ایروژل‌ها

ایروژل ها

سیلیکون اکسید یک جزء اصلی از کوارتز است. این ماده به صورت شیمیایی در بسیاری از کاربردها، استفاده می شوند. در محصولات تجاری، این ماده به عنوان افزودنی استفاده می شود، مثلا در تولید لاستیک خودرو و ... . علاوه بر این کاربردها، ااز این ماده در تولید ایروژل نیز استفاده می شود. عموماً یک ایروژل به عنوان ماده ی جامدی تعریف می شود که تا 95 % از حجم آن را می تواند تخلخل های نانومتری تشکیل دهد. ایروژل ها با روش سل- ژل تولید می شوند و می توانند از کربن، اکسید فلزات، پلیمرها و یا سیلیکات ها، تولید شوند.
به دلیل تخلخل بالا، ایروژل ها دارای مساحت سطح بسیار بابللایی هستند و رسانایی گرمایی آنها بسیار پایین است. بنابراین، این مواد برای عایق کاری حرارتی و همچنین تولید فیلترها، مناسب می باشند (شکل 1). یکی دیگر از خواص جالب توجه این مواد، وزن سبک آنهاست. این ویژگی موجب شده است تا این مواد در تولید ساختارهای سبک، استفاده شوند. ایروژل ها همچنین به خاطر خواص نوری آنها نیز مورد توجه هستند. این مواد شفافیت نوری قابل توجهی دارند. ایروژل سیلیسی از حفراتی در ابعاد 10 نانومتر ساخته شده اند که فاصله ی بین 10 تا 100 نانومتر از هم دارند. این مواد در برابر فلزات خنثی و مایع مقاوم هستند. مقاومت حرارتی آنها تا 1200 درجه ی سانتیگراد حفظ می شود و همچنین این مواد غیر سمی هستند. از این رو، این مواد در کابردهای بیومدیکالی، استفاده می شوند (مثلا به عنوان زیرلایه برای رشد سلولی و تجزیه و تحلیل های مربوطه). یکی از مشکلات مربوط به ایروژل ها، گران قیمت بودن و مقاومت پایین در برابر آب می باشد. در حقیقت این مواد وقتی خیس می شوند، پایداری و رسانایی گرمایی پایینی دارند.

مواد بر پایه ی کربن

در طبیعت، برخی از مواد خالص وجود دارند که خواص کاملا متفاوتی دارند، اگر چه آنها از اتم های یکسانی تشکیل شده اند. برای مثال، گرافیت و الماس (شکل 2): دو ماده ی بسیار خالص می باشند که یکی به صورت متداول در مداد استفاده می شود و دیگری در جواهرسازی کاربرد دارد. متفاوت تر از این دو ماده دیگر یافت نمی شود. گرافیت نرم، سبک، انعطاف پذیر و رسانای الکتریسیته است در حالی که الماس بسیار سخت و محکم است و رسانای الکتریسیته نیست. هر دو ماده از اتم های کربن ساخته شده اند و بین آنها پیوند کوالانسی قوی وجود دارد. در گرافیت هر اتم کربن از سه الکترون از چهار الکترون خود برای تشکیل پیوندهای منفرد، استفاده کرده است و موجب تشکیل ساختاری لایه ای شده است. در حالی که در الماس، هر اتم کربن از هر چهار الکترون خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. این مسئله منجر به تشکیل ساختاری سه بعدی در این ماده شده است. خواص متفاوت گرافیت و الماس نتیجه ی تفاوت در شیوه ی پیوند دهی اتم های کربن با همدیگر است. گرافیت و الماس هر دو به شکل خالص هستند و هر دو جزء آلوتروپ های کربن به شمار می روند. در سال 1985، یک آلوتروپ جدید از کربن کشف شد که از 60 اتم کربن تشکیل می شد. این اتم ها به صورت شکلی مشابه توپ فوتبال، خودآرایی کرده بودند. این ماده باکی بال، فولرن و یا سی 60 نامیده شد. از زمان کشف این ماده، فلرن های با 70، 80 و حتی اتم های کربن بیشتر کشف شد.
در اوایل دهه ی 1990، یک نوع جدید از مواد کربنی با نام نانوتیوب های کربنی کشف شد. این مواد در حقیقت صفحات گرافیتی بودند که حالت لوله ای پیدا کرده بودند، اما در کل، خواص آنها مشابه خواص گرافیت بود. شکل 3 نشاندهنده ی اشکال مختلف آلوتروپ های کربن است. این فهمیده شده است که فولرن ها و نانوتیوب های کربنی به صورت طبیعی در شعله و یا با سوختن متان، اتیلن و بنزن تولید می شوند و در خاکستر باقی می مانند. محققین امروزه روش هایی برای سنتز این نانومواد توسعه داده اند که بوسیله ی آنها می توانند خواص این مواد را کنترل کنند.
یکی دیگر از نانومواد بر پایه ی کربن که دارای خواص جالب توجهی دارد، گرافن است. این ماده جزء اصلی گرافیت است. گرافیت یک لایه ی از اتم های کربن است که تنها یک اتم ضخامت دارند، اگر چه مواد نازک تر نیز وجود دارند. گرافن قوی ترین ماده ی اندازه گیری شده در جهان می باشد. این ماده 200 برابر قوی تر از فولاد است و علاوه بر این، رسانایی بهتری دارد. این ماده در سال 2004، بوسیله ی Andre Geim و Konstantin Novoselov در دانشگاه منچستر، ایزوله شد. این افراد از چسب نواری برای جداسازی گرافن از گرافیت، استفاده کردند. محققین به صورت گسترده ای خواص جالب توجه گرافن را مورد بررسی قرار دادند و جایزه ی نوبل فیزیک سال 2010 برای مطالعه بر روی این ماده، اعطا شد. محققین اعتقاد دارند که گرافن می تواند در آینده برای تولید ترانزیستورهای فوق سریع مورد استفاده قرار گیرد. این ماده در داخل پلاستیک ها قرار داده می شود تا بدین صورت برای عبور الکترون ها در صفحات مسطح و تلفن های همراه، مناسب باشند.

نانوتیوب های کربنی

نانوتیوب های کربنی می توانند به صورت تک دیواره (SWNTs) با قطر تقریبی 1.4 نانومتر و یا چند لایه (MWNTs) باشند. نانوتیوب های چند دیواره حاوی 2 تا 30 تیوب هم محور می باشند که دارای قطر خارجی 30 تا 50 نانومتر می باشند. ساختار یک نانوتیوب تک دیواره به خوبی و با لوله کردن یک لایه ی نازک از کربن، تفهیم شود. برای کامل شدن نانوتیوب، فرض کنید که دو نیمه فلرن بر روی هر انتهای این نانوتیوب، قرار داده شده است.
نانوتیوب کربنی می تواند از چند ده نانومتر تا چند میکرون، طول داشته باشد و می تواند خواص متالیک داشته باشد. همچنین امکان دارد که این ماده خاصیت نیمه رسانا نیز داشته باشد. رسانایی این ماده از مس بهتر است و به ساختار آن وابسته می باشد. این نانومواد در حقیقت جالب توجه هستند و دارای پتانسیل قابل توجهی در زمینه های مختلف می باشند (شکل 4).

خواص مکانیکی

پیوند شیمیایی مربوط به نانوتیوب های کربنی از پیوندهای کربنی دوگانه تشکیل شده است و مشابه با پیوند کربن در گرافیت است. این ساختار اتصال دهی که در حقیقت قوی تر از پیوند کربن در المان است، موجب می شود تا مولکول هایی با استحکام منحصربفرد، ایجاد شود. نانوتیوب های کربنی به صورت طبیعی با همدیگر هم تراز می شوند و بوسیله ی نیروهای واندروالسی در کنار هم قرار می گیرند.
خواص مکانیکی نانوتیوب های کربنی در جدول 1 آورده شده است. مدول یانگ در حقیقت معیاری از میزان سفتی و یا الاستیک بودن یک ماده می باشد. مقادیر مدول یانگ بالاتر، نشاندهنده ی میزان تغییر شکل کمتر یک ماده در زمان اعمال نیرو می باشد. استحکام کششی توصیف کننده ی ماکزیمم نیرویی است که می تواند بر واحد سطح و پیش از شکست و یا گلویی شدن نمونه، به آن اعمال شود. یک متغیر جالب توجه دیگر برای ماده، دانسیته ی ماده می باشد که در حقیقت نشاندهنده ی میزان سبکی ماده می باشد. از جدول 1 این فهمیده می شود که چوب یک ماده ی بسیار سبک است اما ماده ای ضعیف می باشد، در حالی که نانوتیوب ها بسیار سخت تر از فولاد هستند و همچنین سبک تر هم می باشند.

خواص الکتریکی و گرمایی

خواص الکتریکی مربوط به یک ماده، بر اساس حرکت الکترون ها و فضا و یا حفراتی است که در داخل آن ماده وجود دارد. این خواص بر اساس ساختار شیمیایی و فیزیکی ماده، متغیر می باشند. در مواد نانومقیاس، برخی خواص الکتریکی جالب توجه، ظاهر می شود. نانوتیوب های کربنی بهترین مثال از این اثر در سطح نانومقیاس می باشد. اگر ساختار یک نانوتیوب را به صورت یک صفحه ی گرافیتی لوله شده، در نظر گرفت، نانوتیوب حاصله می تواند رسانا و یا یک نیمه رسانای با گاف انرژی نسبتاً بزرگ، باشد. خواص الکتریکی نانوتیوب ها به روش لوله کردن صفحه ی کربنی، وابسته می باشد. اگر این ماده به گونه ای لوله شود که هگزاگونال های آن به موازات محور طولی تیوب باشد، نانوتیوب مانند یک فلز عمل می کند و رساناست. اگر صفحه به صورت اریب لوله شود، هگزاگونال ها نسبت به محور نانوتیوب، پیچیده شده اند و از این رو، نانوتیوب به عنوان یک نیمه رسانا عمل می کند.
چرا این مسئله رخ می دهد؟ گرافن یک عایق نیست بلکه حالت فلزی و یا نیمه رسانا دارد. این ماده دارای خواص الکتریکی بینابین دارد و از این رو، شبه فلز است. وقتی این ماده لوله می شود، ساختاری پدید می آید که هم فلزی است و هم نیمه رسانا. به عبارت دیگر، الماس دارای ساختار تتراهدرال است و یک عایق تلقی می شود.
یک خاصیت جالب توجه که در نانوتیوب های کربنی تک دیواره مشاهده می شود، این است که رسانایی الکتریکی در داخل آنها حالت بالستیک دارد. این بدین معناست که تمام الکترون هایی که وارد یک انتهای آنها شوند، بدون تفرق از انتهای دیگر، خارج می شوند، صرفنظر از میزان مسافت طی شده بوسیله ی آنها.
محققین همچنین بررسی کرده اند که چگونه نانوتیوب ها می توانند ابررساناهای دما بالا باشند. این بدین معناست که رساناهای بالستیک دارای مقاومت صفر هستند. یک ابر رسانا می تواند مقادیر قابل توجهی از جریان را در ولتاژ اندک، انتقال دهد. در حال حاضر، ابررساناهای شناخته شده در دماهای بسیار پایین کار می کنند. این زمینه از تحقیقات بسیار مهم می باشند زیرا اگر یک ماده در دمای اتاق ابر رسانا باشد، می تواند بدون مقاومت جریان را انتقال دهد و از این رو، هیچ اتلاف حرارتی وجود ندارد. این مسئله منجر به توسعه ی الکترونیک توان پایین و سریع تری می شود که قابلیت حمل الکتریسیته در مسافت های طولانی را با بازده 100 % فراهم می آورد.
از لحاظ خواص گرمایی، نانوتیوب های کربنی حرارت را بهتر از سایر مواد شناخته شده، پراکنده می کنند و رساناهای گرمایی استثنایی هستند.

واکنش شیمیایی

نانوتیوب های کربنی پایداری بالایی دارند و می توانند در برابر حملات مواد شیمیایی مختلف و همچنین دماهای بالا، مقاومت کنند. به هر حال، ساختار شیمیایی آنها می تواند بوسیله ی افزودن لیگاندهای خاص با گروه های عاملی مختلف تغییر کند. از این رو، می توان از آنها در تولید سنسورها، استفاده کرد.

کاربردها

نانوتیوب های کربنی مواد مطمئنی در بسیاری از کاربردها می باشند. کاربرد این مواد شامل رسانش دارویی، سنسورهای شیمیایی، ابرخازن ها، مواد ذخیره ساز هیدروژن، پیل های سوختی، مدارهای مجتمع، کاغذهای الکترونیکی، مواد پیشرفته مورد استفاده در بخش های ساختاری، حمل و نقل و ساخت ادوات ورزشی و ... می باشد.
محققین امروزه روش هایی توسعه داده اند که بوسیله ی آنها سنتز نانوتیوب های کربنی را کنترل کرده و بوسیله ی آن، ساختارهای منظمی بدست آورده ناد که دارای خواص ویژه می باشند. روش های تولید مورد استفاده تا به امروز، منجر به تولید مقادیر متوسطی از نانوتیوب ها شده است که اکثر انها دارای طول محدود می باشند. اغلب این فرایندها منجر به تولید نانوتیوب هایی می شود که خالص نیستند. ناخالصی ها منجر به سمی شدن نانوتیوب ها می شود.
هزینه های مربوط به تولید نانوتیوب های کربنی به شدت بالاست. در آینده، این هزینه ها باید به طور قابل توجهی کاهش یابد تا بدین صورت، تولید انبوه این مواد، مقدور شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff