ساختار نانولوله‏ های کربنی (1)

شرکت در آزمون

برای شرکت در آزمون می بایست وارد سیستم شوید

اتم های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی شرکت دارند. ظرفیت این عنصر 4 است و با اتم های مشابه خود نیز می تواند پیوند یابد. در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده می‏شود و بنابراین خواص گوناگونی نیز ایجاد می‏کند.

در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد می‌گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها، از جمله ی این پارامترهاست.

صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در آن هر اتم کربن با سه کربن دیگر تشکیل پیوند کوالانسی می دهد و شبکه ای از شش ضلعی های منتظم را به وجود می آورد. به همین دلیل صفحات گرافن از استحکام بالایی یرخوردار است. نانولوله های کربنی، صفحات گرافنی هستند که به صورت لوله ای شکل در ابعاد نانومتر درست شده باشند. صفحات گرافیت نیز از اتصال چندین صفحه گرافن توسط پیوند واندروالس به وجود می آید.علت نرمی گرافیت همین پیوند های واندروالس است. گرافن، به عنوان یک لایه‏ی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است.

برای توصیف نانولوله‏های کربنی، ما به یک صفحه‏ ی دو بعدی متشکل از شش‌ضلعی‏ های منتظم احتیاج داریم (صفحه‏ی مختصات گرافنی).در این صفحه‏یِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکه‏ی هم اندازه‏ و زاویه ‏ی بین این دو را 60 درجه تعریف می کنیم. برای حرکت روی این صفحه می‏توانیم، بردار C=mi+nj را تعریف نماییم.

همچنین می توانیم زاویه ی بین بردار کایرال و محور i را به عنوان زاویه ی کایرال که مشخصه ی راستای بردار کایرال است، درنظر بگیریم.

مقدمه

همانطور که می‏دانید، اتم‏های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت دارند و پایه و اساس فناوری‏های مختلفی هستند. این اتم‏ها علاوه بر ترکیب شدن با عناصر دیگر، می‏توانند با اتم‏های کربن نیز پیوند دهند. اتم‏های کربن از نظر ترتیب پر شدن اوربیتالها، دارای ساختار الکترونی 1s22s22p2 هستند. بنابراین چهار الکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتم‏ها مهیا می‏سازد. پیوندهایی که این اتم‏ها تشکیل می‏دهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده می‏شود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد می‏کند. این اتم‏ها در ساختار الماس چهار پیوند یگانه‏ی کوالانس ایجاد می‏کنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند می‏دهد. بنابراین از تمام 4 ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. در ساختار گرافیت، نانولوله و فولرن نیز پیوندهای یگانه‏ای بین اتم‏های کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می‏دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها اتم کربن یکی از ظرفیت‏های خود را مصرف نمی‌کند. این ظرفیت خالی که در واقع یک الکترون اضافی است، به شکل یک پیوند آزاد در خارج از صفحه‏ای که دیگر اتم‏ها در آن قرار دارند، قرار می‏گیرد. این پیوند آزاد یا معلق می‏تواند در شرایطی با گروه‏های عاملی یا دیگر اتم‏های رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.

در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثیر بسیاری بر خواص مواد می‌گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولوله‏ های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوه‏ی چینش اتم‏ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره ‏ها، نقص‏ های ساختاری و گروه‏ های عاملی موجود بر روی نانولوله‏ از جمله خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص‏ نقش دارند. در این مقاله و مقاله‏ی بعدی به نحوه‏ی چینش اتم‏ها در نانولوله‏ های کربنی می‏پردازیم. برای این منظور نانولوله‏ های کربنی را بر اساس ظاهر فیزیکی دسته ‏بندی می‏کنیم. این قبیل دسته‏ بندی‏ها، موجب سهولت بررسی این مواد می‏گردد.

یک نانولوله، همانطور که از نامش برمی‏آید، یک استوانه‏ ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است.‏ طول هر نانولوله می‏تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله‏ ی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیواره‏ی آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم‏های کربن به نام گرافن به دست می‏آید. در این مقاله برای بررسی شکل ظاهری نانولوله ‏ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز می‏کنیم.

گرافن

صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر با 120° است. در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند (شکل 1). البته این ایده‏ آل‏ترین حالت یک صفحه‏ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‏ ها و هفت‌ضلعی‏ هایی نیز ایجاد می‏شود.

شکل 1- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتم‏های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده‏ اند.

در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروه‏های عاملی و هم چنین اتم‏های هیدروژن است. پیوند بین اتم‏های کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می‏رود که نانولوله‏ های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک ماده‏ی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه‏ های گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل می‏شود. اما همانطور که می‏دانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟

آنچه لایه‏ های گرافن را روی یکدیگر نگه می‏دارد، پیوندهای واندروالس بین آن‏هاست. این پیوند بسیار ضعیف است‏. بنابراین لایه‏ های گرافن به راحتی می‏توانند روی هم بلغزند و به همین دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.

گرافن، به عنوان یک لایه‏ی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولوله‏ های کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله‏ های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آن‏ها بستگی دارد که در آینده به آن اشاره خواهیم کرد.

صفحه‏ ی مختصات گرافنی:

صفحه‏ ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را می‏شناسید. این صفحه، شبکه ‏ای است که از مربع‏هایی با طول و عرض واحد تشکیل شده ‏است. در این صفحه دو بردار یکه‏ی i و j هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آن‏ها می‏توان از نقطه‏ ی مبدا به هر نقطه‏ی دیگری مثل (nوm) رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل k=mi+nj امکان پذیر می‏گردد.

شکل 2- صفحه‏ ی مختصات دکارتی؛ بردارهای یکه‏ی i و j هم اندازه و بر یکدیگر عمود هستند.

دستگاه مختصات کارتزین، یک دستگاه دو بعدی است که در آن دو بردار یکه‏ ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاه‏های مختصات به این شکل نیستند. بلکه می‏توان دستگاه هایی را تعریف کرد که در آن اندازه‏ی بردارهای یکه نابرابر و زاویه‏ ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه‏ ی مختصات گرافنی. برای توصیف نانولوله‏ های کربنی ما به یک صفحه‏ ی دو بعدی متشکل از شش‌ضلعی‏های منتظم احتیاج داریم (صفحه‏ی مختصات گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتم‏های کربن (به ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.

در این صفحه‏ یِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکه‏ی هم اندازه‏ ی i و j را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، تعریف می‏کنیم. زاویه‏ی بین این دو بردار برابر با 60° است. برای حرکت روی این صفحه می‏توانیم بردار C=mi+nj را تعریف نماییم. این بردار را بردار کایرال می‏نامیم (بعدها می‌گوییم که چگونه می‏توانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کرده‌ایم.

شکل 3- بردارهای یکه‏ ی i و j در صفحه‏ ی مختصات گرافنی

شکل 4- بردارهای کایرال c=4i+2j و c=i+3j در صفحه‏ ی مختصات گرافنی

همچنین می‏توانیم زاویه‏ ی بین بردار کایرال و محور متناظر با بردار یکه‏ ی i را به عنوان زاویه کایرال که مشخصه‏ ی راستای بردار کایرال است‏ در نظر بگیریم. این زاویه در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که در آینده خواهیم دید، این زاویه یکی از مشخصه‏ های نانولوله‏ های کربنی می‏باشد.

شکل 5- زاویه‏ ی کایرال بین بردار c=4i+3j و محور مربوط به بردار یکه ‏ی i‏

میانگین امتیاز : 4.3/5 | تعداد رای : 16

مطالعه شد

منبع: nano.ir

روش رسوب شيميايي فاز بخار (CVD)

1. رسوب شيميايي فاز بخار  (CVD)

روش رسوب‌ شيميايي فاز بخار مستلزم رسوب‌گذاري ماده‌ي شامل نانوذرات از فاز گازي است. ماده آنقدر گرم مي‌شود تا به صورت گاز درآيد و سپس به صورت يک ماده جامد بر روي سطح، معمولاً تحت خلأ رسوب‌گذاري مي‌گردد. ممکن است رسوب‌گذاري مستقيم يا رسوب‌گذاري از طريق واکنش شيميايي، محصول تازه‌اي را به وجود آورد که با ماده‌ي تبخير شده تفاوت زيادي داشته باشد. اين فرآيند به آساني نانوپودرهايي از اکسيدها و کاربيدهاي فلزات را پديد مي‌آورد، مشروط بر اينکه بخارات کربن يا اکسيژن همراه با فلز در محيط وجود داشته باشد.

