برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۰۵۸
  • بازدید این ماه ۲
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

امتیاز کاربران

معرفی صفحه مختصات گرافنی

همان طور 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 الکترونیs22s22p2 1هستند. 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 شکل‌های 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 فولرین 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 نانولوله‌های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوه‏ی چینش اتم‏ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره‌‏ها، نقص‏‌های ساختاری و گروه‏‌های عاملی موجود بر روی نانولوله‏ از جمله خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص‏ نقش دارند. در این جلسه و جلسه‏ی بعدی به نحوه‏ی چینش اتم‏ها در نانولوله‌ های کربنی می‏پردازیم. برای این منظور نانولوله‏‌های 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 استوانه‌‌ی توخالی با قطری در حد نانومتر است.‏ طول هر نانولوله می‏تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله‌ی تک دیواره را در نظر بگیریم، (همان طور که در جلسه قبل گفتیم) با برش دادن دیواره‏  آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم‌های کربن به نام گرافن به دست می‏آید. در این جلسه برای بررسی شکل ظاهری نانولوله‌ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز می‏کنیم.
مقدمه:

همان طور 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 الکترونیs22s22p2 1هستند. 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 شکل‌های 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 فولرین 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 نانولوله‌های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوه‏ی چینش اتم‏ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره‌‏ها، نقص‏‌های ساختاری و گروه‏‌های عاملی موجود بر روی نانولوله‏ از جمله خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص‏ نقش دارند. در این جلسه و جلسه‏ی بعدی به نحوه‏ی چینش اتم‏ها در نانولوله‌ های کربنی می‏پردازیم. برای این منظور نانولوله‏‌های 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 استوانه‌‌ی توخالی با قطری در حد نانومتر است.‏ طول هر نانولوله می‏تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله‌ی تک دیواره را در نظر بگیریم، (همان طور که در جلسه قبل گفتیم) با برش دادن دیواره‏ی آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم‌های کربن به نام گرافن به دست می‏آید. در این جلسه برای بررسی شکل ظاهری نانولوله‌ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز می‏کنیم.

1- 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 ایده‌آل‏ترین حالت یک صفحه‏ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‌ها و هفت‌ضلعی‏‌هایی نیز ایجاد می‏شود.
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
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 نانولوله‏‌های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک ماده‏ی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه‏‌های 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 لایه‌های 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 نانولوله‏‌های کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله‏‌های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آنها بستگی دارد که در آینده به آن اشاره خواهیم کرد.

2- صفحه‌ی مختصات گرافنی:
صفحه‏‌ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را می‏شناسید. این صفحه، شبکه‌‏ای 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 نقطه‌ی مبدا به هر نقطه‏ی دیگری مثل(nوm) رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل k=mi+nj امکان‌پذیر می‏گردد.
filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 2: صفحه‏‌ی 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 یکه‌ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاه‏های مختصات به این شکل نیستند. بلکه می‏توان دستگاه‌هایی را تعریف کرد که در آن اندازه‏ی بردارهای یکه نابرابر و زاویه‏‌ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه‌ ی مختصات گرافنی. برای توصیف نانولوله‏‌های 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 صفحه‏‌یِ 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.
filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 3: بردارهای یکه‏‌ی i و j در صفحه‏‌ی مختصات گرافنی

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 4: بردارهای کایرال c=4i+2j و c=i+3j در صفحه‏‌ی مختصات گرافنی
همچنین می‏توانیم زاویه‌ی بین بردار کایرال و محور متناظر با بردار یکه‏‌ی i را به عنوان زاویه کایرال که مشخصه‏‌ی راستای بردار کایرال است‏ در نظر بگیریم. این زاویه در شکل 5 نشان داده شده است. همان طور که در آینده خواهیم دید، این زاویه یکی از مشخصه‌های نانولوله‌های کربنی است.

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل 5: زاویه‏‌ی کایرال بین بردار c=4i+3j و محور مربوط به بردار یکه‌‏ی i‏

 


منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو