لینک تلگرام
 لینک تلگرام
 لینک تلگرام
انصاری 110

کاربردهای نانو لوله های کربنی

کاربردهای نانو لوله های کربنی

وجود یک سری مختصات ویژه نانولوله‌های کربنی، آن ها را به انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.

امروزه در روند تحقیق درباره نانولوله‌ها توجه و تعمق ویژه‌ای بر روی استفاده از آن ها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگرانی که در دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های تحققاتی سرتاسر دنیا بر روی نانولوله‌ها کار می‌کنند با خوش‌بینی پیش‌بینی می‌کنند که در آینده‌ای نزدیک نانولوله‌ها کاربردهای صنعتی وسیعی خواهند داشت.

هم‌اکنون امکان ساخت ابزارهای بسیار جالبی وجود دارد،‌ اما در خصوص موفقیت تجاری‌ آن ها، باید در آینده قضاوت کرد. تقریباً تمام مقالات به طور ضمنی به کاربرد نانولوله‌ها و بهره‌برداری تجاری از آن ها در آینده اشاره دارند. آینده کاربرد نانولوله‌ها در بخش الکترونیک روشن است؛ خواص الکتریکی و پایداری شیمیایی بی بدیل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از این خواص سوق خواهد‌ داد. بنابراین در ادامه به شرح چند مورد از حوزه‌های مهم کاربرد نانولوله‌ها می پردازیم.

1) ترانزیستورها

نانولوله‌ها در آستانه کاربرد در ترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می‌شوند. بسیاری از طراحان دستگاه‌ها تمایل دارند به پیشرفت‌هایی دست یابند که آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاه‌ها در فضای کوچک تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله‌ها دارای آستانه می‌باشند (یعنی سیگنال باید از یک حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشکار کند) که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی زیر آستانه را در شرایط اختلال الکتریکی یا نویزآشکار و ردیابی نمایند. همچنین از آنجایی که ضریب تحرک، شاخص حساسیت یک ترانزیستور برای کشف بار یا شناسایی مولکول مجاور می‌باشد، لذا ضریب تحرک مشخص می‌کند که قطعه تا چه حد می‌تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می‌کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می‌کنند و این نیز سرعت‌ نهایی یک ترانزیستور را تعیین می‌نماید.

لذا اهمیت استفاده از نانولوله‌ها و تولید ترانزیستورهای نانولوله‌ای با داشتن ضریب تحرک برابر با 100 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیکون با ضریب تحرک 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین رکورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرک 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می‌شود.

2) حسگرها

حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.

حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند،‌ دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت،‌ بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها می‌توان،‌ هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.

تحقیقات نشان می‌دهد که نانولوله‌ها به نوع گازی که جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی،‌ قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانولوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است که نانولوله‌های کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانولوله‌های کربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شکل‌ها می‌تواند تغییر کندهادی جاویدان . همچنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانولوله‌های کربنی و سیستم، نانولوله‌های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد بکارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.

3) نمایشگرهای گسیل میدانی

بسیاری از متخصصان بر این باورند که فناوری نمایشگرهای با صفحه تخت امروزی از نظر هزینه، کیفیت و اندازه صفحه نمایش، برای مصارف خانگی مناسب نیستند. آن ها معتقدند که با استفاده از نمایشگرهایی که از نانولوله‌های کربنی به عنوان منبع انتشار استفاده می‌کنند، می توانند این مشکلات را بر طرف ‌کنند .

نانولوله‌های کربنی می‌توانند عنوان بهترین گسیل کننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الکترونی با راندمان وکارایی بالاتری تولید کنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولوله‌ها، تولیدکنندگان را قادر به تولید نوعی جدید از صفحه نمایش‌های تخت خواهد ساخت که ضخامت آن ها به اندازه چند اینچ بوده و نسبت به فناوری‌های فعلی از قیمت مناسب‌تری برخوردار باشد. به علاوه کیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.

در پدیده گسیل میدانی، الکترونها با استفاده از ولتاژ اندک از فیلم‌های ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن می‌شوند. هر نقطه از این فیلم، یک پرتاب کننده الکترون (تفنگ الکترونی) کوچک است که تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد می‌کند. ولتاژ لازم برای نمایشگر گسیل میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متکی بر نانولوله‌ نسبت به آنچه به صورت سنتی در روش اشعه کاتدی استفاده می‌شد، کمتر می‌باشد و این نانولوله‌ها با ولتاژ کمتر، نور بیشتری تولید می‌کنند.

4) حافظه‌های نانولوله‌ای

به دلیل کوچکی بسیار زیاد نانولوله‌های کربنی ‌(که در حد مولکولی است)، اگر هر نانولوله‌ بتواند تنها یک بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظه‌هایی که از این نانولوله‌ها ساخته می‌شوند می‌توانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب، بسیاری از محققان در حال کار بر روی ساخت حافظه‌های نانولوله‌ای می‌باشند؛ بنابراین رؤیای ساخت رایانه‌های با سرعت بالا عملی خواهد شد.

4) استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها

توزیع یکنواخت نانولوله‌ها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانولوله‌ با زمینه در فرآوری این نانوکامپوزیت‌ها از موضوعات بسیار مهم است.

شیوه توزیع نانولوله‌ها در زمینه پلیمری از پارامترهای مهم در استحکام‌دهی به کامپوزیت می‌باشد. آنچه از تحقیقات بر می‌آید این است که استفاده از خواص عالی نانولوله‌ها در نانوکامپوزیت‌ها وابسته به استحکام پیوند فصل مشترک نانولوله و زمینه می‌باشد. نکته دیگر آنکه خواص غیر همسانگردی نانولوله‌ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله‌ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود.

از کاربردهای دیگر نانو لوله ها می توان به امکان ذخیره هیدروژن در پیل‌های سوختی، افزایش ظرفیت باتری‌ها و پیل‌های سوختی، افزایش راندمان پیل‌های خورشیدی، جلیقه‌های ضدگلوله سبک و مستحکم، کابل‌های ابررسانا یا رسانای سبک، رنگ‌های رسانا،‌ روکش‌‌های کامپوزیتی ضد رادار، حصار حفاظتی الکترومغناطیسی در تجهیزات الکترونیکی، پلیمرهای رسانا، فیبرهای بسیار مقاوم، پارچه های با قابلیت ذخیره انرژی الکتریکی جهت راه اندازی ادوات الکتریکی، ماهیچه‌های مصنوعی با قدرت تولید نیروی 100 مرتبه بیشتر از ماهیچه‌های طبیعی، صنایع نساجی، افزایش کارایی سرامیک‌ها، مواد پلاستیکی مستحکم، تشخیص گلوکز، محلولی برای اتصال درونی تراشه‌های بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازنده‌های فوق سریع، کمک به درمان آسیب‌دیدگی مغز، دارورسانی به سلول‌های آسیب دیده، از بین بردن تومورهای سرطانی، تجزیه هیدروژن، ژن‌درمانی، تصویربرداری، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهای شیمیایی ، SET و LED، پیل‌های خورشیدی و نهایتاً LSI اشاره کرد. البته در چند مورد اخیر بیشتر از نوع تک جداره آن استفاده می‌شود.

لذا این فناوری با این گستره کاربردها می‌تواند در آینده‌ای نه چندان دور بازار بزرگی را به خود اختصاص داده و زندگی بشر را تحت تأثیر خود قرار دهد.

در پایان در پاسخ به این سؤال که چرا دانشمندان به فناوری نانو روی آورده ومی‌خواهند بر تمام مشکلات جابه‌جایی اتم فائق آیند می‌توان گفت که تغییرات در مقیاس نانومتری بر خواص موج گونه الکترون‌های درون مواد اثر می‌گذارد لذا با جابه جا کردن اتم‌ها در این مقیاس می‌توان خواص اصلی مواد (به عنوان مثال دمای ذوب، اثرات مغناطیسی، ظرفیت بار) را بدون تغییر کلی ترکیب شیمیایی مواد دگرگون ساخت. بنابر این پیش‌بینی رفتار و خواص در محدوده‌ای از ابعاد برای نانوتکنولوژیست‌ها حیاتی است

روش‌های تولید نانو لوله های کربنی

روش‌های تولید نانو لوله های کربنی

بعد از آن که در سال 1991 ایجیما اولین نانولوله‌ را درکربن دوده‌ای حاصل از تخلیه قوس الکتریکی مشاهده کرد، محققان زیادی در جهت بسط و گسترش روش‌های رشد برآمده‌اند تا بتوانند مواد خالص‌تر با خواص کنترل شده مورد نظر تولید کنند. اما با آن که روش‌های زیادی برای تولید نانولوله‌های کربنی ارائه شده است،‌ سنتز آن ها در دمای اتاق تاکنون به صورت مشکلی لاینحل باقی مانده است. دانشمندان تاکنون این مواد را در محدوده دمایی 200 تا700 درجه سانتیگراد با بازده کمتر از 70 درصد و حتی پس از چندین بار خالص‌سازی با درجهخلوص حداکثر 95 -70 درصد تولید کرده‌اند. در زیر چند روش عمده در سنتز نانولوله‌ها مورد بحث اجمالی قرار می‌گیرد. بدون شک بهینه سازی و کنترل این روش‌ها می‌تواند توان بالقوهنانولوله‌ها را پدیدار نماید.

1- روش تخلیه قوس

در این روش اتم‌های کربن به وسیله عبور جریان بالا از دو قطب آندو کاتد در داخل پلاسمای گاز هلیم داغ شده و بخار می‌شوند.

2- روش تابش لیزر

در این روش پالس‌های قوی شده اشعه لیزر به طرف یک هدف کربنی که شامل 5 درصد اتمی نیکل و کبالت است پرتاب می‌شوند.

3- رسوب بخار شیمیایی(CVD)

این روش شامل حرارت دادن مواد کاتالیزوری تا درجه حرارت های بالا در یک کوره لوله‌ای شکل و عبور یک گاز هیدروکربنی در سراسر لوله برای یک مدت زمان معین می‌باشد.

دو روش تخلیه قوس و تابش لیزر برای زمان طولانی، روش‌های تقریباً کاملی برای تولید نانولوله‌های تک جداره بودند. اما از آنجایی که هر دو روش مبتنی بر بخار اتم‌های کربن درون محفظه کوچک هستند اولاً میزان تولید نانولوله پایین می‌باشد، ثانیاً نانولوله‌هایی که به صورت تبخیری تهیه می‌شوند به صورت در هم پیچیده هستند؛در این صورت برای خالص و تمیز کردن آن ها با مشکل مواجه‌اند. روش رسوب بخار نیز با چالش‌هایی مواجه است چرا که برای تولید نانولوله‌های کربنی چند جداره چگالی بالایی از عیوب در ساختارشان به وجود می‌آید. این عیوب به خاطر دمای پایین رشد می‌باشد که مقدار انرژی لازم برای بازپخت (آنیل) نانولوله‌ و تکمیل ساختارش را فراهم نمی‌کند. همچنین این روش منجر به مداری شامل هر نوع نانولوله‌های هادی و نیمه‌هادی می‌شود. همچنین رشد نانولوله‌ها دلخواه بوده و قطر آن ها بزرگ است در حالی که نانولوله‌های با قطر کمتر در کلید زنی مناسب‌ترند. با این وجود تمرکز محققان بر روی روش رسوب‌دهی بخار است زیرا تولید انبوه در حد کیلوگرم را میسر می‌سازد و می‌توان کنترل قابل قبولی بر مکانیزم رشد داشت.

انواع نانو لوله های کربنی

انواع نانو لوله های کربنی

نانولوله‌ها به دو دسته تک جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) تقسیم می‌شوند،‌ نانو لوله های تک جداره نیز بر حسب آرایش اتم‌های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی (Armchair) و کایرال( chiral ) که دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ (Zigzag) که خاصیت نیمه‌رسانایی دارد، تقسیم می‌شوند.

(n,0)

Zig-Zag

(n,n)

armchair

chiral

نانولوله‌های کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختارساده (ورقه‌ای از شش ضلعی‌های منظم) تشکیل شده‌اند. برخی پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که تک جداره ها می‌توانند رسانا یا نیمه‌رسانا باشند. این هدایت الکتریکی بالا بستگی به هندسه دقیق اتم‌های کربن دارد. از آغاز کار روی تک جداره ها از آن ها به عنوان یک پدیده تک بعدی نام برده می‌شد تا این که این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت کرد. علت علاقه به این نانولوله‌های تک جداره و تلاش برای جایگزین کردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظری و تأثیرات آزمایشگاهی، بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آن ها مانند فلزات می‌باشد. البته تولید نانو لوله های تک جداره دارای هزینه بالایی است و تولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آن ها در حین فراوری پلیمر- نانولوله مشکل می‌باشد. هر چند نانولوله‌هایی که با استفاده از تکنیک لانگهوری- بلاجت که شامل حرکاتی افقی و عمودی شبیه نقاشی سنتی ژاپن می‌باشد تولید شده‌اند، علاوه بر این که ثابت نگه داشته می‌شوند- توسط ژلاتین و تشکیل نانوژل کربنی- از لحاظ نوری نیز یکدست و همگن و از لحاظ ساختاری قابل کنترل می‌باشند.

بر عکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله‌های کربنی چند جداره باعث شده که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های کربنی چند جداره (جایگزین کربن بلک Carbon-black) در پودرهای رنگ استفاده شده است.

یکی از معایب نانولوله‌های چند جداره نسبت به تک جداره این است که استحکام‌دهی آن ها کمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. اما از آنجا که‌ در حال حاضر کاربردهای نانولوله‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌شود تا بهبود خواص مکانیکی، کاربرد نانولوله‌های کربنی چند جداره بسیار زیاد می‌باشد. ازطرفی تکنیک‌های موجود نیز برای تولید نانولوله‌های تک جداره به اندازه کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت‌آور است و در نهایت ممکن است به ساختار نانولوله‌ صدمه نیز بزند.

ویژگی های نانو لوله های کربنی


ویژگی های نانو لوله های کربنی
- اندازه بسیار کوچک (قطر کوچکتر از 4/0 نانومتر)

2-حالت رسانا و نیمه‌رسانایی آن ها بر حسب شکل هندسی‌شان
نانولوله‌ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیتی سازندۀ‌شان به صورت رسانا یا نیمه‌رسانا در می‌آیند. به عبارت دیگر از آنجا که نانولوله‌ها در سطح مولکولی همچون یک باریکه سیمی در هم تنیده به نظر می‌رسند اتم‌های کربن در قالب شش وجهی به یکدیگر متصل می‌شوند و این الگوهای شش وجهی دیواره‌های استوانه‌ای را تشکیل می‌دهند که اندازه آن تنها چند نانومتر می‌باشد. زاویه پیچش نوعی نانولوله، که به صورت زاویه بین محور الگوی شش وجهی آن و محور لوله تعریف می‌شود، رسانا یا نارسانا بودن را تعیین می‌کند. تحقیقات دی گری نیز نشان داده‌اند که تغییر شعاع نیز امکان بستن طول باند و عایق نمودن نانولوله فلزی را فراهم می‌کند. پس می‌توان گفت دوپارامتر اساسی که در این بین نقش اساسی بازی می‌کنند، یکی ساختار نانولوله و دیگری قطر و اندازه آن است. بررسی‌های دیگری نشان داده‌اند که خصوصیات الکتریکی نانولوله‌ها بسته به اینکه مولکول C60 در کجا قرار داده شود از یک هادی به یک نیمه‌هادی و یا یک عایق قابل تغییر می‌باشد. از آنجایی که نانولوله‌های کربنی قادرند جریان الکتریسته را به وسیله انتقال بالستیک الکترون بدون اصطکاک از سطح خود عبور دهند- این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است که از سیم مسی عبور می‌کند- لذا نانولوله‌ها انتخاب ایده‌آلی برای بسیاری از کاربردهای میکروالکترونیک می‌باشند.
3- برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه ای

4- قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا

5- سطح جداره صاف یا قدرت تفکیک بالا
سطح جداره صاف نانولوله‌ها باعث می‌شود که میزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بیشتر از غشاهای میکروحفره‌ای معمولی که در جداسازی گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند باشد. لذا می‌توان گازهایی مانند هیدروژن و دی‌اکسید کربن را با هدایت در نانولوله از هم جدا کرد. این که آیا نانولوله‌ها واقعاً می‌توانند در خارج از آزمایشگاه نیز گازها را به طور انتخابی از خود عبور دهند یا نه باعث شده که امیدهای زیادی به تولید هیدروژن و نیتروژن از هوا باشد.
6- بروز خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد در طول آن ها

7- مدول یانگ بالا

8- حساس به تغییرات کوچک نیروهای اعمال شده
اعمال فشار بر یک نانولوله می‌تواند ویژگی‌های الکتریکی آن را تغییر دهد که بسته به نوع کشش یک نانولوله می‌توان رسانایی آن را افزایش یا کاهش داد. این امر به دلیل تغییر ساختار کوانتومی الکترون‌ها صورت می‌گیرد. لذا این امکان به فیزیکدان ها داده می‌شود که ترانسفورماتور یا دستگاه‌های انتقال دهنده بر پایه نانولوله‌ها بسازند که حساسیت زیادی به اعمال نیروهای بسیار کوچک دارند. همچنین توانایی نانولوله‌ها در احساس تغییرات بسیار کوچک فشار و باز تبدیل این فشار به صورت یک علامت الکتریکی می‌تواند در آینده امکان ساخت سوئیچ‌های نانولوله‌ای حساس به تغییرات بسیار کوچک فشار را به محققان بدهد.
9- گسیل و جذب نور
نانولوله‌ها می‌توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع کنند. همچنین تزریق همزمان الکترون از یک سر و تزریق حفره از سر دیگر نانولوله‌کربنی، موجب می‌شود که نوری با طول موج 5/1 میکرومتر از نانولوله منتشر شود.

10- ضریب تحرک الکتریسیته بسیار بالا
نانولوله‌ها در دمای اتاق دارای بالاترین ضریب تحرک الکتریسته نسبت به هر ماده شناخته شده دیگری هستند.
11-خاصیت مغناطیسی ، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ
با قرار دادن یک نانولوله در زیر لایه مغناطیسی یا با افزودن الکترون یا حفره به نانولوله می‌توان خاصیت مغناطیسی در نانولوله ایجاد کرد .این خاصیت باعث می‌شود که بتوان ساخت وسایلی را پیش‌بینی کرد که در آن ها اتصالات مغناطیسی و الکتریکی از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطیسی را می‌توان برای قطبی کردن مغناطیسی نانولوله‌ها- دستکاری در اسپین‌ها- به کار برد و از اتصال‌های غیرمغناطیسی برای الکترودهای ولتاژ - جریان استفاده کرد. همچنین ممان مغناطیسی آن ها نیز قابل اندازه‌گیری است (1/0 مگنتون بور در هر اتم کربن).
12- چگالی سطحی بسیار بالا
نانولوله‌ها دارای چگالی سطحی بسیار بالایی می‌باشند که باعث استحکام بالای نانولوله می‌شود. می‌توان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آن ها پدیدار می‌شود.

13-قابلیت ذخیره‌سازی
در نانولوله‌ها هر سه اتم کربن قابلیت ذخیره یک یون لیتیم را دارند در حالی که در گرافیت هر شش اتم کربن توانایی ذخیره یک یون لیتیم را دارند. همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله‌ها چند برابر حجم الکترودهای گرافیتی است. لذا محققان امیدوارند بتوانند هیدروژن زیادی را در نانولوله‌ها برای کاربردهای انرژی و پیل‌های سوختی ذخیره کنند.


14-داشتن خاصیت ابررسانایی
نانولوله‌ها در دمای زیر k ْ15 ابررسانا شده‌اند. شعاع این نانولوله‌های ابررسانا فقط 4/0 نانومتر است. این کشف در نانولوله‌های کربنی نه تنها حیرت دانشمندان را به دنبال داشته بلکه قضایایی را که حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستم‌های یک یا دو بعدی ممنوع می‌دانستند، رد کرده است. همچنین دانشمندان دلایلی را ارائه کرده‌اند که می‌توان ابررسانایی دمای اتاق را در نانولوله‌های کربنی یافت. آن ها بیش از 20 دلیل ارائه کرده‌اند که نانولوله‌های کربنی از خود خواصی را نشان می‌دهند که بیانگر ابررسانایی دمای اتاق در آن هاست.

15- تولید ولتاژ
با عبور مایع از میان کلاف‌هایی از نانولوله‌های کربنی تک جداره، ولتاژ الکتریکی ایجاد می‌شود. از این تکنیک برای ساخت حسگرهای جریان مایع برای تشخیص مقادیر بسیار اندک مایعات و نیز برای ایجاد ولتاژ در کاربردهای زیست پزشکی استفاده می‌شود. همچنین نشان داده شده است که مایعات با قدرت یونی بالا ولتاژ بیشتری تولید می‌کنند.

16- استحکام و مقاومت کششی بالا
میزان افزایش نیروی گرمایی و مقاومت نانولوله‌ها با ریشه سوم جرم اتم‌ها و مولکول‌ها متناسب است. همچنین حرارت دادن موجب افزایش استحکام نانولوله شده و مقاومت کششی آن را شش برابر می‌کند و هدایت آن نیز افزایش می‌یابد. تحقیقات اخیر نشان می دهد که در اثر برخورد اتم‌ها یا مولکول‌ها با نانولوله‌ کربنی مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند.

نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی : این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های کربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله‌ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می‌شود.
نانو لوله های کربن
اگر قبول کنیم که روش‌های تولید به کمک فناوری نانو به دوران طلایی خود رسیده است باید نانولوله‌های کربنی را بچه‌های طلایی این دوران به شمار آوریم. خواص منحصر به فرد (مکانیکی- الکترونیکی- شیمیایی- مغناطیسی- ) این مواد رویایی موجب شده است که قابلیت‌های کاربردی زیادی برای آن ها به وجود آید. پیش‌بینی یک بازار 12 میلیارد دلاری در مدت 5 سال ( 2002تا 2007) حاکی از آن است نانولوله‌های کربنی تأثیر بیشتری از ترانزیستور در جامعه امروزی خواهند داشت. خبرنامه فناوری نانو در راستای رسالت مشخص خود، مطالعات مختلف وگسترده ای را در زمینه نانو لوله ها صورت داده و آن ها را به صورت خبر یا مقاله (در ماه نامه و سایت ستاد) در دسترس علاقه مندان قرار داده است هادی جاویدان هادی جاویدان هادی جاویدان . در تحقیق حاضر با بررسی تمامی مقالات و خبرهای منتشر شده در100 شماره پیشین خبرنامه، ضمن جمع‌بندی خلاصه ویژگی‌ها و موانع تولید نانولوله‌ها، روند حاکم بر این محصول از سنتز تا کاربرد به طور اجمالی ارائه شده است.

نانوامولسیون‌ها

نانوامولسیون‌ها
نانوامولسیون‌ها از مولکولهای سورفکتانت، نظیر فسفولیپیدها که از یک طرف آبگریز (هیدورفوبیک) و از یک سمت آب‌دوست (هیدروفیلیک) هستند تشکیل می‌شوند. هنگامی که این مولکول‌‌ها در یک محیط آبی قرار گیرند، خود به خود کپسولهایی را شکل می‌دهند که قسمت‌های آب‌گریز مولکول در درون آنها واقع می‌شود و لذا از تماس با آب محافظت می‌شوند. لیپوزوم‌ها ساختارهایی از جنس چربی هستند که در این دسته قرار می‌گیرند.

لیپوزوم ( دو لایه چربی یک قطره آب را احاطه کرده‌اند) نانوامولسیون( یک لایه چربی هسته چربی یا آبی را احاطه کرده است)
کاربردها:
این ترکیبات در دارورسانی ساده‌تر از طریق وریدی و خوراکی و همچنین برای رهایش کنترل‌شده وتاخیری آفت‌کشها کاربرد دارند. از مصارف دیگر این ترکیبات می‌توان به کاربرد آنها در پودرهای رختشویی خوشبوکننده لباس و افزایش طول عمر آنزیمها در خارج از سلول اشاره کرد

نانوکپسول

2- نانوکپسول : همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول‌هایی هستند که قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال‌هاست که نانوکپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولکول‌های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود کپسول‌هایی را تشکیل می‌دهند که قسمت‌های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.ا
نانوکپسول
نانوکپسول‌ به هر نانوذره‌ای گفته می‌شود که دارای یک پوسته و یک فضای خالی جهت قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد.
روشهای ساخت:
فرآیندهای اصلی ساخت کپسول‌ها شکل عمومی یکسانی دارند: از یک امولسیون روغن در آب یا آب در روغن برای خلق به ترتیب نانوکپسول‌های روغنی و آبی استفاده می‌شود. زمینه کاربرد کپسول‌ها به نوع امولسیون مورد استفاده بستگی دارد؛ مثلاً تزریق وریدی مستلزم استفاده از نانوکپسول‌های آبی است ، بنابراین برای ساخت کپسول‌های مذکور بایستی از امولسیون آب در روغن استفاده شود. با این حال، طبیعت مواد کپسوله شده- یعنی آب‌دوست یا آب‌گریز بودن آنها- نیز نوع نانوکپسول مورد نیاز را دیکته می‌کند. که ممکن است با کاربرد مورد نظر تطابق نداشته باشد. روکش‌دهی کپسول‌ها با لایه‌های دیگر ممکن است این مغایرت را رفع نماید. برای روکش‌دهی می‌توان از پروتئین‌ها، پلیمرها و دیگر مواد طبیعی و مصنوعی سود جست و آنها را بر حسب خواص گوناگونی به غیر از آب‌دوستی یا آب‌گریزی، نظیر چسبندگی، مقاومت در برابر محیط‌های مختلف و غیره انتخاب کرد. علاوه بر این، می‌توان از کپسول‌های موقتی (یا الگوها) به عنوان شالوده لایه‌های دیگر استفاده کرده و سپس آنها را از بین ببرد. شرایط ساخت نانوکپسول‌ها بحرانی و حاد نیست و به همین علت از منظر زیست‌شناسی، دارای جذابیت خاصی برای رسانش مواد زیستی حساس می‌باشند.
انواع نانوکپسول‌ها
عبارتند از:
• نانوکپسول‌های پلیمری
• نانوامولسیون‌ها
نانوکپسول‌های پلیمری
اخیراً از پلیمرها برای ساخت نانوکپسول‌ها استفاده شده است. فرآیند اصلی ساخت این نانوکپسول‌ها پلیمریزاسیون امولسیونی می‌باشد. هم اکنون می‌توان نانوکپسول‌های پلیمری را در اندازه‌ها و اشکال گوناگون و در مقادیر مناسب تولید کرد.هادی جاویدان هادی جاویدان سپس با الصاق یا جایدهی یک مولکول خاص در دیواره این نانوکپسول‌ها، آنها را "کارکردی" نمود.
کاربرد:
این نانوکپسول‌ها می‌توانند به صورت ماشه یک سیستم دارورسانی هدفمند عمل کرده و در پاسخ به یک زیست‌مولکول خاص، محتوای نانوکپسول را آزاد نمایند. کپسول‌های پلیمری بر خلاف نانوامولسیون‌ها با پیوندهای کووالانسی قدرتمندی به یکدیگر می‌چسبند و بنابراین از استحکام خاصی برخوردارند. بسیاری از نانوکپسول‌ها در هر دو شکل مایع و خشک پایدارند.
برای داروسازی به جای مکانیسم ماشه‌کشی، می‌توان محموله را- در صورت ریز بودن مولکول محموله- با مکانیسم ساده نفوذ رها کرد، یا به صورت تخریب طبیعی و یا به کمک امواج ماوراء صوت آن را باز کرد.
ساخت نانوکپسول‌ها نوعی از خودآرایی محسوب می‌شود.

