برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۲۸۷
  • بازدید این ماه ۵۲
  • 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

نویسندگان
امتیاز کاربران

تولید نانولوله‌های کربنی بر مبنای کربن جامد

نانولوله کربنی به دلیل ویژگی‌های منحصربه فرد مانند خاصیت کشسانی، رسانایی، استحکام بالا مورد توجه زیادی قرار دارد. روش‌های تولید این نانوساختارها به دو دسته کلی روش‌های مبتنی بر کربن جامد و کربن گازی تقسیم‌بندی می‌شود. در این جلسه و جلسه بعد روش‌های رایج تولید نانولوله‌های کربنی و عوامل موثر بر مشخصه این ذرات در قالب این دو دسته توضیح داده خواهد شد.
1- روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی بر مبنای منبع کربن جامد: 

دو نکته مشترک در روش‌های تولید نانولوله بر مبنای منبع کربن جامد (مانند سایش لیزری، تخلیه قوس الکتریکی)، استفاده از محیط دما بالا (بین 1000 تا 6000 کلوین) و فرسایش گرافیت جامد به عنوان منبع کربن است. علی‌رغم این مشترکات، مرفولوژی (ریخت‌شناسی) نانوساختار کربنی و بازدهی تولید نانولوله‌های کربنی با توجه به شرایط تجربی به طور محسوسی متفاوت است. قبل از ظهور نانولوله‌های کربنی، فولرین با استفاده از این روش‌ها تولید شد. تولید نانولوله‌های کربنی علاوه بر شرایط لازم برای تولید فولرین (دمای بالا و غیاب اکسیژن)، مستلزم حضور کاتالیست نیز است. 

 ساز و کار روش‌های مبتنی بر منبع کربن جامد

مکانیسم‌های مختلفی مانند فرآیند جدایش مولکول‌های کربنی و بازترکیب شدن اتم‌ها و غیره در این روش‌های دما بالا درگیر هستند. سازوکار اصلی این روش‌ها انتقال انرژی از منبع تابش خارجی (یک پرتو لیزر یا تابش منبع خورشیدی) به ماده هدف می‌باشد. این امر منجر به فرسایش ماده هدف و متعاقبا تشکیل پلاسما می‌شود. 

درجه یونیزاسیون پلاسما اهمیت انتقال انرژی بین پلاسما و ماده هدف را برجسته می‌کند. مشخصه پلاسما و مخصوصا محدوده دمایی و غلظت گونه‌های مختلف موجود در پلاسما نه تنها به ماهیت و ترکیب ماده هدف بلکه به میزان انرژی انتقال یافته نیز بستگی دارد.

درجه یونیزاسیون:
درجه یونیزاسیون به نسبتی از ذرات خنثی که باردار شده‌اند گفته می‌شود.
درجه یونیزاسیون پلاسما برابر است با (ne/(ne+n0)) که ne و n0 دانسیته الکترونی و اتم خنثی هستند.

مزایا و معایب روش‌های مبتنی بر منبع کربن جامد

یکی از مزایای این روش‌ها، سهولت تغییر پارامترهای فرآیند و دستیابی به شرایط بهینه تولید نانولوله‌های کربنی می‌باشد. یک چالش عمده این روش‌ها، ناخالصی‌های موجود در محصولات است. نانولوله‌های کربنی همراه با سایر فازهای کربنی و باقیمانده کاتالیست تولید می‌شود. اکثر روش‌های خالص‌سازی موجود در مقالات و شرکت‌های تجاری بر پایه اکسیداسیون (مانند روش‌های بر پایه اسید) است که بر ساختار نانولوله تک‌دیواره تاثیرگذار خواهد بود. یک رویکرد مطلوب برای خالص‌سازی، اصلاح حرارتی در 1200 درجه تحت اتمسفر خنثی است.

بیشتر بدانید:
روش‌های خالص‌سازی نانولوله‌های کربنی شامل دو رویکرد فیزیکی و شیمیایی است:
روش‌های شیمیایی: اکسیداسیون فاز مایع- اکسیداسیون فاز گاز- هالوژنیزاسیون
روش‌های فیزیکی: فیلتراسیون- ماوراء صوت- کروماتوگرافی- سرفکتانت

در این بخش دو روش رایج تخلیه قوس الکتریکی و سایش لیزری توضیح داده خواهد شد.

1-1- سایش لیزری

صفحه گرافیتی حاوی کاتالیست در وسط لوله کوارتز حاوی گاز خنثی (مانند هلیوم و آرگون) قرار داده می‌شود. سپس این سامانه در آون با دمای 1200 درجه قرار می‌گیرد. پرتو لیزر بر صفحه گرافیتی متمرکز شده و منجر به تبخیر سطحی یکنواخت صفحه می‌گردد. بخار کربنی با جریان گاز خنثی جاروب شده و مانند دوده روی سطوح مختلف شامل جمع‌کننده مسی سرد شده با آب، دیواره لوله کوارتز و انتهای صفحه گرافیتی رسوب می‌کند (شکل1).

این فرآیند به پارامترهای زیادی مانند مشخصه پرتو لیزری، دانسیته توان اعمالی، ماهیت هدف و محیط اطراف بستگی دارد. به عنوان مثال هدف جامد می‌تواند بسته به توان اعمالی صرفا گرم شده، ذوب و یا تبخیر شود. 

