المجموعات

ما هي الأنابيب النانوية الكربونية ولماذا تستخدم؟

ما هي الأنابيب النانوية الكربونية ولماذا تستخدم؟

الأنابيب النانوية الكربونية أشياء لا تصدق. يمكن أن تكون أقوى من الفولاذ بينما تكون أنحف من شعر الإنسان.

كما أنها مستقرة للغاية وخفيفة الوزن ولها خصائص كهربائية وحرارية وميكانيكية لا تصدق. لهذا السبب ، لديهم القدرة على تطوير العديد من المواد المستقبلية المثيرة للاهتمام.

قد يمتلكون أيضًا مفتاح بناء مواد وهياكل المستقبل ، مثل مصاعد الفضاء.

هنا ، نستكشف ماهيتها وكيفية صنعها والتطبيقات التي يميلون إلى امتلاكها. لا يُقصد بهذا أن يكون دليلاً شاملاً والغرض منه فقط استخدامه كنظرة عامة سريعة.

ذات صلة: هذه الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تكون أدوات الطاقة من خلال الملابس

ما هي الأنابيب النانوية الكربونية وخصائصها؟

الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs باختصار) ، كما يوحي الاسم ، هي هياكل أسطوانية دقيقة مصنوعة من الكربون. ولكن ليس فقط أي كربون ، تتكون الأنابيب النانوية الكربونية من صفائح ملفوفة من طبقة واحدة من جزيئات الكربون تسمى الجرافين.

تميل إلى أن تأتي في شكلين رئيسيين (الائتمان إلى nanowerk.com):

1. الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) - هذه تميل إلى أن يكون قطرها أقل من 1 نانومتر.

2. الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) - تتكون من عدة أنابيب نانوية متحدة المركز وتميل إلى أن يكون لها أقطار يمكن أن تصل إلى أكثر من 100 نانومتر.

في كلتا الحالتين ، يمكن أن يكون للأنابيب النانوية الكربونية أطوال متغيرة تتراوح بين عدة ميكرومتر إلى سنتيمترات.

نظرًا لأن الأنابيب مبنية حصريًا من الجرافين ، فإنها تشترك في العديد من خصائصه المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، ترتبط الأنابيب النانوية الكربونية بروابط sp2 - وهي قوية للغاية على المستوى الجزيئي.

تميل الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا إلى الارتباط ببعضها البعض عبر قوى فان دير فال. هذا يوفر لهم قوة عالية ووزن خفيف. كما أنها تميل إلى أن تكون مواد موصلة للكهرباء بدرجة عالية وموصلية حرارية.

"يمكن أن تكون جدران CNT الفردية معدنية أو شبه موصلة اعتمادًا على اتجاه الشبكة فيما يتعلق بمحور الأنبوب ، وهو ما يسمى chirality."

تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا بخصائص حرارية وميكانيكية مذهلة تجعلها جذابة لتطوير مواد جديدة.

على سبيل المثال (الائتمان إلى nanowerk.com):

  • يمكن أن يكون للـ CNT قوة شد ميكانيكية 400 مرة ذلك من الصلب العادي.

  • إنها خفيفة الوزن للغاية حيث تبلغ كثافتها سدس كثافة الفولاذ.

  • الموصلية الحرارية CNTs أفضل من الماس.

  • الأنابيب النانوية الكربونية لها نسبة عرض إلى ارتفاع عالية جدًا أكبر من 1000. بمعنى آخر ، فيما يتعلق بطولها ، فهي نحيفة للغاية.

  • "مساحة سطحها الطرفية قريبة من الحد النظري (كلما كانت مساحة سطح الطرف أصغر ، زاد تركيز المجال الكهربائي ، وزاد عامل تعزيز المجال).

  • مثل الجرافيت ، فهي مستقرة كيميائيًا وتقاوم فعليًا أي تأثير كيميائي ما لم تتعرض في نفس الوقت لدرجات حرارة عالية وأكسجين - وهي خاصية تجعلها شديدة المقاومة للتآكل.

  • يمكن ملء الفراغات من الداخل بمواد متناهية الصغر ، وفصلها وحمايتها عن البيئة المحيطة - وهي خاصية مفيدة للغاية لتطبيقات الطب النانوي مثل توصيل الأدوية ".

ماذا تفعل الأنابيب النانوية الكربونية؟

كما رأينا بالفعل ، للأنابيب النانوية الكربونية بعض الخصائص غير المعتادة. وبسبب هذا ، فإن CNT لديها العديد من التطبيقات المثيرة للاهتمام والمتنوعة.

في الواقع ، اعتبارًا من عام 2013 ، وفقًا لـ Wikipedia عبر Science Direct ، تجاوز إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية عدة آلاف من الأطنان سنويًا. تحتوي هذه الأنابيب النانوية على العديد من التطبيقات ، بما في ذلك استخدامها في:

  • حلول تخزين الطاقة
  • نمذجة الجهاز
  • الهياكل المركبة
  • قطع غيار السيارات ، بما في ذلك السيارات التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين
  • أجسام القوارب
  • بضائع رياضيه
  • مرشحات المياه
  • الإلكترونيات ذات الأغشية الرقيقة
  • الطلاءات
  • المحركات
  • التدريع الكهرومغناطيسي
  • المنسوجات
  • التطبيقات الطبية الحيوية ، بما في ذلك هندسة أنسجة العظام والعضلات ، والتوصيل الكيميائي ، وأجهزة الاستشعار الحيوية والمزيد

هناك أيضًا العديد من المجالات الواعدة التي يمكن أن تساعد فيها الأنابيب النانوية الكربونية في مجالات أخرى مثيرة.