نانوکپسول‌های کربنی شمای یک مولکول بدام افتاده در نانوکپسول

نانوذرات فلزی

4. نانوذرات فلزی :

نانوذرات آهن ساخته شده به روش چگالش گاز

• تعریف:
طبق تعریف عمومی نانوذرات فلزی، ذراتی به ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند.

• روش ساخت:
نانوذرات فلزی با استفاده از روش‌های چگالش بخار و سیم انفجاری بدست میآیند

• خواص و کاربرد: این نانوذرات می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند ( تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب فلز، در یک جامد آمیخته شوند، این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها می‌گردد. همچنین نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل می‌شوند و هزینه ساخت را کاهش می‌دهند.
o نانوکامپوزیتهای نانوذره‌ای فلزی
تعریف:
نانوکامپوزیتهای نانوذره‌ای فلزی از آمیخته شدن نانوذرات فلزی (باتوجه به خواصشان) با پلیمر بدست می‌آیند
خواص و کاربرد:
این نانوکامپوزیت‌ها، به دلیل ممانعت خوبی که در مقابل تداخل الکترومغناطیسی به وجود می‌آورند، می‌توانند در رایانه و تجهیزات الکترونیکی به کار روند.
نانوکامپوزیتهای نانوذره‌ای فلزی قابلیت‌های ویژه‌ای در هدایت گرمایی والکتریکی دارند که کارایی آن‌ها را افزایش می‌دهد.

خواص وکاربردها درمواد کامپوزیت

o خواص وکاربردها: استفاده از نانوذرات در مواد کامپوزیتی می‌تواند استحکام آنها را افزایش و یا وزن آنها را کاهش دهد، ‌مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را زیاد کند، خصوصیات جدیدی نظیر هدایت الکتریکی را به آنها بیفزاید و فعل و انفعال آنها با نور یا دیگر تشعشعات را تغییر دهد. یکی از خواص کامپوزیت‌های نانوذره‌ای سرامیکی در صنعت بسته‌بندی، کاهش نفوذپذیری گازها است. این خاصیت ناشی از شکل دانه‌ای نانوذرات است که مولکول‌ها را وادار به جابجایی در طول و پیچ و خم‌های ماده می‌نمایند. پرکننده‌های سیلیکات دانه‌ای نیز می‌توانند خاصیت یک پلیمر را از سخت شدن صرفاً در یک جهت به دو جهت تغییر دهند.
هنگامی که نانوذرات سیلیکاتی(خاک‌رس) به عنوان پرکننده در پلاستیک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، با پراکنده‌سازی تنش‌ها استحکام فوق‌العاده‌ای را به وجود می‌آورند، ‌آب‌رفتگی، تاب برداشتگی (در کامپوزیت‌هایی که ضریب انبساط حرارتی کمتری دارند) و نفوذپذیری گازها کاهش می‌یابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شیمیایی افزایش ‌یافته، بازیافت این مواد آسانتر می‌شود. پرکننده‌های خاک‌رس با مقدار پرکننده‌کمتری نسبت به پرکننده‌های معمولی، استحکام را افزایش می‌‌دهد. مثلاً با افزایش 5 درصداز پرکننده‌های نانورُس به کامپوزیت‌ها همان نتیجه‌ای حاصل می‌شود، که با افزایش 20 درصد از پرکننده‌هایی همچون الیاف شیشه‌ای به دست می‌آید. همچنین میزان پرکننده را می‌توان بدون تغییر در خاصیت چکش‌خواری محصول به 10 درصد افزایش داد، که این امر با پرکننده‌های متعارف ممکن نیست.