تاکنون رویکردهای متعددی برای بهبود بازدهی تولید نانولوله‌های کربنی با سایش لیزری انجام شده است. ترس و همکارانش پالس لیزری ثانویه را با فرکانس متفاوت بعد از پالس لیزر اولیه به منظور اطمینان از تابش کامل به صفحه گرافیتی اعمال کردند. رینزلر نیز به منظور افزایش بازدهی، لوله کوارتز ثانویه‌ای را هم محور با لوله کوارتز اولیه و با قطر کمتر به سیستم وارد کرد. این کار به منظور کاهش منطقه تبخیر و افزایش مقدار کربن تبخیر شده است. همچنین می‌توان صفحه گرافیتی را در حال چرخش در سیستم قرار داد تا پرتو لیزری به صورت یکنواخت کل سطح را روبش کند. 

در غیاب کاتالیست در صفحه گرافیتی، عمدتا دوده جمع شده حاوی نانولوله کربنی چنددیواره است. طول آنها تا 300 نانومتر رشد کرده و کیفیت ساختاری و بازدهی تولید به دمای آون بستگی دارد. گزارش شده است که بهترین کیفیت در دمای 1200 درجه آون بدست می‌آید. با کاهش دما کیفیت کاهش یافته و نقص در نانولوله کربنی ظاهر می‌گردد. با استفاده از کاتالیست‌هایی مانند کبالت (Co)، نیکل (Ni)، آهن (Fe) و یا ایریدیوم (Y)، نانولوله کربنی تک دیواره به جای چند دیواره تولید می‌شود. بازدهی آن به نوع کاتالیزور فلزی بستگی دارد. قطر این نانولوله‌ها بین 5 تا 20 نانومتر است و طول آنها تا صدها میکرومتر رشد می‌کند. شایان ذکر است که انتهای همه نانولوله‌های تک دیواره به صورت کامل با کلاهک نیم‌کره‌ای بسته می‌شود. نانولوله‌های کربنی تک دیواره تولید شده با این روش خالص‌تر از نانولوله‌های تولید شده با سایر روش‌ها هستند. 

الف
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
ب
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
ج
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل1: الف- نمایی از اولین دستگاه لیزری تولید کننده نانولوله کربنی ب- نمایی از راکتور تولید نانولوله کربنی با دستگاه لیزر CO2 پیوسته ج- تصویر TEM نانولوله‌های کربنی تک دیواره تولید شده با تکنیک تبخیری لیزر. ذرات سیاه رنگ کاتالیست‌های باقیمانده هستند.

2-1- تخلیه قوس الکتریکی

اولین بار ای‌جی‌ما در سال 1991 از روش قوس الکتریکی برای تولید نانولوله‌های کربنی استفاده کرد. در این روش از یک منبع تقریبا کم ولتاژ برای ایجاد جرقه بین دو الکترود استفاده می‌شود (شکل2). کاتالیست فلزات واسطه به منظور تسریع تولید نانولوله‌های کربنی به آند گرافیتی اضافه می‌گردد. کاتالیست به دو شیوه می‌تواند با آند گرافیتی مخلوط شود: 1- افزودن مخلوطی از کاتالیست و پودر گرافیت در سوراخ‌های هم محور موجود در آند؛ 2- اختلاط همگن کاتالیست در آند گرافتی. 

در حین ایجاد جرقه، جریان الکتریکی بزرگی (بین 50 تا 120 آمپر) از میان دو الکترود که تقریبا در فاصله یک میلیمتری از هم درون اتاقک قرار دارند، عبور می‌کند. سپس نانولوله‌های کربنی به همراه دسته‌ای از محصولات جانبی تولید شده روی کاتد جمع‌آوری می‌گردند. کنترل این روش به سبب دمای بالای آن (حدود 3200 کلوین) سخت است. همچنین برای اجرای این روش بایستی محیط اطراف دستگاه خلاء بوده و در فشار پایینی بین 260 تا 360 تور قرار داشته باشد. این فرآیند مانند سایش لیزری، در محیط یک گاز بی اثر (معمولا هلیوم یا آرگون) انجام می‌شود. نقش گاز در این فرآیند، پایدار نمودن جرقه الکتریکی است که منجر به فراهم شدن شرایط رسوب‌دهی می‌گردد. پایداری قوس الکتریکی و شدت جریان اعمالی از عوامل موثر بر بازدهی تولید نانولوله‌های کربنی با این روش است. 

از عیوب این روش می‌توان به پرهزینه بودن آن، شدت حرارت بالا و تولید مواد جانبی ناخواسته مانند ذرات گرافیتی اشاره کرد. نانولوله‌های تولیدی به این روش به شدت طنابی شکل و چند جداره هستند. 

در پژوهش‌های اخیر، از محیط نیتروژن مایع برای تولید نانولوله کربنی با روش قوس الکتریکی استفاده شد. محیط مایع منجر به ایجاد یک محیط عاری از اکسیژن برای انجام واکنش و خنک‌سازی محصولات می‌شود. بنابراین با استفاده از محیط مایع، این روش ارزان‌تر و مقرون به صرفه‌تر می‌گردد. 

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 2: الف- نمایی از دستگاه قوس الکتریکی ب- تصویر SEM از نانولوله های تولیده شده در محلول 0.3 مولار کلرید سدیم با کاتالیزور ترکیبی Ni_Co و ولتاژ اعمالی 20 ولت

منابـــع و مراجــــع

M. Monthioux et al., Nanostructures, Micro-/Nanofabrication and Materials: introduction to carbon nanotubes

Ch. .Bhattacharjee and A. Nath, Review article Chemical vapour deposition (CVD) technique and the synthesis of carbon nano materials (CVMs)

M. Kumar and Y. Ando, Review article Chemical vapour deposition of carbon nano tubes: a review in growth mechanism and mass production

M. Kumar and Y. Ando, Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production

www.wikipedia.org