشد:

    انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
    نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده‏ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
    انتقال حرارت درون تخلیه کننده‏ی گرما (درون ماده)
    انتقال حرارت از تخلیه کننده‏ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)

    پرسش 1: با توجه به آن‏چه در بالا گفته شد، کندترین مرحله‏ی فرآیند، موجب محدود شدن سرعت فرآیند کلی می‏گردد. بنابراین دیگر مراحل هر چقدر هم سریع پیشروی کنند، تاثیری در سرعت کلی فرآیند ندارند. آیا می‏توانید این پدیده را توجیه کنید؟

    هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی‏های خاص خود را دارد. از جمله این‏که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل بسته به عوامل مختلفی تعیین می‏شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون می‏شوند. بنابراین مرحله‏ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد.

    پرسش 2: با توجه به مطالب ارائه شده، آیا می‏توانید تعریف دقیقی از سطح تماس واقعی و اسمی و همچنین رابطه‏ای ریاضی برای محاسبه‏ی آن‏ها ارائه دهید؟

    بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در برآمدگی‏ های سطح و همچنین گاف‏ های پر شده از هوا صورت می‏گیرد. در واقع مرحله‏ ی محدود کننده‏ ی سرعت (انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده‏ ی گرما)، همان مرحله ‏ای است که گرما باید از طریق گاف‏ ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی‏ که این مرحله بسیار کند است، باید ماده‏ای را در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف‏های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.

    پرسش 3: گفته شد که برای کارایی بهتر این ادوات میکروالکترونیک، باید تخلیه‏ ی حرارت به سرعت انجام پذیرد. آیا می‏توانید اهمیت و لزوم این موضوع را بیان نمایید؟

    اکنون به تحقیق صورت گرفته می‏پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند. آلومینیوم و گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده‏ ی مورد نظر روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله‏ ی کربنی قرار داده شد. حالت اول برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده ‏های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2 می‏بینید.


    نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.
    نمونه‏ ی مورد بررسی هدایت حرارتی (W/mk) درصد بهبود
    قطعه‏ ی آلومینیومی 95/73 -
    دو قطعه‏ ی آلومینیومی در تماس مستقیم با یک‏دیگر 8/956 -
    دو قطعه‏ ی آلومینیومی با وجود نانولوله‏ های کربنی در فصل مشترک آن‏ها 43/457 385/16
    قطعه‏ ی گرافیتی 102/066 -
    دو قطعه‏ ی گرافیتی در تماس مستقیم با یک‏دیگر 13/475 -
    دو قطعه‏ ی گرافیتی با وجود نانولوله‏های کربنی در فصل مشترک آن‏ها 62/278 362/79

    همان‏گونه که دیده می‏ شود، بدون در نظر گرفتن ماده ‏ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان گاف‏ های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می‏شوند. با در نظر گرفتن ماده‏ ای مناسب مانند نانولوله‏ های کربنی، می‏توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد.

    در مقالات بعدی با خصوصیات نانولوله ‏های کربنی بیشتر آشنا می‏شویم.
    ویرایش توسط آسمون : 2013/04/03 در ساعت 16:19
    [SIGPIC][/SIGPIC]
  14. 1
  15. #8
    سینا شریفی
    مدیـــر تالار مهندسی متالورژی
    تاریخ عضویت
    2012/12/08
    نوشته ها
    1,445
    3,296
    3,218
    امكان ابر رسانایی نانو لوله های كربنی در دمای اتاق


