نانو در چرخه طبیعت

کربن به ۴ صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود. همه این ۴ شکل، جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های کربن به صورت منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

به گزارش پایگاه خبری گسترش، روزنامه صمت نوشت: گرافیت یکی از مهم‌ترین ساختارهای کربن در طبیعت است که از قرار گرفتن ۶ اتم کربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. ترکیب این اتم‌ها به گونه‌ای است که یک شش‌ضلعی منتظم را به وجود می‌آورد. اگر لایه‌های گرافیتی را از دو نقطه به هم وصل کنیم نانولوله‌های کربنی تولید می‌شوند. این نانولوله‌ها از دستاوردهای مهم فناوری نانو است. قطر نانولوله تک‌دیواره بین ۸/۰تا ۲ نانومتر و چنددیواره بین ۵ تا ۲۰ نانومتر است، با این حال قطر نانولوله چنددیواره می‌تواند از ۱۰۰ نانومتر هم بالاتر برود. طول نانولوله می‌تواند کمتر از ۱۰۰ نانومتر تا چندین سانتی‌متر باشد، که بر این اساس، حد واسطی بین مقیاس‌های مولکولی و مقیاس‌های بزرگ میکروسکوپی است. جذابیت تجاری نانولوله‌های کربنی در ظرفیت تولید آنها منعکس می‌شود، که به تازگی از مرز چندین هزار تن در سال عبور کرده است. پودر حجیم نانولوله در محصولات تجاری گوناگونی، از باتری‌های قابل شارژ و قطعات خودرو و اجناس ورزشی گرفته تا بدنه قایق‌ها و فیلترها مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیشرفت‌هایی که در سنتز، تخلیص و اصلاح شیمیایی نانولوله‌ها به‌دست آمده، استفاده از آنها در حوزه الکترونیک لایه‌نازک و پوشش‌های مساحت بالا را ممکن می‌کند؛ با این همه هنوز استحکام مکانیکی و خواص الکتریکی و حرارتی مورد انتظار از نانولوله‌های کربنی در بسیاری از محصولات فراهم نشده است. در بین کاربردهای تجاری، نخ‌ها و صفحه‌های نانولوله‌های کربنی توانسته‌اند به سطح کارآیی امیدبخشی برای کاربردهایی مثل ابرخازن‌ها، عملگرها و محافظ‌های الکترومغناطیسی سبک برسند. پیشینه پژوهش‌های گسترده درزمینه نانولوله‌های کربنی در اوایل دهه ۱۹۹۰میلادی به نخستین سنتز صنعتی آنچه امروز نانولوله چنددیواره نامیده می‌شود در دهه ۱۹۸۰میلادی و مشاهده‌های ثبت شده از نانوالیاف کربنی توخالی در دهه ۱۹۵۰ میلادی برمی‌گردد. با وجود این، فعالیت‌های تجاری مرتبط با نانولوله‌های کربنی در دهه گذشته رشد قابل‌توجهی داشته است. ازسال ۲۰۰۶ میلادی ظرفیت تولید جهانی این ماده حداقل ۱۰ برابر شده و شمار سالانه مقاله‌های و پتنت‌های مربوط به نانولوله رو به رشد است. امروزه بیشترین نانولوله‌های کربنی تولیدی در مواد کامپوزیت حجیم و فیلم‌های نازک استفاده می‌شود، که به دلیل ساختارهای بی‌نظم نانولوله‌ها خواص محدودی دارند. ساختارهای منظم نانولوله، مثل جنگل‌های منظم عمود، نخ‌ها و صفحه‌ها، این امید را ایجاد کرده است که با تولید انبوه بتوان خواص نانولوله‌های منفرد و قابلیت‌های جدید را در کاربرد محقق کرد. این قابلیت‌ها شامل بازیابی شکل، چسبندگی خشک، ضربه‌پذیری بالا، پلاریزاسیون تتراهرتز، فعال‌سازی با پالس‌های شدید، جذب نزدیک به ایده‌ال جسم سیاه و خواص گسیل گرمایی صوت است. با این حال، خصوصیات الکتریکی، مکانیکی و حرارتی ساختارهای ماکرومتری نانولوله‌ها، مثل نخ‌ها و صفحه‌های نانولوله‌ای که به تازگی ارائه شده به شکل چشمگیری کمتر از نانولوله‌های منفرد است. البته تولید انبوه پودرهای نانولوله‌ای موجب شده تاکنون از آنها در بسیاری از محصولات تجاری استفاده شود و اکنون به فاز رشد دوره عمر محصولاتش وارد شده است. کاربرد نانو لوله‌های کربنی در مواد کامپوزیت نانولوله چنددیواره ابتدا به عنوان فیلرهای رسانای الکتریکی در پلاستیک‌ها استفاده می‌شدند. کامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله چنددیواره بی‌نظم به رسانایی‌های بالایی می‌رسند. استفاده از پلاستیک‌های نانولوله‌ای رسانا در صنعت خودرو، امکان رنگ کردن الکترواستاتیکی قاب‌های آینه‌ای و همچنین امکان دستیابی به خطوط انتقال سوخت و فیلترهایی که بار الکترواستاتیک را از بین می‌برند را فراهم آورده است. محصولات دیگر شامل بسته‌های محافظ الکترومغناطیسی و حامل‌های ویفر برای صنعت میکروالکترونیک است. برای کاربردهایی که با تحمل بار سر و کار دارند، پودر نانولوله با پلیمرها یا رزین‌های پیش‌ماده می‌تواند سختی، استحکام، یا چقرمگی را بالا ببرد. افزودن یک درصد وزنی نانولوله چنددیواره به رزین اپوکسی، سختی و چقرمگی شکست را به ترتیب به میزان ۶ و ۲۳ درصد بالا می‌برد، بدون اینکه بقیه خواص مکانیکی را دچار اختلال کند. بسیاری از سازندگان نانولوله‌های کربنی، به فروش مخلوط رزین‌ها یا مستربچ‌هایی حاوی ۱/۰ تا ۲۰ درصد نانولوله کربنی اقدام می‌کنند. افزون بر این، لغزش نانومتری و مهندسی‌شده بین نانولوله‌ها و اتصالات نانولوله کربنی-پلیمر می‌تواند جذب انرژی مواد را افزایش دهد که برای افزایش کارآیی کالاهای ورزشی مثل راکت تنیس، چوب بیسبال و شاسی دوچرخه استفاده شده است. رزین‌های نانولوله‌ای می‌تواند کامپوزیت‌های لیفی را هم ارتقا دهد. نمونه‌هایی از این دست، شامل پره‌های محکم و سبک توربین‌های بادی و بدنه برای قایق‌های امنیت دریایی است که از کامپوزیت‌های الیاف کربن با رزین‌های حاوی نانولوله‌کربنی استفاده می‌کنند. نانولوله‌های کربنی می‌تواند به عنوان افزودنی در پیش‌ماده‌های آلی برای ایجاد الیاف کربن هم استفاده شود. در همین زمینه مطالعاتی درباره کاربردهای چندمنظوره ازجمله محافظت در برابر رعد و برق، محافظت در برابر یخ‌زدگی و پایش سلامت سازه‌های هواپیما انجام شده است. در بلندمدت، این امکان هست که نخ‌ها و صفحه‌های نانولوله‌ای بتوانند با الیاف کربن در کاربردهای سطح بالا به ویژه در کاربردهای حساس به وزن که عملکرد مکانیکی و الکتریکی را با هم می‌طلبد، رقابت کنند. در کنار کامپوزیت‌های پلیمری، افزودن مقادیر اندک نانولوله کربنی به فلزات، استحکام و مدول کششی بالایی ایجاد کرده است که می‌تواند کاربردهایی در سازه‌های هوافضا و خودروسازی داشته باشد. کامپوزیت‌های آلومینیوم-نانولوله چنددیواره استحکامی قابل مقایسه با فولاد ضدزنگ دارند. (۷/۰تا ۱ گیگاپاسکال) با یک سوم چگالی (۶/۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب). این استحکام با آلیاژهای Al-Li قابل مقایسه است، درحالی‌که نرخ کامپوزیت‌های Al-MWNT کمتر گزارش شده است. در نهایت می‌توان نانولوله چنددیواره را به عنوان افزودنی‌های ضدشعله به پلاستیک‌ها افزود. این تاثیر به طور عمده ناشی از تغییرات در رئولوژی به دلیل حضور نانولوله‌ها است. این افزودنی‌های نانولوله‌ای از نظر تجاری به عنوان جایگزینی برای مواد ضدشعله شیمیایی هالوژنه، که استفاده از آنها به دلایل زیست‌محیطی محدود شده است، دارای جذابیت هستند.