روش های ساخت نقاط کوانتومی

• روش‌های ساخت:
سه روش عمده برای ساخت نقاط کوانتومی وجود دارد، که یکی از روش‌ها شامل رشد نقاط کوانتومی در ظرف واکنش است.
در دو روش دیگر، نقاط کوانتومی را در روی سطح یک بلور نیمه‌هادی یا در نزدیک آن پدید می‌آوردند. در روش دوم از فرآیند لیتوگرافی برای خلق یک نانوساختار دوبعدی (ساختاری که در دو بعد نانو باشد) استفاده می‌شد، سپس برای جداسازی نقاط کوانتومی روی نانوساختارهای مذکور حکاکی صورت می‌گیرد.
در روش سوم، با رسوب‌دهی یک ماده نیمه‌رسانای دارای ثابت شبکه بزرگتر (ثابت شبکه معرف فواصل اتمها در یک ساختار بلورین منظم است) روی یک نیمه‌هادی با ثابت شبکه کوچکتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت کرنش ) نقاط «خودآراشده» رشد داده می‌شوند.
2. نانوذرات سرامیکی
• تعریف: معمول‌ترین نانوذرات، نانوذرات سرامیکی هستند که به سرامیک‌های اکسید فلزی، نظیر اکسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانوذرات سیلیکاتی (سیلیکات‌ها یا اکسید‌های سیلیکون نیز سرامیک هستند)، که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس، تقسیم می‌شود. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد نانوذرات کمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازه یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر دارند که به وسیله نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند. نانوذرات سیلیکاتی ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و پهنای 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول‌ترین نوع خاک رس که نانوذرات سیلیکاتی هستند مونت‌موریلونیت یا آلومینو سیلیکات لایه‌ای می‌باشد
• کاربردها: وقتی اندازه نانوذرات کاهش می‌یابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزایش یافته، اثرات سطحی قوی‌تر ‌شده و خواص کاتالیستی افزایش می‌یابد. به همین دلیل نانوذرات به عنوان کاتالیزور در زمینه‌هایی نظیر باتری‌ها، پیل‌های سوختی و انواع فرآیند‌های صنعتی قابل استفاده هستند. بیشتر بودن سهم اتم‌ها در سطح نانوذرات نیز خواص فیزیکی آنها را تغییر می‌دهد مثلا سرامیک‌هایی که به طور عادی شکننده‌اند، نرم‌تر می‌شوند.
سرانجام این که افزایش سطح مؤثر حلال یت را افزایش می‌دهد، برای مثال قدرت ترکیبات ضد باکتری را بهبود می‌بخشد.
اصلاح شیمیایی سطح نانوذرات تاثیر زیادی در کارایی و کاربرد آنها دارد. هادی جاویدان هادی جاویدان ایجاد خواص آبدوستی وآبگریزی جزء روش‌‌های اصلاح شیمیایی نانوذرات محسوب می‌شوند. برای نمونه، نانوذرات سیلیکاتی برای به دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند، مثلاً می‌توان با استفاده از یون‌های آمونیوم یا مولکول‌های بزرگتری نظیر سیلسزکیوکسان‌های الیگومریک چند وجهی (POSS )، که هم برای روکش‌دهی نانوذرات سیلیکات و هم به عنوان پرکننده مناسب هستند، این اصلاح شیمیایی را انجام داد.
مونت‌موریلونیت یا آلومینو سیلیکات لایه‌ای با پلیمریزاسیون یا به وسیله آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند و خواص جالب‌توجهی را حاصل می‌آورند.
• روش‌های ساخت:
نانوذرات سرامیکی از روشهای سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد بدست میآیند.
3.
• نانوکامپوزیتهای نانوذره‌ای سرامیکی
o تعریف: نانوکامپوزیت نانوذره‌ای سرامیکی ترکیبی است که در آن نانوذرات سرامیکی در داخل یک زمینه پلیمری توزیع شده اند.

( تعداد کل: 19 )
   1       2      >>