    شرح مختصر:
    ابر رسانایی در دماهای بسیار پایین رخ میده تازه بعضی عناصر در دماهای بسیار پایین باز هم به دلیل پدیده ی ناکاملی ابر رسانا نمیشن.
    اما حالا میبینیم که در دمای ۲۵ درچجه ی اتاق هم میشه ابر رسانا داشته باشیم:كشف ابر رسانایی دماهای بالا در تركیبات سرامیكی در سال 1986 و افزایش سریع دمای بحرانی در آنها امید های زیادی را برای رسیدن به ابر رسانایی در دمای اتاق به دنبال داشت.
    این امید با توقف روند افزایشی دمای بحرانی به فراموشی گرایید. كشف ابر رسانایی در تركیب های فلورنها و به دنبال آن در نانو لوله های كربنی دسته ی جدیدی از ابر رسانا ها را به دنیای فیزیك معرفی كرد. امكان ابر رسانایی نانو لوله های كربنی در دمای اتاق امید تازه ای را برای فیزیك دانان به دنبال داشته است. این امید با توجه به مطالعات نظر ی كه می گوید در سیستمهای شبه یك بعدی امكان بروز ابر رسانایی حتی با 500 كلوین وجود دارد بیشتر می شود...
    كشف ابر رساناهای سرامیكی گرم در سال 1986 را انقلاب علمی قرن بیستم نام نهادند و ارزش آن را حتی از كشف ترانزیستور بالاتر پنداشتند. جایزه نوبل سال 1987 نیز به كاشفان آن تعلق گرفت. پیشرفت های زیاد در ساخت ابر رساناهای گرم و امید رسیدن به تركیبی كه بتواند در دمای اتاق ابر رسانا باشد دنیای فیزیك را به فعالیتی شبانه روزی واداشت.طی 5 سال بعد از كشف ابر رساناهای گرم دمای بحرانی ابر رسانایی در تركیبات جیوه دار به 134 درجه كلوین رسید ؛دمایی كه 5 سال پیش در تصور هیچ فیزیك دانی نمی گنجید و متاسفانه این دمای بحرانی هنوز به صورت یك ركورد باقی مانده است و تركیب جدیدی با دمای بحرانی بالاتری كشف نگردیده است. این ركورد قدری فعالیت فیزیكدانان را در این ضمینه كمتر كرد و كم كم این سوال پیش آمد كه برای رسیدن به ابر رسانایی دمای اتاق باید سیستم های سرامیكی را كنار گذاشت و به سراغ سیستم های جدیدی رفت؟ با كشف ابر رسانایی در فولرنها و نانو لوله های كربنی حوزه ی جدید در فیزیك گشوده شد. پس از كشف كربن 60 در سال 1985 توسط كروتو و همكارانش از دانشگاه ساسكس و با توجه به كاربردهایی كه برای آن متصور شدند مجددا آن را انقلاب علمی جدیدی پنداشتند. آلاییدن كربن 60 با فلزات قلیایی خاكی ابر رسانایی را به دنبال داشت.در تركیبات A360 فلرات قلیایی خاكی ابر رسایی تا 33k در تركیب C60/CHBr3 به ترتیب در 70 و 117 درجه كلوین مشاهده گردید.


    آنچه كه موضوع را مهیج می كند امكان بروز ابر رسانایی نانولوله های كربنی در دمای اتاق است. ابر رسانایی دمای اتاق كه فیزیك دانان آن را در سیستم های سرامیكی كه آن را با كشف ابر رسانای گرم مقایشه می كنند.


    در سال1991 محققین ژاپنی در حین ساخت كربن 60 اشیای سوزنی شكلی بر روی الكترود منفی دستگاه ایجاد كننده ی قوس الكتریكی یافتند.آزمایش های متعدد نشان داد كه این اشیاء سوزنی شكل صفحات گرافیتی لوله شده های هستند كه دارای قطری در حدود 1 نانو متر و طولی در حد میكرومتر هستند. این نانو لوله ها كه می تواند تك جداره و یا چند جداره باشند دارای نوك مخروطی شكل و بسته ای هستند و ایت امكان را دارند تا با روشهای شیمیایی باز شده و با ذخیره كردن مواد خاصی در آنها مثل نیتروژن و یا لیتیم از آنها به عنوان پیل های سوختی با عمر طولانی و یا كابردهای متعدد دیگر استفاده كرد.مطالعه فیزیكی این نانو لوله ها با ضخامت بسیار كم به عنوان یك سیستم شبه یك بعدی مورد توجه شدید فیزیك دانان قرار گرفته است. عامل بروز ابر رسانایی مدهای پلاسمونی آكوستیكی غیر میرا در سیستم سبه یك بعدی می باشد. علاوه بر این ابر رسانایی دمای بالا می تواند در یك سیستم الكترونیكی چند لایه به واسطه جاذبه حاملهای بار در یك لایه رسانا از طریق تعویض پلاسمونها ی مجازی در لایه ی مجاور رخ دهد. با توجه به این تئوری ها ، در نانو لوله های كربنی تك جداره و چند جداره با توجه به ضخامت آنها كه به طور منحصر به فردی شبه یك بعدی اند برای بروز ابر رسانایی دمای بالا با واسطه ی پلاسمونی ایده آل به نظر می رسد. ضمن اینكه نانو لوله های چند جداره هم یك بعدی اند هم دارای ساختار الكترونیكی چند لایه می باشند. مطالعات دیگر نشان می دهد كه نانو لوله های كربنی بستر مناسبی برای حركت زوج كوپلر فراهم می آورند و به عبارتی رسانای زوج كپلر می باشند. در ابر رساناها،حامل های بار، زوج الكترونهایی هستند كه به دلیل عوامل مختل به جای دفه همدیگر را جذب می كنند و همین جادبه عامل ابر رسانایی است. این زوج الكترون را زوج كپلر می نامند. كشف ابر رسانایی K15 در نانو لوله های خالص نه تنها حیرت دانشمندان را به دنیال داشته بلكه قضایایی را كه حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستم های یك و دو بعدی ممنوع می دانسته رد كرده است.