رسوب‌گذاري شيميايي فاز بخار را، همچنين مي‌توان براي رشد سطوح مورد استفاده قرار داد. جسمي که قرار است پوشش داده شود در مجاورت با بخار شيميايي قرار داده مي‌شود. نخستين لايه از مولکول‌ها يا اتم‌ها ممکن است با سطح واکنش دهد يا واکنش ندهد. در هر صورت، اين گونه‌هاي در حال رسوب‌گذاري که براي اولين بار تشکيل شده‌اند، به عنوان بستري که ماده بر روي آن مي‌تواند رشد کند، عمل مي‌کنند. ساختارهاي پديد آمده از اين مواد، اغلب در يک رديف در کنار هم به خط مي‌شوند، زيرا مسيري که اتم‌ها و مولکول‌ها در طي آن رسوب‌گذاري گرديده‌اند، تحت تأثير مولکول‌ها يا اتم‌هاي همسايه‌ي آن‌ها قرار مي‌گيرد. اگر بستر يا سطح پايه‌ي ميزبان که رسوب‌گذاري بر روي آن انجام شده است، فوق‌العاده مسطح باشد، رشد سطحي به بهترين وجه انجام مي‌شود. در حين رسوب‌گذاري، مکاني براي بلوري شدن در امتداد محور رسوب‌گذاري ممکن است تشکيل شود، به طوري که ساختار منظم شده و به خط شده به شکل عمودي رشد مي‌کند. اين موضوع به صورت طرحي در شکل (1- الف) نشان داده شده است و با يک ساختار واقعي تشکيل شده از نانولوله‌هاي کربني در شکل (1- ب) مقايسه شده است. از شکل هاي (1- الف و ب) مي‌توان ديد که خواص سطح در طول محور Z نسبت به صفحه X و Y بسيار متفاوت خواهد بود. اين باعث مي‌شود که ويژگي‌هاي سطح، منحصر به فرد و بي نظير باشد.

2. توليد نانولوله‌هاي کربني به روش CVD

روش CVD از ديگر روش‌هاي توليد نانولوله‌هاي کربني است که براي توليد انبوه (در حد چند کيلوگرم) به کار مي‌رود. اين روش شامل رشد کاتاليزوري عنصر کربن در دماي بالاست. در اين فرآيند از نانوذرات فلزي که به عنوان کاتاليست عمل مي‌کنند، استفاده مي‌شود.

منبع تأمين کربن ترکيباتي مانند مونوکسيد کربن، هيدروکربن‌هاي آروماتيک مانند بنزن، تولوئن، زايلن، نفتالن، يا مخلوطي از آن‌ها و نيز هيدروکربن‌هاي غيرآروماتيک مانند متان، اتان، پروپان، اتيلن، پروپيلن، استيلن يا مخلوطي از آن‌ها و همچنين هيدروکربن‌هاي اکسيژن‌دار از قبيل فرمالدئيد، استالدئيد، متانول، اتانول يا مخلوطي از آن‌هاست. کاتاليزورهاي مورد استفاده متفاوت بوده اما حداقل حاوي يک فلز از گروه VIII جدول تناوبي عناصر نظير پالاديم، روديم، روتنيم، نيکل، کبالت، پلاتين و حداقل حاوي يک فلز از گروه VIb جدول تناوبي نظير موليبدن، تنگستن و کروم هستند.

دستگاه توليد نانولوله‌هاي کربني به روش رسوب شيميايي بخار در شکل 2 نشان داده شده است. مطابق شکل، مخلوطي از گازهاي هيدروکربني و گاز آرگون (براي محافظت از آلودگي) وارد کوره‌اي شده و در آنجا پس از انجام واکنش‌هاي شيميايي، نانولوله‌هاي کربني روي ماده‌ي زيرلايه رسوب مي‌کنند. مواد فلزي کاتاليزوري روي ماده‌ي زيرلايه قرار دارند.

3. مراحل توليد

توليد نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره به روش رسوب‌دهي شيميايي فاز بخار شامل دو مرحله‌ي اساسي:

1)توليد کاتاليست و 2)انجام فرايند توليد است. در ابتدا فلز کاتاليست را درون يک ماده‌ي زمينه توزيع مي‌کنند. پس از توليد کاتاليست در مرحله دوم از روش رسوب‌دهي شيميايي بخار استفاده مي‌شود. معمولاً کاتاليزور تهيه شده و مجموعه در داخل يک کوره‌ي استوانه اي مطابق شکل 2 قرار داده مي‌شود. سپس همراه با عبور گاز بي‌اثر، دماي کوره تا حد موردنظر افزايش داده مي‌شود. در ادامه، با قطع جريان گاز بي‌اثر، گاز هيدروژن با جريان مشخص و براي مدت زمان دلخواه در راکتور جريان يافته و سنتز نانولوله‌هاي کربني بر روي کاتاليست صورت مي‌گيرد. پس از گذشت زمان مورد نياز، جريان گاز هيدروکربن قطع و جريان گاز بي‌اثر مجدداً برقرار مي‌گردد و کوره تا دماي اتاق سرد مي‌شود.

انجام اين فرآيند معمولاً به توليد همزمان نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره و چندديواره منتهي مي‌گردد. در سال‌هاي اخير، با اصلاح شرايط فرآيند، توليد نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره حتي با خلوص بالاتر از 90% امکان‌پذير شده است.

منبع: tebyan.net

عبارات مشایه
مطالب مرتبط :