ما هي الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران؟

كما رأينا بالفعل ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران هي تلك الأنابيب النانوية المصنوعة من عدة أنابيب نانوية مترابطة بشكل مركز. تميل إلى أن يكون لها أقطار يمكن أن تتجاوز 100 نانومتر.

يمكن أن يصل طولها إلى أكثر من سنتيمترات وتميل إلى أن تكون لها نسب أبعاد تختلف فيما بينها 10 و 10 مليون.

"يمكن تمييزها عن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار على أساس هيكل الدمية الروسية متعدد الجدران وصلابتها ، وتشكل ألياف الكربون النانوية على أساس هيكل جدارها المختلف ، وقطرها الخارجي الأصغر ، والجزء الداخلي المجوف ،" يلاحظ Ákos Kukovecz وآخرون.

يمكن أن تحتوي الأنابيب النانوية متعددة الجدران بين 6 و 25 أو جدران أكثر متحدة المركز.

تمتلك MWCNTs بعض الخصائص الممتازة التي يمكن استغلالها في عدد كبير من التطبيقات التجارية. وتشمل هذه (الائتمان إلى azonona.com):

  • الكهرباء: تكون MWNTs عالية التوصيل عند دمجها بشكل صحيح في هيكل مركب. وتجدر الإشارة إلى أن الجدار الخارجي وحده موصّل ، والجدران الداخلية ليست مفيدة للتوصيل.

  • علم التشكل المورفولوجيا: تتمتع MWNTs بنسبة عرض إلى ارتفاع عالية ، مع أطوال تزيد عادة عن 100 مرة القطر ، وفي بعض الحالات أعلى من ذلك بكثير. لا يعتمد أدائها وتطبيقها على نسبة العرض إلى الارتفاع فحسب ، بل أيضًا على درجة التشابك واستقامة الأنابيب ، والتي بدورها تعتمد على درجة وأبعاد العيوب في الأنابيب.

  • جسدي - بدني: تتميز MWNTs الخالية من العيوب بمقاومة شد ممتازة وعندما يتم دمجها في مركب ، مثل مركبات اللدائن الحرارية أو المركبات الحرارية ، يمكن أن تزيد من قوتها بشكل كبير.

  • حراري: تتمتع MWNTs بالاستقرار الحراري أكثر من 600 درجة مئوية، استنادًا إلى مستوى العيوب وإلى حد معين على النقاء ، يمكن أيضًا أن يحفز التحلل كعامل مساعد متبقي في المنتج.

  • المواد الكيميائية: MWNTs هي تآصل sp2 الكربون المهجن ، على غرار الجرافيت والفوليرين ، وبالتالي يتمتع باستقرار كيميائي عالٍ. ومع ذلك ، يمكن للمرء أن يعمل على الأنابيب النانوية لتعزيز قوة وتشتيت المركبات.

كيف تتشكل الأنابيب النانوية الكربونية؟

حتى الآن ، هناك ثلاث طرق رئيسية لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية.

وهذه هي:

1. تفريغ القوس

خلال هذه العملية ، يتم حرق الجرافيت إلكترونيًا. تتشكل الأنابيب النانوية الكربونية في المرحلة الغازية ، والتي يتم فصلها لاحقًا.

تميل هذه العملية أيضًا إلى استخدام معدن مثل الحديد أو الكوبالت أو النيكل كمحفز.

2. استئصال الجرافيت بالليزر

يشبه إلى حد كبير تفريغ القوس أعلاه ، يتم حرق الجرافيت ، إلا في هذه المرة باستخدام الليزر. شكل الكونفدرالية بطريقة مماثلة وتم فصلها لاحقًا أيضًا.

تستخدم هذه التقنية أيضًا محفزات معدنية لتسهيل العملية.

3. شعلة البلازما

على غرار الطريقتين الأوليين أعلاه ، فإن عملية صنع مشعل البلازما تستخدم الغاز المحتوي على الكربون بدلاً من أبخرة الجرافيت لإنشاء الأنابيب النانوية الكربونية.

4. ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

CVD هي عملية تحمل أكبر وعد لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية. إنه يسمح بعملية إنتاج كمية أكبر بكثير ويمكن التحكم فيه بشكل أكبر.

كما أنها أرخص.

أثناء الأمراض القلبية الوعائية ، يتم تحضير الركيزة بطبقة من جزيئات المحفز المعدني ، وهي غالبًا النيكل أو الكوبالت أو الحديد أو مزيجًا.

"الأنابيب النانوية تنمو في مواقع المحفز المعدني ؛ الغاز المحتوي على الكربون ينفصل عند سطح جسيم المحفز ، وينتقل الكربون إلى حواف الجسيم ، حيث يشكل الأنابيب النانوية" ، يلاحظ الحجم المعدل بشأن التشغيل الكيميائي للمواد النانوية الكربونية.

يمكن أن تكون هذه العملية محفزة بحتة أو مدعومة بالبلازما.

5. السائل الكهربائي

تم اكتشاف هذه التقنية في عام 2015 من قبل جامعة جورج واشنطن لإنتاج MWCNTs من خلال التحليل الكهربائي للكربونات المنصهرة. تشبه العملية الأساسية تلك الخاصة بأمراض القلب والأوعية الدموية.


شاهد الفيديو: النانو تكنولوجيا. كيمياء الصف الأول الثانوي. الدرس الثالث (ديسمبر 2021).