    ژاو و همكارانش دلایل متعددی را ارایه كرده اند كه می توان ابر رسانایی نانو لوله های كربنی در دمای اتاق را یافت. آنها بیش از 20 دلیل ارایه كرده اند كه این نان لوله های كربنی از خود خواصی را نشان می دهند كه بیانگر ابر رسانایی آنها در دمای اتاق است.

    آنچه كه جالب است تلاقی دو انقلاب علمی یعنی ابر رسانایی و نانو تكنولوژی است. بی شك ابر رسانایی دمای اتاق رویایی در ذهن فیزیك دانان است . خصوصا این كه ماده ای در ابعاد نانو در دمای اتاق بتواند جریان الكتریسیته را بدون اتلاف حمل نماید كاربردهای متعدد و غیر قابل تصوری را در شاخه های مختلف علمی و صنعتی و پزشكی داشته باشد. كشف ابر رسانایی دمای اتاق جایزه نوبل را نصیب كاشفان ان میكند و به نظر میرسد این كاشفان باید امید های خود را در نانو لوله های كربنی جستجو كنند.

  16. 2
  17. #9
    آسمون
    ناظـم سایـت
    تاریخ عضویت
    2012/11/06
    محل سکونت
    زیر چتر آسمون...
    سن
    26
    نوشته ها
    1,608
    3,143
    2,397

    آشنایی با نانولوله های کربنی

    آشنایی با نانولوله های کربنی

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    شرح :



    کربن یکی از عناصر شگفتانگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. به عنوان مثال فولاد ـ که یکی از مهمترین آلیاژهای مهندسی است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل می شود؛ با تغییر درصد کربن (بهمیزان تنها چندصدم درصد) می توان انواع فولاد را به دست آورد. «شیمی آلی» نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی «کربن» و «هیدروژن» می پردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایهگذاری شده است. یک لایه گرافیت را در نظر بگیرید. اتمهایی را که در یک ردیف قرار گرفتهاند با ( n,m ) ـ که نشاندهنده مختصات یک نقطه در صفحه است ـ مکانیابی میکنیم. به طوری که مختصاتn، مربوط به ستون اتمها و مختصات m مربوط به ردیف اتمها باشد. همانطور که میدانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه، کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطه ی دیگر قرار دهیم. یک نانولوله مانند صفحه گرافیتی است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند، انواع مختلفی از نانولوله ها را خواهیم داشت. نانولولهها دارای پیوندهای محکمی در بین اتمهایشان می باشند وبه همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله ی کربنی چند برابر نیرویی است که برای شکستن یک قطعه فولاد ـ با ضخامتی معادل یک نانو لوله ـ احتیاج داریم. اما جالب است که بدانیم پیوندهای بین اتمی در نانولولهها علاوه بر ایجاداستحکام بالا، شکلپذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد! در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد. مهمترین خاصیت فیزیکی نانولولهها،«هدایت الکتریکی» آنهاست. هدایت الکتریکی نانولولهها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دستهای به دسته دیگر کاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جایگاه خود در حال ارتعاش است، وقتی که یک الکترون (یا بار الکتریکی) وارد مجموعه ای از اتم ها میشود، ارتعاش اتمها بیشتر شده و در اثر برخورد با یکدیگر بار الکتریکی وارد شده را انتقال میدهند. هرچه نظم اتمها بیشتر باشد، هدایت الکتریکی آن دسته از نانولولهها بیشتر خواهد بود. تقسیم بندی ابتدای متن بر اساس نظم اتمهای کربن در نانولوله و در نتیجه رسانایی آنها انجام شده است؛ برای مثال نانولوله نوع صندلی ۱۰۰۰ بار از مس رساناتر است، در حالی که نوع زیگزاگ و نوع نامتقارن نیمه رسانا هستند. خاصیت نیمه رسانایی نانولوله ها بسته به نوع آنها تغییر می کند.

    قالب بندی : PDF


    تعداد صفحات :۳۲


    حجم :۲٫۷۰MB

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
    .
    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]











  18. 1
نمایش نتایج: از 1 به 9 از 9

اطلاعات موضوع

کاربرانی که در حال مشاهده این موضوع هستند

در حال حاضر 1 کاربر در حال مشاهده این موضوع است. (0 کاربران و 1 مهمان ها)

کلمات کلیدی این موضوع

مجوز های ارسال و ویرایش

  • شما نمیتوانید موضوع جدیدی ارسال کنید
  • شما امکان ارسال پاسخ را ندارید
  • شما نمیتوانید فایل پیوست کنید.
  • شما نمیتوانید پست های خود را ویرایش کنید
  •