نانولوله‌هاي کربني زيستي سلول
يکي از پرکاربردترين ساختارهاي مورد بحث در فناوري نانو که به عرصه علوم زيستي وارد شده‌است، نانولوله‌هاي کربني هستند. اين نانوساختارها، به‌جهت بهره‌مندي از ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد فيزيکي و شيميايي بالقوه، از توانايي‌هايي براي استفاده در حسگر‌هاي زيستي، حمل و نقل مولکولي، جستجوي الکتروشيميايي نمونه‌هاي بيولوژيک، داربست بافتي، فرستنده سيگنال‌ به سلول‌ها و روش‌هاي تشخيصي برخوردارند. اما پيش از به‌کارگيري نانولوله‌هاي کربني در موجودات زنده، بايد از سازگاري اين ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به اين منظور پژوهش‌هاي زيادي صورت گرفته‌است که تا حدودي سميت نانولوله‌هاي کربني و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنباله‌هاي شيميايي، سطح فعال و خلوص را مشخص نموده‌است. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند از نانولوله‌هاي کربني در حسگرهاي پروتئيني، ناقل‌هاي پروتئيني، ميکروسکوپ‌ها، داربست بافتي سلول استخواني و عصبي، کانال‌هاي مولکولي و فرستنده سيگنال به سلول‌هاي عصبي استفاده کنند.
1. معرفي نانولوله‌هاي کربني
1-1. تاريخچه
به نظر مي‌رسد اولين رشته‌هاي در مقياس نانو در سال 1970 ميلادي توسط Marinobu Endo از دانشگاه اورلئان فرانسه تهيه شد. اين رشته‌ها هفت نانومتر قطر داشتند و با روش رشد توسط بخار تهيه شده بودند [1]. با اين حال امروزه نام ايجيما از آزمايشگاه NEC در تسوکوبا به‌عنوان اولين کسي که توسط HR-TEM در سال 1991 موفق به مشاهده نانولوله‌‌ها شد، در صدر محققان اين رشته‌ باقي مانده‌است [1و2و3و4]. در همين زمان و به طور مستقل در مسکو نيز دانشمندان موفق به کشف ريز‌لوله‌هايي شده بودند که البته نسبت طول به قطر آن کمتر از يافتة ايجيما بود. روس‌ها نام اين ماده را Barrelense گذاردند [1]. آنچه ايجيما موفق به مشاهده آن شده بود نانولوله چند لايه بود و وي به فاصله دو سال موفق به مشاهده نانولوله تک‌لايه نيز گشت. گروه رايس در 1996 موفق به ساخت دسته‌هاي موازي از نانولوله تک‌لايه شدند که راه را براي تحقيقات بيشتر روي فيزيک کوانتوم تک بعدي باز کرد [1].
1-3. روش‌هاي توليد
روش‌هاي توليد نانولوله‌هاي کربني به‌اختصار شامل موارد زير است[2]:
• تبخير يا سايش ليزري (Laser Vaporization/ablation)؛
• رسوب‌‌دهي شيميايي بخار به کمک حرارت (CVD)؛
• رسوب‌دهي شيميايي بخار به کمک پلاسما (PECVD)؛
• رشد فاز بخار؛
• الکتروليز؛
• سنتز شعله.
1-2. ساختار
نانولوله بر اساس ساختمان گرافيت بنا مي‌شوند. گرافيت از لايه‌هاي مجزايي متشکل از اتم‌هاي کربن تشکيل شده‌‌است که به‌صورت واحد‌هايي شش‌ضلعي که در شش رأس آن اتم کربن قرار دارد آرايش يافته‌اند. قطر نانولوله بين يک تا دو نانو‌متر و طول آن گاه تا چند ميکرومتر نيز مي‌رسد. انتهاي هر دو سوي نانولوله‌ها مي‌تواند با نيمه‌‌اي از يک فولرين مسدود ‌باشد يا نباشد [1]. و لذا مي‌تواند در انتهاي خود علاوه بر اجزاي شش‌ضلعي داراي اجزاي پنج‌ضلعي نيز ‌باشد[3]. اما مهم‌‌ترين ويژگي که در تعيين خصوصيات نانولوله‌ها نقش بازي مي‌کند، با عنوان Chirality يا پيچش شناخته مي‌شود [1و2و4و5].
از ديگر ويژگي‌هاي ساختاري نانولوله‌ها حضور آنها به دو فرم نانولوله چند لايه با نام اختصاري MWNT و نانولوله‌هاي تک‌لايه با نام اختصاري SWNT است؛ هر يك از اين انواع داراي کاربرد‌هاي متفاوتي هستند.
2. ويژگي‌هاي زيستي نانولوله‌هاي کربني
با وجود خصوصيات متنوع نانولوله‌ها، دور از ذهن نيست که کاربرد‌هاي متنوعي نيز داشته باشند. در يک تقسيم‌بندي ساده مي‌توان بر‌هم‌کنش‌هاي زيستي نانولوله‌ها را از دو بعد درون‌سلولي و برون‌سلولي مورد بررسي قرار داد. به طور کلي مهم‌ترين عناوين کاربرد‌هاي نانولوله‌ها از ديد بيولوژيک عبارتند از:
• حسگر‌هاي زيستي؛
• حمل و نقل ملکولي؛
• جستجوي الکتروشيميايي نمونه‌هاي بيولوژيک؛
• داربست بافتي؛
• فرستنده سيگنال‌ به سلول‌ها؛
• روش‌هاي تشخيصي.
اما يکي از مهم‌ترين مباحث در راه استفاده از کارايي‌هاي نانولوله در بافت زنده، سازگاري زيستي آن است. لذا ابتدا مطالعات صورت گرفته در اين زمينه را مرور مي‌كنيم.
1-4. خصوصيات فيزيکي و شيميايي
نانولوله‌ها علي‌رغم برخورداري از قطر بسيار کم، استحکام کششي بالايي در حدود صد گيگاپاسکال دارند [2و5]. از ديگر خصوصيات نانولوله‌ها وجود پيوند‌هاي واندروالس بين اتم‌ها(و لذا توانايي بسيار پايين آنها براي چسبيدن به يکديگر)، خواص الکتريکي منحصر به فرد (نانولوله فلزي و نيمه هادي) [1و2و3و5]، رسانايي تنها در جهت طولي [1و2]، رسانايي حرارتي و خاصيت نشر ميداني [2و6و7] است. خاصيت نشر ميداني در ساختار‌هايي که داراي نسبت طول به قطر بالا (بزرگ‌تر از هزار) ، داراي رأس اتمي تيز، ثبات بالاي حرارتي و شيميايي و هدايت بالاي الکتريکي و گرمايي باشند، ديده مي‌شود [7و8].
2-1. ساز‌گاري زيستي
جلب نظر دانشمندان به سازگاري زيستي نانولوله‌ها و اثرات مضر احتمالي آنها بر سلول‌ها، به اين واقعيت برمي‌گردد که در سال‌هاي اخير با افزايش روز‌ افزون کاربرد‌هاي نانولوله‌ها‌ در صنعت و حضور بيشتر آنها در محيط، ارتباط معنا‌‌داري بين آنها و بيماري‌هايي از جمله بيماري‌هاي تنفسي [9] و پوستي [10] پيدا شده‌است. اين امر مراکز علمي و تحقيقاتي را بر آن داشته‌ است تا به بررسي اساسي اين تأثيرات، يعني تأثير نانولوله بر سلول بپردازند. علي‌رغم مطالعاتي که در ابتدا نشان مي‌داد که نانولوله و هم‌خانواده‌هاي آن تأثير چنداني بر مورفولوژي، رشد و تکثير سلولي ندارند [11]، امروزه مشخص شده‌است که شاخص‌هايي چون ابعاد فيزيکي، مساحت، دوز، نسبت طول به قطر، زمان، خلوص و وجود عوامل شيميايي متصل به سطح، هر يک به نوبه خود در خاصيت سيتوتوکسيتي نانولوله مؤثرند [12و13و14و15]. هر يک از مطالعات صورت گرفته روي يکي از متغير‌هاي مذکور تمرکز بيشتري دارند، اما به نظر مي‌رسد که دوز، خلوص و حضور دنباله‌هاي شيميايي متصل به سطح از موارد مهم‌تر باشند.
مطالعات نشان داده‌اند که آستانه اثر کشندگي نانولوله براي نانولوله‌هاي چند ديواره و تک‌ديواره ، حدود 06/3 ميکروگرم در ميلي‌ليتر است که اين رقم در برابر C60 (فولرين) که تا 226 ميکروگرم در ميلي‌ليتر نيز اثر کشندگي براي سلول ندارد، رقمي قابل توجه است [16]. آخرين و مهم‌ترين مقاله منتشر شده در اين زمينه توسط انجمن شيمي آمريکا، در مقايسه‌اي بين سيتوکسيتي MWCNT، SWCNT، کوارتز و C60، به‌ترتيب توان کشندگي اين مواد براي سلول را به اين شکل بيان مي‌کند:
C60 < کوارتز < SWCNT > MWCNT
نکته جالب آن است که اگر چه با افزايش دوز نانولوله در محيط کشت، اثر کشندگي آن نيز افزايش مي‌يابد، اما اين ارتباط، خطي و منظم نيست [15]. نکته ديگر در مورد اثر دوز اينکه نانولوله در دوز‌هاي پايين اثري عکس اثرات آن در دوز‌هاي بالا دارد.
بررسي‌ها نشان مي‌دهد که نانولولة خالص داراي اثرات سمي بيشتري نسبت به نوع ناخالص آن است[12]. اما مهم‌تر از خلوص، اثر عوامل شيميايي بر روي سطح نانولوله است که موجب کاهش اثرات سمي آن مي‌شود [13]. اضافه نمودن عوامل شيميايي بر روي سطحِ نانولوله را فعال سازي (Functionalization) مي‌گويند که به نوبه خود موجب تسهيل به‌کارگيري نانولوله در صنايع مي‌گردد.
برخي از مطالعات به نحوة اثر نانولوله در سلول و علت مستقيم مرگ سلولي ناشي از آن اختصاص دارند. به طور کلي سلول‌ها در مواجهه با نانولوله، پاسخ‌‌هاي گسترده و بعضاً متناقضي از خود نشان مي‌دهند. اين پاسخ‌هاي سلولي عبارتند از: فعال‌سازي ژن‌هاي مؤثر در حمل و نقل سلولي، متابوليسم، تنظيم سيکل سلولي و رشد سلولي پاسخ‌هاي استرسي و اکسيد‌اتيو، توليد و ترشح پروتئين از سلول، توقف رشد سلولي و در نهايت آپوپتوز و نکروز [10و14و15و17].
طبق مطالعات صورت گرفته، نانولوله‌ها در دوز‌هاي پايين‌تر موجب افزايش رشد و متابوليسم سلولي و در دوز‌هاي بالاتر موجب واکنش‌هاي التهابي و پاسخ‌هاي ايمني سلولي، مشابه وضعيتي که در برابر تهاجم يک عفونت وريدي از خود نشان مي‌دهد، مي‌شوند [15]. در واقع مرگ سلول‌ها در مواجهه با نانولوله‌ها مشابه ديگر موارد مرگ سلولي، ناشي از تشکيل راديکال‌هاي آزاد و عوارض ناشي از آن، تخليه مواد آنتي‌اکسيدان و up-regulation برخي از ژن‌ها و down-regulation برخي از ژن‌‌هاي ديگر است [10و14و17].
اثرات نانولوله بر روي بيان ژني که تا به حال کشف شده‌است عبارت است از: up-regulation بيان ژن‌هاي مؤثر در سيکل سلولي مثل P38, CdC37, CdC42, hrk, P57, bax, P16 و Down-regulation بيان ژن‌هاي مؤثر در سيکل سلول مثل Cdk2 و Cdk4، Cdk6 و Cyclin D3 و نيز down-regulation بيان ژن‌هاي مرتبط با سيگنال‌هاي سلولي مثل pcdha9, ttk, jak1, mad2 و erk. همچنين موجب القاي down-regulation بيان پروتئين‌هاي دخيل در اتصالات سلولي مانند لامينين، فيبرونکتين، کادهرين و FAR و کلاژن نوع چهار مي‌شوند[14و17].
از اين ميان دانشمندان مهم‌ترين تأثير نانولوله‌ها را در سيکل ميتوز در مرحله G1 مي‌دانند و توقف سلول در فاز G1 را عامل اصلي آپوپتوز قلمداد مي‌کنند[17].
2-2. نانولوله‌هاي کربني: ابزار‌هاي قدرتمند زيستي
چنانچه عنوان شد، با در نظر گرفته خطرات احتمالي نانولوله‌ها براي سلول و بافت، اين ساختار‌هاي نانويي بالقوه از کاربرد‌هاي فراواني در موجودات زنده برخوردارند. اگرچه ترس از عدم سازگاري زيستي موجب کند شدن روند تحقيقات در اين زمينه شده‌است، با اين حال تاکنون دانشمندان به نتايج قابل قبولي نيز دست يافته‌اند که در ادامه به آنها اشاره مي‌شود.
2-2-1. حسگر‌هاي زيستي
هرگونه تغييري در ساختمان و اجزاي نانولوله‌ها موجب تغيير در قدرت هدايت الکتريکي آنها خواهد شد. دانشمندان دريافته‌اند که فعال‌سازي نيز متناسب با خصوصيات مولکول پيوند شده، موجب تغييراتي در هدايت الکتريکي و تابش نور از نانولوله مي‌شود که منحصر به همان مولکول است[18]. تاکنون مطالعاتي روي پروتئين‌ها، کربوهيدارت‌ها و آنتي‌بادي‌هاي مختلف صورت گرفته‌است که همگي تأييدي بر اين فرضيه بوده‌اند[18و19و20]. لذا متصور خواهد بود که با حضور هر نوع مولکول در محيط‌ حاوي نانولوله و اتصال به آن مي‌توان فرکانس الکتريکي يا طول نوراني متفاوتي را ثبت کرد و به حضور آن ماده در محيط پي برد.
2-2-2. حمل و نقل ملکولي
تاکنون مطالعاتي روي توانايي نانولوله‌ها در جابه‌جا نمودن مولکول‌ها صورت گرفته‌است. اين بررسي‌ها غالباً به دو دسته تقسيم مي‌شوند: مطالعاتي که به بررسي عبور مولکول‌ها از درون نانولوله [20] و جاگذاري مولکول‌ها درون آنها [29] اختصاص دارند و مطالعاتي که بر پايه اتصال مولکول‌ها به سطح نانولوله و انتقال از اين طريق بنا شده‌اند[21]. در نوع اول دانشمندان موفق به مشاهده عبور مولکول آب، +H، برخي از يون‌ها و بعضاً پليمر‌ها از درون نانولوله شده‌اند[20]، آنها با جايگذاري داروهاي ضد سرطان (مثل سيس پلاتين) درون نانولوله‌ها موفق به انتقال آنها به اطراف سلول و آزادسازي آهستة آنها از درون نانولوله شده‌اند[29]. در نوع ديگر عموماً نقل و انتقال پروتئين‌ها توسط نانولوله‌ها بررسي شده‌است. اين مطالعات نشان مي‌دهند که با فعال سازي نانولوله توسط بنيان اسيدي مي‌توان قابليت اتصال اين مواد به پروتئين‌ها را افزايش داد و به اين طريق انتقال پروتئين‌ها به درون سلول را تسهيل کرد[21]. البته اين توانايي نانولوله‌ها به اندازه پروتئين‌ نيز بستگي دارد و در اندازه‌هاي بزرگ‌تر اين توانايي از نانولوله صلب مي‌شود. در همين رابطه مي‌توان توانايي نانولوله را براي انتقال ژن‌ها به درون سلول نيز ذکر کرد [22]. که البته مطالعات در اين زمينه همچنان ادامه دارد. چنانچه بتوان از نانولوله به عنوان ناقل ژني استفاده کرد، مي‌توان آينده درخشاني را براي ژن‌درماني و روش‌هاي مشابه متصور بود.
2-2-3. داربست بافتي
اخيراً توجه دانشمندان به اين قابليت نانولوله‌ها جلب شده‌است که همانند داربست‌هاي طبيعي بافتي محتوي کلاژن، مي‌توانند به عنوان داربست (Scaffold) براي رشد سلول‌هاي روي آنها مورد استفاده قرار بگيرند. احتمالاً ايده‌ اوليه از آنجا منشأ مي‌گيرد که نانولوله‌ها هنگام توليد به صورت رشته‌هايي درهم آرايش مي‌يابند که به آن فرم ماکاروني اطلاق مي‌شود. اين مشابه وضعيت کلاژن‌ها در مايع خارج سلولي است. نام ديگر اين آرايش bucky paper است [19].
دانشمندان دريافته‌‌اند که SWCNTهاي بافته نشده (non woven) داراي خاصيت داربستي بيشتري نسبت به ديگر انواع هستند. در اين حال قابليت تکثير و چسبندگي سلولي نيز افزايش چشمگيري دارد [23]. مهم‌ترين دستاورد محققان در اين زمينه، کشت استئوبلاست‌ها روي نانولوله‌هاست که به‌تازگي در مقاله‌اي توسط محققان دانشگاه کاليفرنيا در سال 2006 منتشر شده‌است و توجهات زيادي را به خود جلب کرده‌است. اين يافته راه را براي به کار‌گيري نانولوله‌ها در ترميم آسيب‌هاي سلولي باز مي‌کند [24]. بيش از اين نيز اتصالات محکم استئوبلاست‌ها به داربست نانولوله‌اي توسط filopodiaهاي شکل‌گرفته در حين کشت به اثبات رسيده بود [25]. با اين حال مطالعاتي نيز نشان مي‌دهند که اتصالات بين سلول و داربست نانولوله سست بود و سلول‌ها قادر به نفوذ به داربست نيستند[8].
يافته ديگري که توسط دانشگاه کاليفرنيا اعلام شده‌است، احتمال به‌كار‌گيري نانولوله‌ها در ترميم ضايعات نخاعي است. در اين حال حضور نانولوله‌ها در محيط موجب هدايت رشد آکسوني مي‌شود‌[26].
2-2-4. ديگر کاربرد‌ها
ديگر کاربرد‌هايي که امروزه مطالعاتي بر روي آنها در حال انجام است عبارتند از: الف) فرستادن سيگنال به سلول‌هاي عصبي [27] که در آن همزمان با ايجاد داربست مناسب براي رشد سلول‌هاي عصبي (توسط فعال‌سازي مناسب نانولوله‌ها) مي‌توان سيگنال‌هاي الکتريکي را به سلول عصبي فرستاد؛ ب) روش‌هاي تشخيصي زيستي [28] که اولين مرحله اين کاربرد بر روي مالاريا و تشخيص گلبول‌هاي قرمز آلوده به اين تک ياخته Plasmodium falciparum صورت گرفته‌است و در حقيقت ميکروسکوپ AFM بر اين پايه عمل مي‌کند؛ ج) جستجوي الکتروشيميايي [20] که در واقع از خاصيت قطبيت‌پذيري نانولوله‌ها استفاده و آن را به ابزاري تحت عنوان «ion-nanotube terahertz osillator» تبديل کرده‌است. در اين حالت يون مورد نظر (مثلاً +K) با گيرافتادن در دالان نانولوله با فرکانس بالا شروع به حرکت به دو سوي نانولوله مي‌کند. حاصل اين فرايند ايجاد جريان الکتريکي متناوب با فرکانس بالا خواهد بود که از خارج قابل اندازه‌گيري است.
3. جمع بندي
نانولوله‌هاي کربني به جهت قدرت الاستيسيتة بالا و در عين حال استحکام فوق العاده، به عنوان داربست سلولي براي رشد سلول‌هاي استخواني و عصبي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به علاوه در عين حال که سلول‌ها روي شبکه‌اي تور مانند از اين مواد شروع به رشد و تکثير مي‌کنند، دانشمندان توانسته‌اند از قابليت هدايت ويژه الکتريکي نانولوله‌هاي کربني استفاده و از آنها به عنوان راهي براي فرستادن پيام به سلول‌ها استفاده کنند. اين يافته‌ها تداعي‌کنندة نياز مبرم علم پزشکي و مخصوصاً شاخه‌هاي جراحي پلاستيک و پيوند اعضا، به رشد و تکثير و پرورش سلول‌هاي مورد نظر در خارج از بدن و سپس انتقال آنها به بدن است. در اين فرايند کاستن از رد شدن بافت پيوندي توسط دستگاه ايمني بدن از جايگاه ويژه‌اي برخوردار است که تحقيقات چند سال اخير روي سازگاري زيستي نانولوله‌هاي کربني آن را نشان داده‌است. با تغييراتي در ساختار و ترکيبات اين مواد مي‌توان آنها را به ساختمان‌هايي سازگار با دستگاه ايمني بدن تبديل کرد. به‌علاوه اتصال محکم سلول‌ها به اين ساختارها مشکل ديگر پيوند اعضا، يعني سستي سلول‌ها پس از پيوند را مرتفع خواهد ساخت.
همچنين قابليت ذخيره‌سازي مولکول‌ها در داخل نانولوله‌هاي کربني، درهاي تازه‌اي را به روي حمل و نقل مواد حاجب و داروها در داخل بدن گشوده‌است؛ چنانچه هر دوي اين کاربردها در خارج از بدن انسان به اثبات رسيده‌اند. مشابه اين کاربرد، توانايي نانولوله‌هاي کربني فعال‌سازي شده براي اتصال به پروتئين‌ها و انتقال آنها به داخل سلول است که به تازگي نظر دانشمندان را به خود جلب نموده‌است.
از مهم‌ترين و اولين کاربردهاي نانولوله‌هاي کربني در محيط‌هاي زنده، توانايي آنها براي اتصال به مولکول‌هاي آلي مختلف و امکان جستجوي آن ماده بر اساس تغييرات هدايت الکتريکي نانولوله بوده‌است. اين کاربرد، از برجسته‌ترين تقابل‌هاي علم الکترونيک و بيولوژي در بهره‌برداري از فناوري‌نانو بوده‌است.
با توجه به آنچه گذشت و طبق اطلاعات موجود از امکانات حال حاضر کشورمان، به نظر مي‌رسد که با برقراري ارتباط بيشتر بين محققان علوم زيستي و علوم مهندسي، هيچ‌يک از اين کاربردها هم اکنون دست نايافتني نيستند. در حقيقت ذکر چنين کابردهايي از نانولوله‌هاي کربني که تنها يک نانوذره از ميان هزاران نانوذرة موجود است، هدفي به جز ايجاد انگيزه بيشتر براي ورود مهندسان علوم الکترونيک، مواد و شيمي به حوزه علوم زيستي و بالعکس آشنايي بيشتر محققان علوم زيستي با بعد فني و مهندسي فناوري نانو نخواهد داشت.
تركيب اسپین و مدار چرخش الکترون در نانو لوله های کربنی
در یک نانو لوله ی کربنی، الکترون ها می توانند به طور ساعتگرد یا پادساعتگرد حول لوله بچرخند. ظاهراً به نظر می رسد که ویژگی حرکت اسپینی الکترون(چرخش به دور خود) نیز خاصیتی مشابه داشته باشد ولی طی پژوهشی که فیزیک دانان دانشگاه کرنل انجام دادند معلوم شد که این طور نیست.
به گزارش خبرگزاری برق، الکترونیک و کامپیوتر ایران(الکترونیوز) و به نقل از فیزورگ، طبق پژوهش انجام گرفته، پژوهشگران که امیدوار بودند از نانو لوله های کربنی برای محاسبات کوانتومی استفاده کنند احتمالاً بایستی روش های خود را عوض کنند. گفتنی است برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده از نانو لوله های کربنی، اسپین یک اتم نشانگر یک بیت داده می باشد.
فیزیک دانان دانشگاه کرنل دریافتند که اسپین یک الکترون در یک نانو لوله کربنی تزویج می شود یعنی با مدار چرخش الکترون اثر متقابلی دارند. این یافته به این معنی است که پژوهشگران مجبور خواهند بود روش بازخوانی اسپین یا تغییر اسپین را تغییر دهند ولی این یافته، روشی جدید ارائه می دهد که با کنترل مدار چرخش الکترون، اسپین هم قابل کنترل خواهد بود.
این پژوهش در 27 مارس در ژورنال نیچر، توسط اساتید فیزیک دانشگاه کرنل به نام های پل مک یوئن و دنیل رلف و پژوهشگران اسبق این دانشگاه به نام های شهل ایلانی که هم اکنون در مؤسسه ی علوم وایمن اسرائیل فعالیت می کند، و فردیناند کوئیمیث که هم اکنون در دانشگاه هاروارد حضور دارد، گزارش شده است.
نانو لوله های کربنی، استوانه های خیلی ریزی هستند که سطوح جانبی آنها از اتم های کربن ساخته می شود که نهایتاً شکلی شبیه به آرایش شش ضلعی های به هم وصل شده را که تقریباً شبیه یک شبکه ی سیمی لوله شده می باشد، به وجود می آورند. به جای چرخش الکترون های تنها حول هسته ی یک اتم، اتم های آزاد یک نانو لوله پیرامون محیط دایروی لوله می چرخند. در ضمن، اسپین الکترونی که می چرخد می تواند دو جهت داشته باشد. تاکنون فیزیک دانان اعتقاد داشتند که چهار حالت ممکن برای یک الکترون، همگی با یکدیگر هم ارزند. این چهار حالت از ترکیب دو حالت برای اسپین(در جهت های بالا و پایین) و دو حالت برای جهت چرخش الکترون ها(ساعتگرد و پادساعتگرد) حاصل می شود. پژوهشگران برای امتحان این ادعا، با استفاده از «تسهیلات علم و فن آوری نانو مقیاس دانشگاه کرنل(CNF)»، یک دستگاه ریزی ساختند که شامل یک نانو لوله ی کربنی است با قطر 5 نانومتر و طول 500 نانومتر که بین دو الکترود قرار دارد و این لوله بالای یک ساختار سیلیکونی قرار دارد تا بتواند بارهای الکتریکی مختلفی به لوله تحویل دهد. طراحی این دستگاه امکان ساخت نقطه های کوانتومی را میسر کرد. نقطه های کوانتومی متشکل از تعدادی الکترون است که در طول مسیر به یک الکترون کاهش می یابد.
پژوهشگران با اعمال یک میدان مغناطیسی در طول محور لوله و اندازه گیری جریان گذرنده توانستند سطوح انرژی الکترون ها را در چهار حالت ممکن که از ترکیب اسپین و مدار چرخش به وجود می آمد، مشخص کنند. آنها دریافتند که با تغییر جهت چرخش الکترون، انرژی هم تغییر می کند. جهت چرخش الکترون روی اسپین تأثیر می گذارد و بر عکس.
ایلانی گفت: "با وجود این، نمی توان استفاده از نانو لوله ها در محاسبات کوانتومی را کنار گذاشت بلکه باید قوانین جدیدی برای طراحی آنها در نانو لوله ها مشخص کرد. از نقطه نظر فیزیک پایه این نکته جالب توجه است که این توپولوژی استوانه ای منحصر به فرد نانو لوله ها است که به الکترون ها اجازه می دهد که مدارهای چرخش مشخصی داشته باشند و به تبع آن این ترکیب به وجود می آید."
مشابه همین آزمایش برای حفره ها انجام گرفت. حفره، جای خالی الکترون است و معادل با حرکت بارهای مثبت در طول لوله می باشد. باز اعتقاد بر این بود که انرژی یک حفره می تواند همانند یک الکترون با اسپینی مشابه به آن باشد ولی آزمایش خلاف این را نشان داد.
استانداردسازي نانولوله‌هاي کربني
منظور از استاندارد، يکاها و مقياس هاي اندازه گيري است. اين مفهوم مي‌تواند به معناي يکاهاي اندازه‌گيري مانند متر، کيلوگرم، ثانيه و نظاير آن باشد و يا مقياس‌هاي فيزيکي از قبيل ميلة يك‌متري، وزنة يک کيلوگرمي و امثال آن را در برگيرد. در مفهوم دوم، استاندارد کتابچه يا مجموعة مکتوبي است شامل مقررات و اصولي براي تنظيم امور فني، صنعتي، علمي و تجاري. بخشي از سهم استانداردسازي فناوري‌نانو به استانداردسازي نانومواد که نانولوله‌هاي کربني بخشي از اين گسترة وسيع ‏هستند مربوط مي‌شود. ‏در حال حاضر در دنيا فعاليت بسيار گسترده‌اي روي استانداردسازي فناوري‌نانو در حال انجام است. اين متن به گوشه‌اي از فعاليت ‏هاي کميته‌هاي استانداردسازي و راهبردهاي پيشنهادي و برنامه‌هاي مختلف بين‌المللي براي استانداردسازي فناوري‌نانو ‏ اشاره ميكند.
مقدمه
به طور کلي واژه استاندارد در دو مفهوم عمده به‌کار برده مي شود در مفهوم اول منظور از استاندارد يکاها و مقياس هاي اندازه گيري است. اين مفهوم مي‌تواند به معناي يکاهاي اندازه‌گيري مانند متر کيلوگرم ثانيه و نظاير آن باشد و يا مقياس‌هاي فيزيکي از قبيل ميله يك‌متري وزنه يک کيلوگرمي و امثال آن را در برگيرد. در مفهوم دوم استاندارد کتابچه يا مجموعه مکتوبي است شامل مقررات و اصولي براي تنظيم امور فني صنعتي علمي و تجاري. با توجه به برنامه 13 سند راهبرد آينده مبني بر استانداردسازي فناوري‌نانو براي رسيدن به سهم مناسبي از تجارت جهاني اهداف شناخته شده در استانداردسازي فناوري‌نانو عبارت است از: بررسي اثرات نبود استاندارد بر رشد بازار نانو و شناسايي نيازهاي استانداردسازي براي توسعه بازار اين توليدات. بخشي از سهم استانداردسازي فناوري‌نانو به استانداردسازي نانومواد که نانولوله‌هاي کربني بخشي از اين گستره وسيع هستند مربوط مي‌شود. در حال حاضر در دنيا فعاليت بسيار گسترده‌اي روي استانداردسازي فناوري‌نانو در حال انجام است. گوشه‌اي از فعاليت هاي کميته‌هاي استانداردسازي و راهبردهاي پيشنهادي و برنامه‌هاي مختلف بين‌المللي براي استانداردسازي فناوري‌نانو عبارتند از:
• فرهنگ اصطلاحات و عبارات نانوذرات ( که در ماه مي‌ سال 2005 در انگلستان به وسيله BSI تهيه شده است (UK PAS Vocabulary))
• تأسيس کميته فناوري‌نانو ايزو (ISO/TC229)
• تهيه مستندات استاندارد P1650 توسط مؤسسه IEEE.
به نقل از رئيس اين گروه کاري دکتر دان گاموتا (Dan Gamota) از شرکت موتورل نسخه پيش‌نويس اين استاندارد به منظور ارائه در رأي‌گيري ماه ژوئن سال 2005 آماده شد. اين استاندارد شامل رويه‌اي براي تعيين ويژگي‌هاي الکتريکي يک نانولوله کربني دوجهته است.
• كشور چين هفت استاندارد ملي در زمينه فناوري‌نانو تهيه کرده است.
• در کشورهاي انگلستان ژاپن و آمريکا نيز کميته‌هاي ملي استانداردسازي فناوري‌نانو تأسيس شده است.
• در کشور کره يك گروه کاري در زمينه نانولوله‌هاي کربن تشکيل شده است که در زمينه استانداردسازي اندازه‌گيري خلوص و پايداري نانولوله‌ها در محلول‌ها مطالعه مي‌کند.
اين گروه همچنين در حال برنامه‌ريزي به منظور استانداردسازي اندازه‌گيري ميزان انتشار نانولوله‌هاي کربني است.
• کميسيون اروپ راهبرد استانداردسازي فناوري‌هاي نانو را تا سال 2007 تهيه خواهد کرد
• .کره نيز يك کميته تخصصي در ارتباط با نانولوله‌هاي کربني تشکيل داده است اين كميته در حال حاضر در حال بررسي خواص است.
• کميته E56 سازمان ASTM به وسيله 12 کشور تأسيس شده و داراي گروه‌هاي کاري زير است:
o اصطلاحات
o تعيين ويژگي‌ها
o ايمني و بهداشت محيط زيست و محيط کار
o قوانين حقوق معنوي
o همکاري‌هاي بين‌المللي
o استانداردهاي توليد.
چالش‌هاي استانداردسازي نانولوله‌هاي کربني
با توجه به تاريخچه نانوالياف و نانولوله‌هاي کربني و عوامل تأثيرگذار بر کاربرد آن مباحث مربوط به نانولوله‌ها و نانوالياف به چهار گروه زير تقسيم‌بندي مي‌شود: 1. مباحث اقتصادي و قانوني 2. مباحث ايمني و بهداشت 3. مباحث نقل و انتقال و بسته‌بندي 4. اطلاعات فنّي. از لحاظ تاريخچه بررسي نانوالياف و نانولوله‌هاي کربني مي‌توان به اين جمع بندي رسيد که استانداردسازي نانولوله‌هاي کربني بايد در چارچوب حوزه‌هاي فوق بررسي شود و به صورت عملياتي مي‌توان فهميد که موانع زير از جمله موارد تجاري‌سازي نانوالياف و نانولوله‌هاي کربني هستند: 1. خطر‌ه سلامتي و ايمني 2. قراردادهاي نقل و انتقال و فرايند مواد جديد 3. پايداري در کيفيت توليدات (درجه خلوص ناخالصي کنترل پايداري و غيره) 4. آشنا نبودن با طراحي و توليد 5. عدم وجود ابزار و قوانين طراحي 6. عدم دسترسي به مواد در حجم انبوه و قيمت مناسب 7. ابزار و قوانين تحليلي براي شناسايي ترکيب نانومواد موجود در مواد کامپوزيت 8. قوانين حقوق معنوي. همچنين مشکلات شناسايي‌شده در مورد کيفيت نيز به شرح زير طبقه‌بندي شده است: 1. نبود استاندارد مشخص براي نانولوله‌هاي کربني 2. وجود تفاوت‌هاي زياد در انواع نانولوله‌هاي کربني توليدي 3. نبودن امکان تجاري‌سازي به علت وجود همين تفاوت‌ها. تدوين يک برنامه کنترل کيفيت نيز ضروري است که مزاياي زير را در پي دارد: 1. ايجاد ثبات و اطمينان در فرايندهاي جديد 2. ايجاد ثبات و اطمينان در توليدات جديد 3. بهبود قابليت اطمينان توليدات 4. افزايش کنترل بر روي فرايندها و محصولات. در کل مي‌توان نتيجه گرفت که مشکل عدم استفاده انبوه از نانولوله‌هاي کربني در صنعت نداشتن توانايي در ارائه کيفيت يکسان است نه ظرفيت پايين توليد آنها و اين اصلي‌ترين چالش صنعت است. از سوي ديگر تدوين قوانين جديد و حساسيت‌هاي ايجاد شده در مورد تأثير اين مواد بر سلامت انسان و محيط زيست محدوديت‌هايي جدّي براي توليد‌کنندگان و عرضه‌کنندگان اين مواد به وجود مي‌آورد (به ويژه در مورد نانوذرات آزاد يعني ذراتي که به وسيله شبکه‌هاي مولکولي به دام نيفتاده باشند) . در تدوين چنين قوانيني جهت تسهيل ارتباط ميان عرضه‌كنندگان و مشتريان محصولات فناوري‌نانو ضرورت وجود يک مجموعه اصطلاحات عرضه کنندگان و مشتريان محصولات فناوري‌نانو نيز مورد توجه قرار مي‌گيرد. نظريه‌اي مبني بر لزوم قرارگيري کليه نانومواد کربني در خانواده بزرگ نانوالياف (CNF's) وجود دارد لذا در اين مورد تعريف کلّي به صورت «الياف گرافيت‌ها و مواد کربني با ابعاد متوسط کمتر از500 نانومتر» ارائه مي‌شود. هرچند نکته فوق داراي اهميت و پشتوانه علمي است ولي با توجه به مقبوليت عبارت نانولوله کربني نمي‌توان از جوامع علمي و صنعتي انتظار داشت تنها از اصطلاح نانوالياف استفاده نمايند. تعريف رايج ابعاد نانو بين يك تا صد نانومتر است اين با ابعاد معرفي شده در تعريف فوق همخواني ندارد. به همين دلايل تعريف فوق از حيظ انتفاع ساقط مي‌گردد.
استانداردسازي کليد تجاري‌سازي فناوري‌نانو
فاکتورهاي کليدي و موانعي که توليدکنندگان و عرضه‌کنندگان نانولوله‌هاي کربني بايد به منظور موفقيت در تجاري‌سازي و کاربرد محصولاتشان مدنظر قرار دهند به‌طور خلاصه عبارتند از:
• تنوع زياد توليدات و نبود تعاريف شفاف
• توليد فرايندهاي توليدي و دسترسي به مواد در حجم بال
• قيمت هزينه‌هاي توليد بالا و در نتيجه قيمت بال
• نياز به سرمايه‌گذاري‌هاي مشترک يا همکارهاي صنعتي
• حقوق مالکيت فکري
• کيفيت و قابليت توليد يکسان نمونه‌ه
• روش‌هاي کاليبراسيون و تعيين ويژگي‌ه استانداردسازي
• قرار داشتن در مراحل اوليه رشد فناوري به نحوي كه بسياري از كاربردها هنوز در فاز R&D هستند
نيازمندي مباحث ايمني و بهداشتي به اطلاعات و قوانين بيشتر.
تست روش مشخصه‌يابي اثر
استخراج PAH استاندارد اصلاح شده ASTM- Dl618-99 چسبندگي/تخلخل
مقاومت الکتريکي ASTM D257-99 هدايت الکتريکي
دانسيته بالک استاندارد اصلاح شده ASTM D IS09-99 توزيع/ هدايت الکتريکي
درصد رطوبت ASTM E 394-00/DINS 3586 چسبندگي/ تخلخل
درصد کاتاليست خلوص/ شيمي
روش‌ها و ابزار اندازه‌گيري براي مشخصه‌يابي نانولوله‌هاي کربني
بسياري از روش‌هايي که امروزه به‌کار مي‌روند بين توليدکنندگان مختلف مشترک بوده و استانداردهاي آنها موجود است. صنايع مختلف براي استفاده از روش‌ها و استانداردهاي مشترک بايد به اجماع برسند. استاندارد ساير روش‌ها (از قبيل پارگي الياف ابعاد و طول) هنوز تهيه نشده است. روش‌هاي فعلي تعيين ويژگي‌ه زمان‌بر گران و نيازمند ابزار اندازه‌گيري جديد است. نکات مهم در مقوله مشخصه‌يابي به شرح زير است:
روش‌‌هاي اندازه‌گيري و مشخصه‌يابي که در حال حاضر براي ارزيابي نانولوله‌هاي کربني استفاده مي‌شوند
تست روش مشخصه‌يابي خلوص
آناليز SEM (کربن B) DIN VS3242-1 مکان‌ها و ساختارهاي مرجع سطحي
آناليز TEM TEM ويسکوزيته
بررسي سطح ويژه DIN 66731/ISO 4652-1 (کربن B) ترشوندگي
اندازه‌گيري انرژي سطحي کروماتوگرافي گازي معکوس چسبندگي/ ترشوندگي
شيمي سطح طيف‌سنجي نوري اشعه X
از روش‌هاي مختلف موجود بايد براي تست همه محصولات استفاده كرد. استانداردها و روش‌هاي موجود نظير درصد نانولوله‌هاي کربني طول و قطرها هنوز توسط نيافته‌اند. روش‌هاي شناسايي با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني موجود بسيار کند و گران قيمت است و براي نمونه‌هاي بالک قابل استفاده نيست.
برگه اطلاعات فني مواد
در تهيه استاندارد براي نانولوله‌هاي کربني بايد مدل واحدي براي برگه‌هاي اطلاعات فني ارائه گردد تا مشتريان قادر باشند به راحتي خواص مواد توليدکنندگان مختلف را بررسي و مقايسه نمايند. نکاتي که در مباحث اندازه‌گيري خواص بايد مورد توجه قرار گيرد عبارتند از:
پارامترهاي مورد نياز براي کنترل کيفيت محصولات حاوي نانولوله‌هاي کربني
بررسي‌هاي ساختاري بررسي سطحي بررسي سطحي
دانسيته بالک سطح ويژه سطح ويژه
دانسيته ظاهري انرژي سطحي انرژي سطحي
هدايت الکتريکي PH PH
هدايت گرمايي محتوي درصد اتمي C,N,S,O محتوي درصد اتمي C,N,S,O
قطر محتوي PAH محتوي PAH
طول محتوي آب محتوي آب
مدول يانگ نوع تخلخل (ميکرو / مزو) نوع تخلخل (ميکرو / مزو)
بررسي امکان انطباق روش‌هاي آزموني که در حال حاضر در صنعت کربن سياه مورد استفاده قرار مي‌گيرند کاربردهاي جديد مورد نياز روش‌هاي استاندارد به دست‌آمده و آزمون‌هاي غير استاندارد موجود تست‌هاي استاندارد ASTM که براي ارزيابي صنعت کربن سياه ارائه مي‌شوند به قرار زير است:
هيدروکربن‌هاي پلي‌آروماتيک
مقاومت الکتريکي بالک و توده محصول
دانسيته بالک محصول
درصد رطوبت محصول
درصد کاتاليست در محصول 2. نياز به دستورالعمل‌هاي آزمون استاندارد شده 3. بررسي آزمون‌هاي غير استاندارد شامل تحليل SEM تحليل TEM سطح ويژه نمونه انرژي سطح شيمي سطح. براي انجام تست‌هاي استاندارد و جستجوي روش‌هاي استاندارد بايد امکان وجود چنين استانداردهايي مورد بررسي قرار گيرد:
محتواي کاتاليست فلزي (با استفاده از روش شيمي‌تر)
دانسيته بالک (ASTM)
مقاومت الکتريکي ويژه بالک (ASTM)
ميزان کربن موجود (با استفاده از TGA)
پايداري حرارتي (با استفاده از TGA)
محتواي ترکيبات آلي
محتواي ترکيبات اکسيد فلزي
محتواي رطوبت بالک (ASTM)
سطح ويژه محصولات
ضريب حساسيت مغناطيسي (روش آماده‌سازي نمونه)
پاسخ زيست‌شناسي. علاوه بر اين مقوله‌هايي همچون طول قطر جهت‌گيري ويژه نانولوله‌هاي کربني در راستاي قطر (Chirality) دانسيته نقايص تابع کار و ديگر خواص نيز بايد مورد بررسي قرار گيرد. نکات مهم در بررسي طول و قطر (براي نمونه‌هاي بالک)
استاندارد‌هاي CENTS
لزوم بهبود روش‌ها (SEM و TEM)
تعريف اندازه نمونه
نمونه‌گيري خوب و با سطوح اطمينان کافي
آيا تجهيزات حاضر عملکرد مشابهي دارند يا خير
اندازه‌گيري اتوماسيون.
موانع استانداردسازي در اين حوزه:
جهت‌گيري و خميدگي نانولوله‌‌هاي کربني
جداسازي توده‌هاي نانولوله‌هاي کربني از يکديگر
روش.
نکات مهم در بررسي درصد خلوص (براي نمونه‌هاي بالک)
درصد وزني و اتمي آن
بررسي کارهاي انجام شده در آمريکا و ژاپن (روش‌‌هاي صحيح) و استانداردهاي حاضر در اين زمينه
تعريف اندازه نمونه
نمونه‌برداري صحيح با تست‌هاي استانداردي نظير T
لزوم توسعه روش‌‌ها (SEM و TEM) يا روش‌‌هاي ترکيبي از آنه
استفاده از تجهيزات يکسان براي انجام تست‌ها.
موانع استانداردسازي در اين حوزه:
روش‌
قدرت تفکيک دستگاه‌ها.
امنيت و خطرات زيست‌محيطي در حوزه استانداردسازي نانولوله‌هاي کربني
ملاحظات مربوط به توليد و استفاده ايمن از نانولوله‌هاي کربني
مشتريان بايد در مورد چگونگي کاربرد مواد آگاه شوند لذا تهيهبرگه‌هاي اطلاعات ايمني مواد ضروري است.
توليدکنندگان نانوکامپوزيت‌ها بايد آزمون‌هاي آزاد شدن نانولوله‌ها (به عنوان مثال بر اثر سوختن) از ماده اصلي را انجام دهند زيرا نتايج اين آزمون‌ها به نوع مواد و کاربرد آنها بسيار وابسته است.
مطالعات ميزان سمي بودن راه‌هاي انتشار و حدود ايمني انتشار در هوا بايد از سوي مرجعي بي‌طرف انجام شود. در اين زمينه فعاليت‌هايي در حال انجام است از قبيل پروژه Nanosafe در اروپا و دو پروژه ديگر که تحت حمايت مالي اتحاديه اروپا آغاز شده‌اند.
تا زماني که اطلاعات ميزان سمي بودن و ايمني مواد تهيه نشده‌اند بخش صنعت مسئول توليد ايمن نانولوله‌هاي کربني بوده بايد اقدامات لازم براي به حداقل رساندن خطرات محيط‌هاي کاري را انجام دهد. همچنين نياز به استانداردهاي زير وجود دارد. 1) ممانعت از انتشار ذرات در محيط‌هاي کاري 2) حفاظت از کارکنان 3) اندازه گيري و کنترل ذرات در محيط کار. اما با اين حال براي كنترل فرايندهاي توليدي هيچ استاندارد مشخص و متداولي وجود ندارد و به جاي آن از استانداردهاي کارخانه‌اي استفاده مي‌شود. مباحث مشابهي نيز در مورد مصرف‌کنندگان مطرح است. وجود يک شاخص جهت تعيين تراکم مجاز مواد در هوا در محيط‌هاي صنعتي و اتاق‌هاي تميز ضروري به نظر مي‌رسد. سياست‌هاي جلوگيري از خطر و پيشنهادهايي براي کاربرد ايمن نانومواد
با توجه به اينکه نتايج مطالعات مربوط به خطرات نانوذرات هنوز تکميل نشده‌اند بايد رويه‌هايي براي به حداقل رساندن اين مخاطرات ارائه شود.
مقابله با خطرهاي توليد نانولوله کربني بايد مشابه هر ماده بالقوه خطرناک ديگر باشد. براي اين کار بايد فرايند را در سيستمي بسته محدود کرد تا انتشار مواد در محيط به حداقل برسد.
ابزار حفاظتي مورد استفاده در صنعت کربن سياه را به عنوان مرجع در توليد نانولوله‌هاي کربن نيز به كاربرد.
ميزان کارامدي اين ابزار حفاظتي (مثل ماسک‌ها و فيلترها) بايد در مورد نانولوله‌ها مورد بررسي قرار گيرد. شرکت انگليسي Thomas Swan يکسري آزمايش‌ها و اندازه‌گيري‌ها در زمينه تجمع ذرات در محيط‌هاي کاري انجام داده است. نتايج اين بررسي به زودي منتشر مي شود و انتظار مي‌رود به عنوان مرجعي براي ساير شرکت‌ها مورد استفاده قرار گيرد.
علاوه بر اين مانند ساير بخش‌هاي صنعت توليدکنندگان بايد آزمايش‌هاي پزشکي ساليانه‌اي را روي کارکنان خود به منظور اطمينان از حفظ سلامت آنها انجام دهند.
پيشنهاد توليدکنندگان است که در حين فرايندهاي به‌کارگيري محصولات آنه بايد توجهات خاصي از سوي مشتريان يا ساير توليدکنندگان صورت گيرد زيرا فرايندها بسته نبوده و در نتيجه خطر انتشار آنها در محيط بالاست.
با هدف تضمين کيفيت توليدکنندگان بايد قالب واحدي براي برگه‌هاي داده ايمني مواد تهيه نمايند که در آنها اطلاعاتي کافي در مورد راه‌هاي بالقوه انتشار اين مواد و روش صحيح حمل و نقل آنها به مشتريان داده شود.
طول قطر و نقطه پارگي الياف به عنوان سه نياز اصلي در روش‌هاي اندازه‌گيري پروژه‌هاي استانداردي جديد معرفي شوند. بخش صنعت بايد اطلاعات مرجعي در مورد تراکم رطوبت و مقاومت ويژه کلوخه‌هاي مواد ترکيبات شيميايي و اندازه‌گيري سطح ويژه با استفاده از روش‌هاي آزمون استاندارد تهيه نمايد. اين کار شامل تعيين روش استاندارد تهيه نمونه نيز مي‌گردد (تهيه اطلاعات مرجع و تعيين روش استاندارد آماده‌سازي نمونه مي‌تواند در قالب يک استاندارد صنعتي ارائه گردد). هرچند توانايي اندازه‌گيري خواص الياف و لوله‌ه از قبيل هدايت الکتريکي حرارتي و الکتريکي در هر دو جهت (طول و عرض) مدول يانگ مقاومت کششي و برشي مورد نياز بوده و در مواردي خاص ضروري نيز هست بهتر است که توسعه چنين توانايي‌هايي به دانشگاه‌ها سپرده شود.
نانولوله‌هاي کربني؛ تداوم ابتکارات و چالش‌ها
اصولاً نانولوله‌هاي کربني نانوساختار‌هاي خودساماني هستند که از صفحات اتم‌هاي کربن شش ضلعي که به شكل استوانه‌هايي قرار گرفته‌اند ساخته مي‌شوند. نانولوله‌ها به عنوان مدل‌هايي از دانش نانو و شاخه‌هاي مرتبط با آن توجه زيادي را به خود جلب کرده‌اند. اين علاقه ويژه به نانولوله‌ها از ساختار و ويژگي‌هاي بي‌نظير آنها سرچشمه مي‌گيرد؛ ويژگي‌هايي همچون:
• اندازه بسيار کوچک ( قطر كمتر از 0.42 نانومتر)
• حالت فلزي و نيمه‌رسانايي آنها بر حسب شکل هندسي‌شان
• برخورداري از خاصيت منحصر به فرد ترابري پرتابه‌اي
• قدرت رسانايي گرمايي خيلي بالا
اکنون پژوهش‌ها در مورد نانولوله‌ها به مرحله‌اي رسيده است که ارائه دهنده فهم خوبي از ساختار، ويژگي‌ها و همچنين روابط دروني آنها مي‌باشد. از سوي ديگر موانع بزرگي در اين دانش بر اثر فقدان فهم دقيق از مکانيسم رشد و همچنين نداشتن کنترل بر روي شيوه ترکيب نانولوله‌ها در جهت دستيابي به قطر و ساختار مورد نظر به‌وجود آمده است.
هم اکنون نتايج جالبي در خصوص ويژگي‌هاي ساختماني، الکترونيکي، نوري و همچنين رسانايي اين ساختار‌هاي ريز و منظم حاصل شده‌ است. اين تحقيق به گونه‌اي مطلوب، پيشرفت‌هاي فعلي و ماهيت تحقيقات آينده را نشان مي‌دهد.
نانولوله‌ها در الکترود‌هاي باتري و حسگرهاي نانوالکترونيکي كاربرد دارند.
نانولوله‌هاي كربني تک جداره کربن (SWNT) فقط از کربن و يک ساختار ساده (ورقه‌اي از شش ضلعي‌هاي منظم) تشکيل شده‌اند.
برخي پيش‌بيني‌هاي تئوري، حاكي از آن است كه که SWNTها مي‌توانند فلزي يا نيمه رسانا باشند، البته اين احتمالات پيش از آن كه در آزمايشگاه بررسي شوند، مطرح شده است. از آغاز تحقيق بر روي SWNT، از آن‌ها به عنوان يک پديده تک بعدي نام برده مي‌شد، تا اين که اين تئوري مرحله به مرحله پيشرفت کرد. اكنون که نانولوله‌ها از ساير مواد شيميايي ساخته شده‌اند، مي‌توان به گستره وسيعي از ويژگي‌هاي نوين دست پيدا كرد.
بررسي تفاوت نانولوله‌هاي تک بعدي با نانوسيم‌‌هاي تک بعدي هم‌جنس، اطلاعات جالب و مفيدي را ارائه مي‌کند.
تحقيقات در زمينه نانولوله‌ها اکنون به جايي رسيده است که فهم خوبي از ساختار، ويژگي‌ها و روابط دروني آن‌ها، دست آمده است.
بسياري از پديده‌هاي غير قابل انتظار که در گرافيت اتفاق نمي‌افتند، در نانولوله‌ها کشف شده‌اند که اين پديده نه فقط به فناوري نانولوله‌ها بلکه به همه شاخه‌هاي دانش نانو، انرژي و حياتي دوباره بخشيده است.
از آغاز، تاکيد عمده تحقيق نانولوله‌ها بر روي بخش سنتز بوده است که مهم‌ترين مرحله فناوري نانولوله‌ها است. از سويي پيشرفت سريعي صورت گرفته تا کنترل بر روي فرآيند سنتز افزايش يابد، قطر نانولوله‌ها باريک‌تر شود، نقص‌ها و ناخالصي‌ها به حداقل برسد و کارايي توليد افزايش يابد.
عمده‌ترين كاوش‌ها در کنترل سنتز نانولوله‌ها شامل موارد ذيل مي‌شود:
• سنتز خوشه‌هاي کاتاليزوري مولکولي با شکل و ابعاد مشخص با دقت اتمي؛
• رشد آرام؛
• سنتز کاتاليزوري در دماي پايين؛
• توسعه رشد برنامه‌ريزي ‌شده با امکان کنترل زياد اندازه و جهت نانولوله‌ها؛ سنتز پيچيده و سازماندهي شده شبكه يا آرايه‌هايي از نانولوله‌ها روي مواد درشت مقياس؛
از آنجايي که SWNTها به همراه تعداد متنوعي از انواع کربن، ذرات کاتاليزوري و ساير مواد ناخواسته رشد مي‌کنند، توجه زيادي صرف خالص‌سازي نانولوله‌ها شده است. اين امر منجر به پيدايش روش‌‌هايي در جهت مشخص كردن درجه خلوص نانولوله‌ها و طبقه‌بندي آنها بر حسب طول، قطر و... گرديده است.
اين مسئله به تفصيل در مقاله‌اي به وسيله هادون بيان شده است. مساله سنتز و جداسازي هم در مقالة‌ ليو آمده است. اين دو مقاله به سمت ارائه دستاورد‌هايي حركت مي‌كنند که ممکن است نهايتاً به کنترل کامل فرآيند سنتز نانولوله‌ها بيانجامند.
با بهبود سنتز، مشکلات موجود در فرآيند جداسازي و خالص‌سازي را مي‌توان به مقدار زيادي کم و يا به کل رفع نمود.از سوي ديگر، اگر روش‌‌هاي جداسازي و خالص‌سازي دقيق توسعه داده شوند، مي‌توان موانع رشد را رديابي كرد. همگرايي و ترکيب اين دو بخش، مي‌تواند منجر به تثبيت توليد نانولوله‌هايي با قطر و پيچش معين گردد.
پر کردن نانولوله‌ها با فلورين‌ها راهي به سوي استفاده از نانولوله‌ها به عنوان يك قالب براي بسياري از نانوساختارهاي جديد مي‌باشد. علاوه بر اين، تبديل حرارتي فلورين‌هاي كپسوله شده به يک نانولوله کربني، منجر به دوجداره شدن آن مي‌گردد. نانولوله‌هاي كربني دو جداره (DWNTها) يک الگوي اوليه براي مطالعه كمي ساختار و ويژگي‌هاي نانولوله‌هاي چندجداره (MWNT) مي‌باشد.
به دليل پايداري و ماندگاري دوجداره‌ها و چندجداره‌ها نسبت به تك جداره‌ها، اين نانولوله‌ها در كاربردهايي که مقاومت مکانيکي، سختي و هدايت گرمايي بالايي را طلب مي‌كند از توان بيشتري برخوردارند.
فضاي موجود در هسته خالي نانولوله‌ها و سطح پيوسته داخلي آنها مي‌تواند به خلق ساختار‌هاي غير معمول بيانجامد.
گام‌هاي بلندي در سنتز ساختار‌هاي جديد و توصيف ساختاري آنها برداشته شده است؛ اما هنوز بررسي نشده که چگونه اين ذرات مي‌توانند به ساختار‌هاي جديد نانوسيم‌ها مربوط شوند و نانوسيم‌ها چگونه به مواد توده‌اي سه بعدي ارتباط پيدا مي‌كنند.
گستره وسيعي از تحقيقات جالب نشان دهنده شکل‌گيري نانوسيم‌هاي درون وجهي (endohedral) در درون SWNTها مي‌باشد.
با توجه به اندازه‌گيري و خواص، بيشترين توجه به مطالعات بر روي خصوصيات انتقالي مشاهده شده در ترانزيستور‌هاي اثر ميداني FET ؛يعني ترابري پرتابه‌اي، اثرات ترانزيستور تک‌الکتروني، چگالي بالاي جريان، عملکرد خوب FET و برخورداري از كاركردهاي متنوع، معطوف شده است.
در حالي که قدرت تحرک بالا و انتقال بالستيک تا حدي به سبب تکامل ساختاري نانولوله‌ها مي‌باشد، ولي پايداري شيميايي و استحكام نانولوله‌ها آنها را در بين ساير مواد الکترونيکي، بي‌نظير ساخته است. دستاورد‌هاي اخير در زمينه خصوصيات انتقال الکترون در نانولوله‌هاي نيمه‌رسانا و فلزي يک جداره، در مقاله‌اي از مك اوئن و پارك توضيح داده شده‌اند.
همچنين فيزيک نوري در نانولوله‌ها به عنوان ابزاري براي مطالعه الکترون و پديده اپتوالکترونيک، توجه زيادي را به خود جلب کرده است. پيشرفت‌ها در اين زمينه و چالش‌هاي بعدي، در مقاله‌اي از جوريو عرضه شده است.
از آنجا که پراکندگي، رامان، جذب و انتشار نوري در SWNTها، به حالت الكترونيكي تک جداره بستگي داشته و فرآيندهايي بسامد افزا هستند، اين خواص، روش آساني را براي بيان توزيع قطر و توزيع خاصيت فلزي SWNTها در يک نمونه ارائه مي‌دهند.
امروزه در روند تحقيق درباره نانولوله‌ها توجه و تأكيد ويژه‌اي بر روي استفاده از نانولوله‌ها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگراني كه در دانشگاه‌ها و آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي سرتاسر دنيا بر روي نانولوله‌ها كار مي‌كنند با خوش‌بيني پيش‌بيني مي‌كنند كه در آينده‌اي نزديك نانولوله‌ها كاربردهاي صنعتي وسيعي خواهند داشت. در حال حاضر بيشترين كاربرد MWNTها در مواد كامپوزيت براي افزايش استحكام آنها و در باتري‌هاي ليتيومي براي بهبود عملكرد و طول عمر آنها مي‌باشد.
هم اکنون امکان ساخت ابزار‌هاي بسيار جالبي وجوود دارد، اما در خصوص موفقيت تجاري آنها، بايد در آينده قضاوت كرد.
تقريباً تمام مقالات به‌طور ضمني به كاربرد نانولوله‌ها و بهره‌برداري تجاري از آنها در آينده اشاره دارند. آينده كاربرد نانولوله‌ها در بخش الکترونيک روشن است. خصوصيات الکتريکي و پايداري شيميايي بي‌بديل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از اين خواص سوق مي دهد.
نانولوله‌ها در آستانه کاربرد در ترانزيستور‌هاي سريع هستند؛ اما آنها هنوز هم در اتصالات داخلي استفاده مي‌شود. بسياري از طراحان دستگاه‌ها تمايل دارند به پيشرفت‌هايي دست پيدا كنند كه آنها را به افزايش تعداد اتصالات داخلي دستگاه‌ها در فضاي كوچك‌تر، قادر ‌نمايد. در اينجا نانولوله‌ها وعده‌هاي بزرگي را با خود به همراه دارند؛ نانولوله‌هايي به عنوان حسگر‌هاي مواد زيستي و شيميايي خصوصا در ساختار‌هاي مينياتوري پيچيده، نويد بخش هستند.
در چند سال اخير تعامل بين نانولوله‌ها و سيستم‌هاي زيستي شامل پروتئين‌ها، DNA و سلول‌هاي زنده به طور مداوم افزايش پيدا كرده است. اين بخش يک قسمت جذاب و نسبتاً جديدي از دانش نانولوله‌ها است.
تا به‌حال نتايج و دستاورد‌هاي جالبي از تحقيق در خصوص نانولوله‌ها به دست آمده است. البته مي‌توان منتظر يافته‌هاي بسيار فراواني در طي چند سال آينده نيز بود.
ذخيره‌سازي متان در نانولوله‌هاي کربني
يکي از مسائلي که امروزه در مبحث انرژي مطرح است، چگونگي ذخيره سازي سوخت‌هاي پاکي مانند هيدروژن، متان و... براي كاربردهاي مختلف است. در حالت عمومي ذخيره سازي گاز طبيعي فشرده در وسايط نقليه در سيلندرهاي استيل سنگين و در فشارهاي بالا (20 تا 30 مگا پاسكال)صورت مي‌پذيرد در حاليكه ذخيره سازي گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظه‌هاي سبك و با فشارهاي نسبتا پائيني (در حدود 4 مگا پاسكال)صورت مي‌پذيرد، بنابراين ذخيره سازي گاز طبيعي به روش ANG مي‌تواند يك انتخاب بسيار موثرتر باشد زيرا در فشارهاي پايين هزينه‌هاي كمتري صرف ذخيره سازي مي‌شود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب‌هاي متنوعي مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقي كربيد(CDC)، زئوليت‌ها و نانولوله‌هاي كربني تك ديواره(SWCNT)، نانولوله‌هاي كربني چند ديواره(MWCNT)و... صورت مي‌پذيرد. در اين مقاله مروري داريم بر مكانيزم ذخيره سازي گاز متان با استفاده از نانولوله‌هاي كربني و در نهايت نتايج كار محققان مختلف را در زمينه ذخيره سازي گاز‌ها با استفاده از نانو ساختارهاي كربني، مورد ارزيابي و مقايسه قرار مي‌دهيم.
مقدمه
جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليت‌ها، كربن فعال شده (AC) غربال‌هاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولوله‌هاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله‌‌هاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) مي‌باشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولوله‌هاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولوله‌هاي كربني چند ديواره محدود مي‌باشد. اما در بررسي‌هاي انجام شده به نظر مي‌رسد، خواص جذب گاز روي SWCNTها و MWCNTها كاملاً متفاوت مي‌باشد.
مکانيزم جذب متان توسط نانولوله‌هاي کربني
در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرين‌ها ونانولوله‌هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن‌هاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس مي‌دهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند.
Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکول‌هاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قوي‌تر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننت‌هاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيف‌تر در 70 تا 129 درجه کلوين است.
شكل1- سيستم ذخيره سازي گاز به روش ANG
بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله‌هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد مي‌باشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژن‌هاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكول‌هاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر مي‌گيرد. به‌طوري كه متان به‌طور قوي‌تري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير.
از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه‌هاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترون‌هاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر مي‌گذارد به صورتي که روي اتم‌هاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود مي‌آيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله‌هاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد مي‌باشد.[3]
در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور مي‌کند. دراين حالت چون اتم‌هاي هيدروژن مولکول‌هاي متان به خاطر کشيده شدن الکترون‌ها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل مي‌دهند. اين يون مي‌تواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنش‌هاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد مي‌کند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT مي‌شود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکول‌هاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب مي‌شوند.
اين پديده مي‌تواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.
ذخيره سازي گاز به روش ANG
شكل 1 سيستم ذخيره سازي گاز به روش ANG را نشان مي‌دهد. به منظور كنترل دماي فرايند، سلول بارگيري(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطي در يك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمايش بايستي ناخالصي‌هاي سلول جذب را توسط يك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گيري كرد، زمانيكه دما در سلول‌هاي بارگيري و جاذب به حد مطلوب رسيد (حالت تعادل اوليه) آزمايش شروع مي‌شود. ميزان فشار و دما در سلول‌ها همانطور كه در شكل نشان داده شده است به يك ركوردر موبايل گزارش مي‌شود و به اين صورت زمان تعادل واكنش در هنگاميكه فشار و دماي فرايند ثابت باقي ماند (حالت تعادل دوم) مشخص مي‌شود سپس با موازنه جرم (معادله 1) بر مبناي دما و فشار اندازه گيري شده قبل و بعد از حالت تعادل مي‌توان ظرفيت جاذب را تعيين كرد.
كه در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولكولي، Z، ضريب تراكم پذيري گاز و Nتعداد مولكول‌هاي جذب شده است. زيرنويس 1 نشان دهنده وضعيت تعادلي اوليه و زيرنويس 2 نشان دهنده وضعيت تعادلي نهايي است.[4]
مروري بر ذخيره سازي گاز متان در نانو ساختارها
شكل2- جذب متان در شرايط آزمايشگاهي با دماي 303 درجه كلوين (■)روي SWNHs فشرده شده، و ايزوترم‌هاي شبيه سازي شده (-) در SWNTs آرايه مربعي و (---) آرايه مثلثي
Elena Bekyarova توسط اشتعال ليزري گرافيت، نانوهورن‌هاي (نانوشاخ) كربني تك ديواره‌اي (SWNH) را براي ذخيره سازي گاز متان، در دماي اتاق و بدون كاتاليست، توليد كرد (شكل 2). سايز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل مي‌شود. اين ساختارهاي كربني در آرگون با فشار760 تور آماده مي‌شوند. بخار كربن ذرات گرافيتي را با سايز يكنواختي در حدود 80 نانومتر توليد مي‌كند كه از SWNHsبا قطر حدودا 2 تا 3 نانومتر تركيب شده‌اند. دانسيته توده كه در اين روش ذخيره سازي گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار 50 مگا پاسكال زير خلاء)، 0.97 گرم بر سانتيمتر مكعب مي‌باشد. همانطور كه در شكل 2 مشاهده مي‌شود ايزوترم‌هاي جذب متان با دماي 303 كلوين در اين آزمايش بر اساس طبقه بندي BDDT از نوع I مي‌باشند. داده‌هاي آزمايشگاهي جاذب SWNHs با داده‌هاي SWNTهاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي شبيه سازي شده، مقايسه شدند. ايزترم‌هاي نانولوله‌هاي سرباز(opened-end) آرايه مربعي و آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر(فاصله بين ديواره‌ها و لوله‌هاي مجاور) با استفاده از روش GCMC شبيه سازي شده اند. در فشارهاي كم، ظرفيت جاذب SWNHها مشابه با SWNTهاي آرايه مربعي مي‌باشد اما در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال نانولوله‌هاي تك ديواره آرايه مثلثي ظرفيت بيشتري را براي جذب گاز متان نشان مي‌دهند بنابراين آرايش لوله ‌ها در SWNTها مي‌تواند فاكتور مهمي در ذخيره سازي گاز متان باشد. ظرفيت ذخيره سازي جاذب‌هاي SWNHفشرده شده در دماي 303 كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال، حدود 160 cm3/cm3 و ظرفيت ذخيره سازي جاذب‌هاي SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دماي اتاق و فشار 4 مگا پاسكال 198گرم بر متر مكعب مي‌باشد و اين در حالي است كه ظرفيت ذخيره سازي كربن فعال شده در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال در حدود 96 cm3/cm3 است.[6]
متاسفانه گزارش‌هاي آزمايشگاهي و تحقيقاتي اندكي درباره ذخيره سازي متان روي آرايه‌هاي SWNT موجود است. Murise و همكارانش تنها رفتار فازي وجذبي متان روي نانولوله‌هاي تك ديواره را در دماهاي پايين بررسي كردند.[6] Talapatra و همكارانش بطورآزمايشگاهي ميزان جذب گازهاي متان، گزنون و نئون را روي دسته‌هاي SWNTاندازه گيري كردند و بطور غيرمنتظره اي مشاهده كردند كه هيچ گازي در فواصل بين آرايه اي SWNT جذب نشده است. [7]با اين وجود اين بدان معنا نيست كه فواصل بين آرايه‌هاي SWNT ديگر نمي توانند گاز را جذب كنند. پس از مدتي، در يك مقاله ديگر از همان گروه مشاهده شد كه گاز متان مي‌تواند در دسته‌هاي SWNT سردسته (Closed-end)، جذب شود. [8]بنابر اين مشاهدات و مقايسه آنها با شبيه سازي‌هايBekyarova مي‌توان به اين نتيجه رسيد كه فاصله واندروالس يك فاكتور اوليه موثر روي ميزان جذب متان در فواصل بين آرايه‌هاي SWNT است (شكل3 ). در پي اين نتيجه، Cao و همكارانش تحقيقات خود را در راستاي بهينه سازي فاصله واندروالس بين لوله‌ها در آرايه‌هاي SWNT ادامه دادند. اين گروه با استفاده از روش مونت كارلو جذب متان را روي SWNTهاي آرايه مثلثي در دماي اتاق بررسي كردند. در ديواره اين نانولوله‌ها اتم‌هاي كربن به صورت آرميچير قرار گرفته‌اند. از نتايج اين كار مشخص شد كه SWNT با آرايه مثلثي و فاصله واندروالسي 0.8 نانومتر بيشترين مقدار گاز متان را در دماي اتاق جذب مي‌كند. در فشار 4.1 مگا پاسكال ظرفيت حجمي و ظرفيت جرمي جذب متان روي آرايه‌هاي SWNT(15,15) با فاصله واندروالسي0.8 نانومتر216 v/v و215g CH4/Kg است.[9]
شكل3- برش عرضي از آرايه‌هاي مثلثي نانولوله‌هاي تك ديواره
همانطور كه گفته شد مطالعات و تحقيقات جذب گاز متان روي نانولوله‌هاي كربني چند لايه نسبت به نانولوله‌هاي كربني تك لايه محدودتر مي‌باشد. از جمله كساني كه در اين زمينه كار كرده است Sunny E.Iykenv از كشور مالزي است. وي توانست نانولوله‌هاي كربني چند ديواره را با تكنيك رسوبدهي بخار شيميايي كاتاليست شناور(FCCVD) توليد كند. اين تكنيك مي‌تواند در توليد انبوه نانولوله‌هاي چند ديواره با هيبريدهاي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. نانولوله‌هاي كربني با هيبريد SP2 داراي بزرگترين سايز روزنه هستند. سايز روزنه در SP2 44.4 نانومتر و در SP1 وSP3 وSP4 به ترتيب برابر 9.1و8.9و8.7 نانومتر است. گاز متان بصورت مايع و شبه جامد روي نانولوله‌هاي توليد شده جذب مي‌شود. ايزوترم‌هاي بدست آمده از آناليزر BET در اين آزمايش در شكل 5 نشان داده شده است. همان‌طور كه مشاهده مي‌شود، ايزوترم‌هاي جذب براي كربن‌هاي SP1 و SP2از نوع III مي‌باشند در حاليكه ايزوترم‌هاي جذب متان براي كربن SP3 داراي سه نقطه اوج است كه احتمالا مربوط به تغيير فاز مي‌باشند. از اين گذشته ايزوترم دماي 15 درجه سانتيگراد داراي دو نقطه اوج مي‌باشد كه نمايشگر نقاط تغيير فاز مي‌باشند. در اين آزمايش مشاهده مي‌شود كه جذب متان توسط نانولوله‌هاي كربني چندلايه نسبتا پايين است در حاليكه با افزايش فشار بر مقدار گاز جذب شده اضافه مي‌شود.
شكل4- تصاويرTEM از پنج نمونه CNT(SP2F,SP1,SP1,SP3,SP4) كه نمونه آخر داراي متان جذب شده است.
پس از آن در آزمايش‌هايي كه توسطJae-Wook Lee انجام شد، نانولوله‌هاي كربني چند ديواره با روش رسوب دهي بخار شيميايي(CVD) با طول يكنواخت و قطر مشخص ساخته شدند، شكل10 تصاوير TEMوSEM نانولوله‌هاي چندلايه كربني ساخته شده را نشان مي‌دهد. ضخامت ديواره‌ها در حدود 15 تا 20 نانومتر و طول آنها در حدود 20 تا 30 ميكرومتر و دانسيته توده در حدود 0.005 تا 0.006 گرم بر سانتي متر مكعب است. در اين آزمايش گاز متان مورد استفاده داراي خلوص 99.9 درصد است. نتايج آزمايشگاهي كه در اين روش بدست آمده است در دماهاي 301.15 و313.15 و323.15 كلوين و در فشاري تا 3 مگا پاسكال موجود مي‌باشد كه در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور كه از اين جدول پيداست ظرفيت نانولوله‌هاي چند ديوارهكربني در فشارهاي پايين تر از 1.5 مگا پاسكال بسيار كم مي‌باشد در حاليكه در فشار‌هاي بالاتر نيز ميعان موئينگي رخ مي‌دهد. به علاوه فشار ميعان موئينگي با دما افزايش مي‌يابد. [10]در شكل 6 ايزوترم‌هاي جذب متان نشان داده شده اندكه مشاهده مي‌شود ايزوترم‌هاي جذب متان در گستره دمايي اين آزمايش، از نوعIV مي‌باشند.[4]
شكل5- ايزوترم‌هاي جذب/دفع متان در CNTها، (a) دفع متان از SP2 در دماهاي مختلف. (b) جذب متان روي SP1,SP2 (در دماهاي مختلف) وSP3
شكل6- ايزوترم‌هاي جذب متان روي نانولوله‌هاي كربني چند ديواره
نتيجه‌گيري
بررسي جذب گاز درنانو ساختارها نشان مي‌دهد كه پارامترهاي روزنه و دانسيته جادب مي‌تواند در ميزان جذب گاز بسيار موثر باشد به طوري كه خواص روزنه‌ها در SWNHهاي فشرده شده به گونه اي است كه در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال، ظرفيت ذخيره سازي گاز متان اين نوع جاذب 160 v/v مي‌باشد. در ارتباط با SWNTها مي‌توان گفت كه آرايش آنها و فاصله واندروالسي در آنها از پارامترهاي مهم در ميزان ذخيره سازي گاز طبيعي مي‌باشد. همانطور كه در نمودار شكل 2 نشان داده شده است، ميزان جذب گاز در SWNTهاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي در فشارهاي پايين تقريبا يكسان است و اين ميزان در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال در SWNTهاي آرايه مثلثي افزايش مي‌يابد. همچنين SWNTهاي آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر در فشار 4.11 مگاپاسكال ظرفيتي در حدود 170 v/v براي ذخيره سازي گاز متان دارند در حاليكه اين ظرفيت در SWNTهاي بهينه شده با فاصله واندروالسي 0.8 نانومتردر شرايط يكسان به 216 v/v مي‌رسد كه حتي بيشتر از ظرفيت ذخيره سازي CNGدر فشارهاي 20 تا 30 مي‌باشد(200 v/v).
جدول 2- ميزان جذب گاز روي نانوساختارها و ساير جاذب‌هاي متداول [4]
جاذب gCH4/kgC V/V دما(K) فشار(MPa)
كربن فعال شده 144 298 0.95
كربن فعال شده پودر شده 168 165 298 4.0
كربن فعال شده مرطوب 200 273 10
مخازن CNG 200 30-20
SWNHs 160 303 3.5
SWNTs(آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي0.34 نانومتر) 170 303 4.11
SWNTs(آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.8 نانومتر) 215 216 303 4.11
MWCNT 14 303.15 1.55

جدول1- نتايج آزمايشي جذب متان در نانولوله‌هاي چند لايه كربني
(T )=303.15 K (T )=313.15 K (T )=323.15 K
P (MPa) N (mmol.g-1) P (MPa) N (mmol.g-1) P (MPa) N (mmol.g-1)
0.032 0.019 0.041 0.033 0.038 0.043
0.081 0.136 0.113 0.154 0.092 0.064
0.156 0.227 0.227 0.185 0.169 0.091
0.255 0.256 0.388 0.263 0.292 0.175
0.367 0.403 0.598 0.416 0.441 0.224
0.559 0.438 0.862 0.438 0.627 0.244
0.798 0.518 1.196 0.523 0.878 0.341
1.114 0.698 1.570 0.611 1.189 0.336
1.546 0.862 1.979 1.084 1.551 0.378
1.948 1.481 2.408 1.498 1.968 0.684
2.376 1.818 2.838 1.698 2.507 1.252
2.745 1.886 2.836 1.350
در بررسي MWCNTها با توجه به جدول 2 مشاهده مي‌شود كه ظرفيت اين نانوساختارها در فشارهاي پايين، بسيار كم و در حدود 14 g/Kg است و در فشارهاي بالاتر ميعان موئينگي رخ مي‌دهد. بعلاوه فشار مناسب براي ميعان موئينگي با افزايش دما، افزايش مي‌يابد.
امكان ابررسانايي دماي اتاق در نانو لوله هاي كربني
كشف ابررساناهاي سراميكي گرم در سال 1986[1] را، انقلاب علمي قرن بيستم نام نهادند و ارزش آن را حتي از كشف ترانزيستور بالاتر پنداشتند. جايزه نوبل سال 1987 نيز به كاشفان آن تعلق گرفت. پيشرفتهاي زياد، در ساخت ابررساناهاي گرم، و اميد به رسيدن به تركيبي كه بتواند در دماي اتاق ابررسانا باشد، دنياي فيزيك را به فعاليتي شبانه روزي واداشت. طي 5 سال بعد از كشف ابررساناهاي گرم، دماي بحراني ابررسانايي در تركيبات جيوه دار به K134 رسيد[2] دمايي كه 5 سال قبل از آن در تصور هيچ فيزيكداني نمي گنجيد. متاسفانه اين دماي بحراني هنوز به صورت يك ركورد باقي مانده است و تركيب جديدي با دماي بحراني بالاتر كشف نگرديده است. اين ركود قدري فعاليت فيزيكدانان را در اين زمينه كمتر كرد و كم كم اين سوال پيش آمد كه آيا براي رسيدن به ابررسانايي دماي اتاق بايد سيستمهاي سراميكي را كنار گذاشت و به سراغ سيستمهاي ديگري رفت؟
با كشف ابررسانايي در فولرنها و نانو لوله هاي كربني حوضه جديدي در فيزيك گشوده شد.
پس از كشف كربن 60 در سال 1985 توسط Kroto و همكارانش از دانشگاه ساسكس و با توجه به كاربردهايي كه براي آن متصور شدند مجددا‍ٌ آن را انقلاب علمي جديدي پنداشتند. آلاييدن كربن 60 با فلزات قليايي خاكي، ابررسانايي را به دنبال داشت. در تركيبات A3C60 (Aفلزات قليايي خاكي) ابررسانايي تا K 33 در تركيب RbCs2C60 كشف گرديد[3]. در كربن 60 دوپ شده با حفره ‍، ابررسانايي در K52 بدست آمد [4]. همچنين در تركيب C60/CHCl3 و C60/CHBr3 ابررسانايي به ترتيب در K70 و K117 مشاهده گرديد [5].
آنچه كه موضوع را مهيج مي كند امكان بروز ابررسانايي دماي اتاق در نانو لوله هاي كربني است. ابررسانايي دماي اتاق كه فيزيكدانان آن را در سيستمهاي سراميكي دنبال مي كردند و افق روشني براي آن نمی ديدند آنان را واداشته تا ابررسانايي دماي اتاق را در نانو لوله هاي كربني دنبال كنند. به همين منظور فعاليتهاي وسيعي در اين زمينه شروع شده است كه آن را با كشف ابررسانايي گرم مقايسه مي كنند.
در سال 1991 محققين ژاپني در حين ساختC60 اشياء سوزني شكلي بر روي الكترود منفي دستگاه ايجاد كننده قوس الكتريكي يافتند. آزمايشهاي متعدد نشان داد كه اين اشياء سوزني شكل، صفحات گرافيتي لوله شده اي هستند كه داراي قطري در محدوده nm 1 وطولي در حدود ميكرومتر هستند. اين نانو لوله ها كه مي توانند تك جداره (SWNT) و يا چند جداره (MWNT) باشند داراي نوك مخروطي شكل وبسته اي هستند و اين امكان را دارند تا به روشهاي شيميايي باز شده وبا ذخيره كردن مواد خاصي در آنها مثل ئيدروژن، Ni و يا Liاز آنها به عنوان پيلهاي سوختي با عمر طولاني ويا كاربردهاي متعدد ديگر استفاده كرد. مطالعه فيزيكي اين نانو لوله ها با ضخامتهاي بسيار كم به عنوان يك سيستم شبه يك بعدي، مورد توجه شديد فيزيكدانان قرار گرفته است. يك مطالعه نظري نشان می دهد كه دريک سيستم شبه يك بعدي امكان بروز ابررسانايي حتی تا K500 وجود دارد. عامل بروز ابررسانايي مدهاي پلاسموني آكوستيكی غير ميرا در سيستم شبه يك بعدي مي باشد[6].علاوه بر اين ابررسانايی دمای بالا می تواند در يک سيستم الکترونيکی چند لايه به واسطه جاذبه حاملهای بار در يک لايه رسانا از طريق تعويض پلاسمونهای مجازي در لايه مجاور رخ دهد[7].
با توجه به اين تئوريها، نانولوله های کربنی تک جداره(SWNT)و چند جداره (MWNT) با توجه به ضخامت آنها (1 nm) كه به طور منحصر به فردي شبه يك بعدي اند براي بروز ابررسانايي دماي بالا با واسطه پلاسموني ايده آل به نظر مي رسند. ضمن اينكه نانو لوله هاي چند جداره هم يك بعدي اند و هم داراي ساختار الكترونيكي چند لايه مي باشند. مطالعات ديگر نشان مي دهد[8] كه نانو لوله هاي كربني بستر مناسبي براي حركت زوج كوپر فراهم مي آورند و به عبارتي رساناي زوج كوپر ميباشند(در ابررساناها، حاملهاي بار زوج الكترونهايي هستند كه توسط عوامل مختلف همديگر را به جاي دفع، جذب مي كنند و همين جاذبه عامل ابررسانايي است. اين زوج الكترون را زوج كوپر مي نامند). كشف ابررسانايي K 15 در نانو لوله هاي كربني خالص [9،10] نه تنها حيرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضايايي را كه حدود 40 سال پيش انتقال فاز را در سيستمهاي يك و يا دو بعدي ممنوع مي دانستند رد كرده است.
Zhao و همکارانش [11] دلايل متعددي را ارائه كرده اند كه مي توان ابررسانايي دماي اتاق را در نانو لوله های کربنی يافت. آنها بيش از 20 دليل ارائه كرده اند كه اين نانو لوله ها ي كربني از خود خواصي را نشان مي دهند كه بيانگر ابررسانايي دماي اتاق در آنها است.
آنچه كه جالب است تلاقي دو انقلاب علمی يعني ابررسانايي و نانو تكنولوژي است. بي شك ابررسانايي دماي اتاق رويايي در ذهن فيزيكدانان است. خصوصاٌ اينكه ماده اي در ابعاد نانو در دماي اتاق بتواند جريان الكتريسيته را بدون اتلاف حمل نمايد مي تواند كاربردهاي متعدد و غير قابل تصوري را در شاخه هاي مختلف علمي و صنعتي داشته باشد. كشف ابررسانايي دماي اتاق جايزه نوبل را نصيب كاشفان آن مي كند و به نظر مي رسد كه اين كاشفان بايد اميدهاي خود را در نانو لوله هاي كربني جستجو كنند.
استفاده از نانولوله‌هاي کربني در پيل‌هاي خورشيدي
براي افزايش بازدهي تبديل انرژي نور خورشيد، روش‌ها و ابداعات جديدي مورد نياز است. در اين مسير استفاده از نانولوله‌هاي کربني در سيستم‌هاي جمع‌آوري فوتون (ذرات نور) مسيري جديد در طراحي اين سيستم‌ها به وجود آورده‌است. اين مقاله به بحث دربارةروش‌هاي استفاده از نانولوله‌هاي کربني به عنوان الکترودهاي حساس به فوتون و نقش آنها در تبديل انرژي خورشيدي به جريان الکتريسيته مي‌پردازد.
سازمان ملل متحد، آيين‌نامه‌اي را تحت عنوان تثبيت ميزان غلظت گازهاي گلخانه‌اي اتمسفر در حدي که بتواند از خطر تداخل آنتروپوژنيک (anthropogenic) با سيستم آب و هوايي جلوگيري کند، به عنوان يکي از پيمان‌نامه‌هاي زيرساختاري قرار داده‌است؛ اين در حالي است که تا سال 2050 ميلادي ده تريليون وات (TW) انرژي بدون انتشار كربن بايد توليد شود که تقريباً معادل همة منابع انرژي‌هاي موجود تا به امروز است.
براي مواجه شدن با افزايش تقاضاي انرژي در آينده‌اي نزديک، چاره‌اي جز جستجوي منابع انرژي پاک که از نظر پسماند نيز مشکلي نداشته باشند، وجود ندارد. سوخت‌هاي فسيلي و مشتقات آنها، سوخت هسته‌اي و سوخت‌هاي تجديد‌پذير از اصلي‌ترين منابع تأمين‌کنندة ده تريليون وات انرژي در سال‌هاي آتي هستند.
در ميان انرژي‌هاي تجديدپذير (مثل باد، آب، زمين گرمايي (hydrogeothermal) ، خورشيد)، انرژي خورشيدي به عنوان يک منبع انرژي تمام‌ناشدني يکي از قابل قبول‌ترين منابع براي دستيابي به اين تقاضاي انرژي در آينده است. فعلاً انرژي توليدشده از نور خورشيد کمتر از 01/0 درصد از تقاضاي انرژي در جهان است. اگر چه انرژي خورشيدي و تشعشعات آن در مقالات و تحقيقات زيادي مورد بررسي قرار گرفته‌است ولي به‌منظور دستيابي به روش‌هاي اقتصادي‌تر و داراي راندمان بالا براي جمع‌آوري فوتون‌ها نوآوري‌هايي لازم است.
طي دهة اخير نانومواد به‌عنوان سيستم‌هايي جديد براي جمع‌آوري انرژي نور مطرح شده‌اند. خواص کم‌نظير الکتريکي و الکتروني، پايداري بالاي الکتروشيميايي و سطح بالايي که اين گونه مواد ايجاد کرده‌اند انگيزة بسياري از محققان را در به‌خدمت گرفتن نانوساختارهاي کربني (مثل نانولوله‌هاي تك ديواره) براي تبديل انرژي‌هاي مختلف برانگيخته‌است، به طور مثال فولرين‌ها خواص فوتوشيميايي بالايي از خود نشان مي‌دهند و به عنوان پرتابه الکترون (electron shattle) در پيل‌هاي خورشيدي فوتوشيميايي عمل مي‌کنند. اين مواد در بهبود بازده پيل‌هاي فوتوولتائيک (photo voltaic) آلي نقش مهمي را ايفا مي‌کنند.
در پيل‌هاي خورشيدي معمول فوتوشيميايي، لاية نيمه‌هادي به عنوان الکترودهاي فوتواکتيو عمل مي‌کند که با تحريک نور مرئي، جفت الکترون- حفره ايجاد مي‌کنند. يکي از حامل‌هاي بار (مانند الکترون) به‌سمت الکترود شمارنده رانده مي‌شود؛ در حالي که عامل بار ديگر (حفره) به‌وسيلة جفت اكسايش - كاهش موجود در الکتروليت حذف مي‌شود و به اين ترتيب جرياني از فوتون ايجاد مي‌شود.
نانولوله‌هاي تــــــک‌ديواره (SWNT) و نانولـــــــوله‌هاي (stacked- cup (SCCNT، به عنوان دو نوع از بهترين نانولوله‌هاي کربني در تبديل انرژي خورشيدي در مقالات معرفي شده‌اند. نانولوله‌ها به‌صورت معمول از شبکه‌هاي شش‌ضلعي کربني تشکيل شده‌اند كه مورفولوژي خاص آنها و در دسترس بودن سطوح داخلي و خارجي آنها براي افزودن عوامل شيميايي و اصلاح اين سطوح، کاربردهاي جديدي را براي اين مواد در فرايندهاي کاتاليستي و الکترونيکي به وجود آورده‌است.
نانولوله‌هاي تک‌ديوارة موجود شامل هر دو نوع نانولوله‌هاي فلزي و نانولوله‌هاي نيمه‌هادي با کايراليتي متفاوت هستند. تابع کار (work function) نانولوله‌هاي تک‌ديواره حدود 8/4- الکترون ولت بر اساس ميزان خلاء مطلق (AVS) است. نانولوله‌ها داراي باندگپي در بازة صفر تا 1/1 الکترون ولت هستند که البته کاملاً به کايراليتي و قطر لوله‌ها بستگي دارد. هنگامي که باند گپ نانولوله‌هاي نيمه‌هادي تحريک مي شود، دچار جداسازي بار مي‌شوند.
از نانولوله‌هاي کربني در سلول‌هاي خورشيدي به دو صورت استفاده مي‌کنند (شکل 1) :
1 - تحريک مستقيم باند گپ نانولوله‌هاي نيمه‌هادي؛
2 - استفاده از نانولوله‌هاي رسانا به عنوان مجرايي براي عبور حامل‌هاي بار از نانوساختارهاي جمع‌کنندة نور.
در بخش بعد روشي که نانولوله‌ها را به‌صورت لايه‌اي متراکم درآورده و به عنوان الکترود حساس به فوتون روي سطح رساناي پيل‌هاي خورشيدي مي‌نشانند توضيح داده شده‌است. شمايي از دو روش موجود در شکل (1) آمده ‌است.
رسوب الکتريکي نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره روي الکترود شيشه‌اي رسانا
قدم اول در ساخت پيل‌هاي خورشيدي، سوار کردن نانولوله‌ها به‌صورت فيلم نازک روي سطح الکترود است که در اين زمينه روش‌هاي مختلفي وجود دارد. در اين آزمايش از روش بسيار مؤثر رسوب الکترو فورتيک (electrophoretich) در نشاندن نانولوله‌هاي کربني روي سطح الکترود، استفاده شده است.
ابتدانانولوله‌هاي کربني به همراه نمک آمونيوم (تترا اُکتيل آمونيوم برمايد يا TOAB) در تتراهيدروفوران (THF) حل مي‌شوند. سپس اين سوسپانسيون به پيل الکترو فورتيک شامل دو الکترود موازي شفاف به نور (OTE) به ضخامت پنج نانومتر، انتقال مي‌يابد. بعد از برقراري ولتاژ 40 ولت مستقيم (dc) نانولوله‌ها به‌سمت الکترود مثبت رفته، بعد از دو تا سه دقيقه فيلم نازکي از نانولوله‌هاي تک‌ديواره روي سطح الکترود رسوب مي‌کند (شکل 2) با افزايش زمان اعمال ولتاژ، ضخامت فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره افزايش مي‌‌يابد. لايه تشکيل‌شده کاملاً قوي و براي اندازه‌گيري‌هاي الکتروشيميايي نيز مناسب است.
هنگامي که ميدان مستقيم بين دو الکترود شيشه‌اي بيشتر از 100V/Cm باشد نانولوله‌ها به جاي رسوب روي سطح در عرض فضاي بين دو الکترود و به‌صورت صفوف هم‌خط و موازي روي هم‌ رسوب مي‌کنند. اين تجمع نانولوله‌هاي کربني کاملاً از هم جدا بوده و به‌صورت بسيار جالب و مناسب در يک خط و به صورت عمود بر سطح الکترود قرار مي‌گيرند. نمونه‌اي از آن چه در ولتاژهاي بالا ايجاد شده در شکل (2) آورده شده‌است.
بنابراين به‌سادگي مي‌توان جهت‌گيري و رسوب‌دهي لايه‌هاي نانولوله‌هاي تک‌ديواره را با کنترل ولتاژ تغيير داد. به روشي مشابه مي‌توان فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره و SCCNT ، را روي سطح الکترودهاي ديگري مثل صفحات بسيار نازک کربني رسوب داد. براي تعيين مورفولوژي الکترودهاي متشکل از نانولوله‌هاي تک‌ديواره و SCCNT از ميکروسکوپ الکتروني روبشي SEM استفاده شده که تصاوير آن در شکل (3) آورده شده‌است.
جداسازي بارهاي القاء شدة فوتوني در فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره
از خواص جالب نانولوله‌‌هاي کربني نيمه‌هادي، توانايي آنها در پاسخ‌دهي به نور است. به عنوان مثال در سالهاي اخير با استفاده از پاسخ الاستيک كلاف هاي موازي نانولوله‌هاي کربني که بين دو الکترود فلزي قرار گرفته بودند، خاصيت تحريک‌پذيري فوتوني فيلم‌هاي نانولوله‌هاي کربني مشخص شده است. آوريس و همکارانش (Avouris) پديده لومينسانس حامل‌هاي تابش‌کنندة بار را به‌وسيلة ترانزيستورهاي اثر- ميداني (FET) نانولوله‌هاي کربني دو‌قطبي مشاهده کردند. الکترون- حفره‌ها به يک مدار خارجي تزريق مي‌شوند و با ترکيب مجدد آنها نور توليد مي‌شود.
گزارش‌هاي اخير در مورد اثر فلوئورسانسي باند گپ از نمونه‌هاي نانولوله‌هاي نيمه‌هادي تك ديوارة منفرد، نشان مي‌دهد که امکان تصحيح خواص اپتيکي نانولوله‌ به كمك نانولوله هاي منفرد وجود دارد. مطالعات اسپکتروسکپي نشان مي‌دهند که زمان ماندن جفت الکترون- حفره در لبة لايه حدود صد فمتوثانيه بعد از القاي فوتوني ون هو (van Hove) در ساختار لوله‌اي است. مطالعات اخير نشان دهندة توانايي ساختار لايه‌اي نانولوله‌ها در جداسازي جفت الکترون- حفره به‌وسيلة القاي نورمرئي است.
به‌منظور استفاده از حامل‌هاي بار توليدشده به‌وسيلة فوتون براي ايجاد جريان الکتريسيته، ترکيب مجدد حامل‌هاي بار محدود شده فضايي در نانولوله به وسيلة برهم‌کنش‌هاي کولمبي با پيوندهاي دوگانه که اکسايتون نام دارند، جفت مي‌شوند. اغلب اين اکسايتون‌ها از سطوح بالاي 2 C و 2 V ، از طريق گذارهاي بين باندي به ترازهاي 1 C و 1 V زير گپ افت کرده، و بدين ترتيب يک اکسايتون زير باندگپ ثانويه (Second Sub-bandgap) را مي‌سازند.
تنها کسر کوچکي از اكسايتون‌ ها قادر به تجزيه شدن و تشکيل الکترون- حفره‌هاي جفت‌نشده هستند. جداسازي اكسايتون‌ها به‌دليل ايجاد حالت بارهاي تفکيکي نقش مهمي در توليد جريان فوتوني دارد.
جداسازي بارها در نانولوله‌ها به‌وسيلة طيف‌سنجي با پروب پمپ ليزر فمتوثانيه‌اي (Femtosecond laser pump-probe spectroscopy) به‌خوبي مورد تحليل و بررسي قرار مي‌گيرد. اين روش براي تحقيق در مورد فرايندهاي بسيار سريع که بر اثر تحريک نانولوله‌هاي کربني يا مواد نيمه‌هادي اتفاق مي‌افتند،بسيار مفيد است. در يک آزمايش واقعي، تغييرات جذب در نمونه در زمان‌هاي گذار متفاوت از طريق تحريک با يک پالس ليزري کوتاه ثبت شده‌است. طيف‌هاي جذبي مختلف در زمان‌هاي گذار مختلف با تحريک سوسپانسيون نانولوله‌هاي تک‌ديواره در HTF با پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 130 فمتوثانيه ثبت شده است. در شکل (5) نمونه‌اي از طيف جذب انتقالي و از بين رفتن جذب در پالس 700 نانومتر نشان داده شده‌است. القاي فوتوني باعث رنگبري (bleaching) جذب نانولوله‌هاي تک‌ديواره در ناحية قرمز طيف مي‌شود. پهناي باند بي‌رنگ با تغيير قطر نانولوله‌ها و زاويه کايرال و توده شدن ذرات تغيير مي‌کند و بي‌رنگ شدن در ناحية مرئي که مطابق انتقال V2-C2 است در کمتر از يک پيکوثانيه تجديد مي‌شود که از اين بابت شبيه به ايجاد باند الکترون- حفره و يا انتقال برانگيختگي به باند C1- V1 است. محققان مشاهده کردند که جمع‌آوري جفت الکترون- حفره در باند گپ اصلي V1-C1 و طول عمرشان (100-10 پيكوثانيه) به‌شدت به برانگيختگي بستگي دارد. اين دانشمندان براساس تفاوت‌هايي که بين بازيافت جذب انتقالي و از بين رفتن گسيل‌ها وجود دارد معتقدند كه پيچيدگي‌هاي حالت‌هاي مختلف به دام انداختن بار، فاکتور مهمي در انتقال الکترونيکي محسوب مي‌شود.
به طور کلي حضور چنين حالت‌هاي سطحي، در تثبيت حامل‌هاي بار توليدي و شرکت در توليد جريان فوتوني بسيار مؤثر است و با افزايش احتمال جمع‌آوري در سطح الکترود، افزايش جداسازي بارها نيز قطعي مي‌شود. بي‌رنگ شدن انتقالي که به دنبال القاي پالس ليزري ايجاد مي‌شود نشان‌دهندة تجمع تعداد قابل قبولي از حامل‌هاي بار روي نانولوله‌هاي تک‌ديوارة موجود است. سؤالي که در اينجا مطرح مي‌شود چگونگي جمع‌آوري مناسب حامل‌هاي بار فوتوالقايي توليدشده روي نانولوله‌هاي تک‌ديواره براي توليد جريان الکتريکي است، مانند آنچه در نيمه‌هادي‌هاي ديگر و پيل‌هاي فوتوولتائيک ديگر اتفاق مي‌افتد.
سلول‌هاي خورشيدي فوتوالکتروشيميايي
با استفاده از نانولوله‌هاي تک‌ديواره و SCCNTهاي رسوب‌داده‌شده به روش الکتروفورتيک، به عنوان الکترودهاي حساس در مقابل ذره‌هاي فوتون، مي‌توان سلول‌‌هاي فوتوالکتروشيمي ساخت. با توليد زوج اكسايش- كاهش مانند (-I2/I3) در حلال استونيتريل مي‌توان الکتروليت رسانايي بين فيلم نانولوله‌ و الکترود شمارنده پلاتين به وجود آورد. شکل‌هاي (6) و (7) نشان‌دهندة پاسخ فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره در برخورد با نور گسيل‌شده است. نور برخوردي (با طول موج بزرگتر از 400 نانومتر) باعث برانگيخته شدن نانولوله‌هاي تک‌ديواره ها و توليد حامل‌هاي بار مي‌شود. ايجاد آني جريان فوتوني را بعد از برانگيخته شدن در شکل (6) مشاهده مي‌کنيم. بيشترين جريان و ولتاژ ايجاد شده در اين آزمايش به‌ترتيب 8µA/Cm2 و 12mV است. بازدهي تبديل فوتوني به‌صورت نسبت فوتون‌هاي گسيل‌شده به حامل‌هاي بار (IPCE) تعريف مي‌شود که با اندازه‌گيري جريان فوتوني در طول موج‌هاي القائي متفاوت به وجود آمده‌است. بيشترين مقدار IPCE در حدود 15/0 درصد در طول موج 400 نانومتر به دست آمده‌است، اين در حالي است که انتظار مي‌رفت اين مقدار براي پيل‌هاي خورشيدي فوتوشيميايي در بازة 90-80 درصد باشد. گرچه مقدار IPCE به‌دست‌آمده براي پيل‌هاي خورشيدي ايجادشده به‌وسيلة نانولوله‌ها نسبتاً کم است ولي قابليت تكرار و تجديدپذيري اثر فوتوالکتروشيميايي مي‌تواند باعث ايجاد جريان پايدار در زوج اكسايش- كاهش موجود (I2/I3-) شود.
توليد جريان کاتدي فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره سازوكاري را نشان مي‌دهد که در آن حفره‌هاي توليدشده به‌وسيلة فوتون در سطح OTE جمع مي‌شوند و در يک گردش خارجي به الكترود شمارنده انتقال مي‌يابد. ايجاد مجدد زوج اكسايش- كاهش (I2/I3-)، باعث پاک شدن سطح الکترود از بارها مي‌شود که خود در رساندن جريان فوتوني به حالت پايدار نقش بسزايي دارد. مشاهدة جريان فوتوني کاتد باعث تقويت اين نظريه مي‌شود که نانولوله‌هاي تک‌ديواره استفاده‌شده در اين تحقيق داراي خواص نيمه‌هادي نوع p هستند.
قرار دادن لايه‌اي از SnO2 روي OTE ، سطح وي‍ژه را براي جمع‌آوري بارهاي توليدشدة فوتوني افزايش مي‌دهد و همان طور که از نتايج نيز برمي‌آيد اين افزايش سطح الکترود باعث سه برابر شدن جريان فوتوني در سيستم مي‌شود. نانولوله‌هاي کربني تك ديواره و يا چندديواره اغلب حالت توده شدن و تجمعي به خود مي‌گيرند؛ اما نانوذرات SCCNT هنگامي که روي سطح الکترود رسوب مي‌کنند به‌صورت ذرات مجزا هستند.
تفاوت در شکل (مورفولوژي) اين دو فيلم در تصاوير SEM (شکل 3) قابل مشاهده است. همان طور که در مطالعات قبلي نيز خاطر نشان شده‌است اين لوله‌هاي توخالي داراي بخش عمده و قابل توجهي لبه‌هاي خارجي و روباز هستند که نيروي واندروالس بين لوله‌ها را به کمترين مقدار خود مي‌رساند. به طور کلي فيلم‌هاي SCCNT در پيل هاي فوتو الکتروشيميايي عملکرد بهتري نسبت به نانولوله‌هاي تک‌ديواره نشان مي‌دهند.
الکترود OTE/SnO2/SCCNT به محض قرار گرفتن در معرض القاي نورمرئي جريان فوتوني ايجاد مي‌کند (فيلم SCCNT روي الکترود شيشه‌اي رسانايي ساخته شده‌است که روي آن ذرات SnO2 قرار گرفته‌است) .
براي ايجاد جريان آندي، الکترون‌هاي توليدشدة فوتوني درSCCNT به‌وسيلة نانوکريستال‌هاي SnO2 جمع مي‌شود. رفتار SCCNTهاي به‌وجودآمده بيشتر شبيه نيمه‌هادي‌هاي نوع n است که درست مخالف رفتار فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره عمل مي‌كنند. بررسي اثر آلايش ذاتي نانولوله‌ها (dopant) در طول سنتز آنها و يا تأثير عوامل شيميايي در ايجاد خواص نيمه‌هادي‌ نوع n يا p در نانولوله‌هاي کربني بسيار مؤثر است. مقدار بازده تبديل فوتون‌ها در طول موج‌هاي القايي متفاوت، در شکل (8) نشان داده شده‌است که بيشترين آن در چهار درصد بدون هيچ گونه باياس و در 17 درصد تحت باياس 2/0 ولت اتفاق مي‌افتند. اعمال باياس خارجي به‌‌وسيلة بار پتانسيل، فرايند جلوگيري از دوباره ترکيب شدن بارها در حرکت به‌سمت سطح الکترود را تسهيل مي‌کند.
در شرايط يکسان آزمايشگاهي، مقدار IPCE ثبت‌شده براي الکترود SCCNT نسبت به الکترود نانولوله‌هاي تک‌ديواره يك مرتبه بزرگتر است. هدف ما بالا بردن کارايي سيستم نسبت به پيل‌هاي خورشيدي ديگر و رساندن اين بازده به صد درصد، چيزي نزديک به مدل‌هاي تئوري است که به‌وسيلة تصحيح خواص سطحي و مورفولوژي نانولوله‌هاي تک‌ديواره و SCCNT در حال انجام است.
هيبريدهاي نانولوله‌ تک‌ديواره- نيمه‌هادي
در سلول‌‌هاي فوتوالکتروشيميايي که بر اساس نانوساختارها و يا فيلم‌هاي نيمه‌هادي مزوسکوپيک شکل گرفته‌اند انتقال الکترون در عرض ذرات، قابليت كاهش بازترکيب مجدد در مرزدانة ذرات را دارد. استفاده از نانولوله‌هاي کربني در سيستم‌هاي جمع‌آوري نور (مانند نيمه‌هادي‌ها) راه بسيار مؤثر و مناسبي براي تحت نفوذ قرار دادن همة سيستم‌هاي جمع‌آوري فوتون است. در شکل (9) اين دو روش قابل مشاهده هستند. نانولوله‌هاي تک‌ديواره کانديداي ايده‌آلي براي مجراي جمع‌آوري و انتقال بار سيستم‌هاي جمع‌آوري نور است. از موارد مورد توجه کامپوزيت CdS/SWNT (کادميوم سولفيد/نانولولة تک‌ديواره) است که مي‌تواند به‌وسيلة نور مرئي جرياني فوتوني با راندمان بسيار بالا ايجاد كند. نانولوله‌هاي تک‌ديواره از روشنايي و درخشندگي کادميوم جلوگيري مي‌کند و درخشندگي آن به‌وسيلة نانولوله‌هاي تک‌ديواره فرو نشانده مي‌شود.
آزمايش‌هاي جذب انتقال، غيرفعال شدن سريع برانگيختگي کادميوم سولفيد (CdS) را روي سطح نانولوله‌هاي تک‌ديواره تأييد مي‌کند همان‌طور که بي‌رنگ شدن انتقالي آن در حدود 200 پيکوثانيه تجديد مي‌شود.
به‌منظور آزمايش فرضيات مربوط به انتقال الکترون بين CdS برانگيخته شده و نانولوله‌هاي تک‌ديواره در لاية کامپوزيت، بايد ذرات کادميوم سولفيد را روي الکترود نانولوله‌هاي تک‌ديواره رسوب دهيم (مثل OTE/SWNT/CdS) ؛ ابتدا به‌وسيلة رسوب دهي الکتروفورتيک فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره را روي OTE رسوب مي‌دهيم و بافروبردن الکترودها در محلولي شامل Cd2+وS2- نانوکريستال‌هاي CdS شکل مي‌گيرند، سپس الکترودها به‌وسيلة آب ديونيزه‌شده کاملاً شسته مي‌شوند، به‌طوري كه تنها يون‌هاي جذب‌شدة Cd2+ با S2- واکنش مي‌دهد. قابل توجه اينكه بعضي از اين روش‌هاي رسوب دهي جذب يوني شبيه به روش‌هايي است که براي ساخت فيلم‌هاي نانوساختار از فلزات كالكوژني بر روي اکسيد فلزات استفاده مي‌شود. همچنين يون Cd2+ به‌آساني روي نانولوله‌هاي تک‌ديواره جذب و با S2- واکنش داده و نانوکريستال‌هاي CdS را با ضخامت 500 نانومتر تشکيل مي‌دهد.
در اين جا از الکترود OTE/SWNT/CdS سلول فوتوالکتروشيميايي شامل محلول استونيتريل با 1/0 درصد تري اتانول آمين که به عنوان دهندة الکترون از‌بين‌رونده‌است استفاده شده‌است. تري‌اتانول‌آمين در از بين بردن حفره‌هاي فوتوني ايجادشده در سطح الکترود، دچار اکسيداسيون غيرقابل برگشت مي‌شود. با تحريك فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره بهبود يافته با CdS به‌وسيلة نور مرئي (380 <λ نانومتر) جريان فوتوني در آن مشاهده مي‌شود.
براي حالتي که ولتاژ مدار باز حدود 200mV و جريان مدار کوتاه 6/2 ميكرو آمپر است، تابعيت IPCE با طول موج القايي در شکل (10) نشان داده شده‌است. کم شدن IPCE در500 نانومتر و به دنبال آن جذب اختصاصي CdS مشاهده مي‌شود (نمودار ضميمه‌شده در شکل 10) . همان طور که در طيف‌هاي فعال جريان فوتوني مشخص است جريان ايجادشده، تحت تأثير القاي اوليه CdS قرار مي‌گيرد. به علاوه مشاهدة جريان آندي فيلم SWNT/CdS، نشان‌دهندة جهت جريان از CdS به الکترود جمع‌آوري است که به‌وسيلة شبکة نانولوله‌هاي تک‌ديواره پوشانده شده‌است. به هر حال قابليت سيستم‌هاي نانوکامپوزيتي CdS/SWNT در جداسازي بارهاي فوتوالقايي موجب ايجاد روند جديدي در طراحي ساختارهاي جمع‌آوري نور شده‌است.
1) NT-H4P2++hv  SWNT-1 (H4P2+) +
2) (SWNT-1 (H4P2+) +  SWNT- (H4P+
ساختار نانولولة تک‌ديواره- پورفيرين
نانولوله‌هاي تک‌ديواره داراي سطح منحني‌شکل ويژه‌اي هستند که اتصال آنها را به مولکول‌هاي آلي بزرگ به‌وسيلة برهم‌کنش‌هاي غيرکووالانسي يا نيروهاي آب‌گريز، آسان مي‌کند. مولکول‌هايي مانند مولکول‌ پورفيرين ميل زيادي به تركيب غيرکووالانسي با نانولوله‌هاي تک‌ديواره از طريق برهم‌کنش π-π دارند. برهم‌کنش بين پورفيرين و نانولوله‌هاي تک‌ديواره مي‌تواند براي رسيدن به ساختار سوپرمولکولار تنظيم شود. براي رسيدن به ساختار مورد نظر مي‌توان با استفاده از چنين خواصي، ترکيب پورفيرين- پروتونه (H4P2+) نوع H و J را به صورت توده‌شده روي سطح نانولولة تک‌ديواره جايگزين کرد. همچنين اين پديدة غيرمعمول‌، يعني توده شدن روي نانولولة تک‌ديواره، مي‌تواند کامپوزيت‌ها را به‌صورت باندهاي خطي در کنار هم قرار دهد. پورفيرين يک مولکول فوتوني فعال است که اغلب به‌منظور ايجاد (تقليد) فرايند فوتوسنتز طبيعي در آزمايشگاه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. انتقال بار بين پورفيرين و نانولوله‌هاي تک‌ديواره به‌وسيلة القاي نورمرئي انجام مي‌شود. همچنين نانولوله‌هاي تک‌ديواره در انتقال الکترون‌هاي توليدشدة فوتوني به سطح و جمع‌آوري در سطح پيل فوتوالکتروشيميايي نقش بسزايي دارند و موجب تسهيل اين امر مي‌شوند. لاية هدايت نانولوله‌هاي نيمه‌هادي در بازة صفر تا نيم ولت بر حسب الکترود هيدروژني نرمال (NHE) قرار مي‌گيرد. انتقال بار از پورفيرين برانگيخته‌شده به مرزهاي نانولوله‌هاي تک‌ديواره به‌صورت زير است:
سيستم‌هاي مولکولي نانولوله‌هاي تک‌ديواره و پورفيرين پروتونه مي‌توانند به‌وسيلة رسوب الکتروفورتيک به‌صورت آرايه‌هاي سه‌بعدي روي لايه‌هاي نانوساختاري SnO2 آرايش يابند. لاية کامپوزيتي SWNT-H4P2+ که روي سطح الکترود قرار گرفته، با اعمال پتانسيل 2/0 ولت بر حسب SCE، بازدهي (IPCE) سيزده درصد نشان مي‌دهد.
الکترودهاي تهيه‌شده از نانولوله‌هاي تک‌ديواره از طريق تقويت انتقال بار در اثر تعامل با پورفيرين القايي و ايجاد مجرايي براي انتقال الکترون‌هاي تزريق‌شده به الکترودِ جمع‌آوري، ايفاي نقش مي‌کنند. با توجه به اين مطالب، طراحي دقيق ساختمان نانولوله‌ها و توجه به خواص سطحي آنها در بهبود بازدهي پيل‌هاي خورشيدي الکتروشيميايي نقش بسزايي دارد.
نتيجه‌گيري
مثال‌هاي مورد بحث در اين مقاله موارد جالبي را در زمينة خواص فوتوالکتروشيميايي نانولوله‌هاي کربني ارائه مي‌دهد. بهبود جداسازي بارها در نانوساختارهاي کربني باعث ايجاد پيشرفت‌هاي زيادي در طراحي و توليد پيل‌هاي خورشيدي مي‌شود. ايجاد روش‌ها و راهبردهاي مناسب براي نشاندن دو يا چند جزء روي سطح الکترود، از عوامل کليدي در بهبود کارايي پيل‌هاي خورشيدي به شمار مي‌رود که در همين مسير براي ايجاد و تکميل سيستم‌هاي هيبريدي با توانايي و کارايي مضاعف در زمينة طراح‌هاي تبديلي انرژي خورشيدي احتياج به تلاش‌ها و فعاليت‌هاي زيادي است.
شکل 1. روش‌هاي استفاده از نانولوله‌هاي کربني در پيل‌هاي خورشيدي فوتوشيميايي به‌وسيلة: (چپ) برانگيختگي مستقيم نانولوله‌هاي‌کربني و (راست) برانگيختگي ساختارهاي تجمع نور که نانولوله‌هاي کربني روي آنها ثابت شده‌اند. الکترون- حفره‌هاي ايجادشده به‌وسيلة القاء فوتوني به‌صورت h وe نشان داده شده‌است. يکي از حامل‌هاي بار روي سطح الکترود جمع مي‌شود و ديگري با اکسيد شدن (O) يا احيا شدن (R) توسط زوج اکسايش- کاهش موجود در الکتروليت، از سطح الکترود پاک مي‌شود
شکل 2. سوسپانسيون نانولوله‌هاي تک‌ديواره در THF به‌صورت رسوب فيلمي نازک روي الکترود رساناي شيشه‌اي OTE در ميدان dc پايين (کمتر از ‍100V/Cm) و يا رسوب نانولوله‌هاي تک‌ديواره به‌صورت كلاف هاي خطي بر سطح الکترود در ميدان dc بالا قابل رؤيت است.
شکل 3. تصاوير SEM از فيلم رسوب‌داده‌شدة الکتروفورتيک (a): نانولوله‌هاي تک‌ديواره (b): نانولوله‌هاي stacked - cup
شکل4. نمايي از چگالي حالت‌ها در يک نانولوله کربني. حفره‌هاي ايجادشده به‌وسيله فوتون در سطح الکترود محصور مي‌شوند که خود باعث ايجاد جريان در پيل فوتوالکترو شيميايي مي‌شود. C1 و C2 مربوط به لاية هدايت و V1 وV2 مربوط به لاية ظرفيت هستند. h وe نيز حفره و الکترون ايجادشده در اثر تحريک نوري نانولوله‌هاي تک‌ديواره هستند.
شکل 5. طيف جذب انتقالي زمان ثابت براي سوسپانسيون نانولوله‌هاي تک‌ديواره در THF با استفاده از پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 150 فمتوثانيه و 0=t∆.
شکل 6. جريان فوتوني (a) و ولتاژ فوتوني (b) سيکل هاي قطع- وصل براي فيلم برانگيخته‌شدة OTE/SWNT به‌وسيلة نورمرئي (P~100mW/Cm2 و 400nm< ) الکتروليت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونيتريل است و الکترود شمارنده (CE) از پلاتين تشکيل شده‌است.
شکل 7. طيف حرکتي جريان فوتون‌ها در الکترود (a) OTE/SWNT و OTE/SnO2/SWNT که نشان‌دهندة ميزان بازده IPCE در طول موج‌هاي القايي متفاوت است. الکترود شمارنده از جنس پلاتين و الكتروليت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونيتريل است. در نمودار ضميمه‌شده طيف جذبي فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره که به‌وسيلة رسوب روي الکترودهاي OTE و OTE/SnO2 به وجود آمده‌است نشان داده شده‌است. خط (c) فقط الکترود OTE است. براي تعيين IPCE از فرمول زير استفاده شده‌است:100 (isc/Iinc / = که Isc جريان فوتوني مدار کوتاه و Iinc شدت نور گسيل‌شده است.
شکل 8. طيف حرکتي جريان فوتوني براي الکترود OTE/SnO2/SCCNT a) تحت پتانسيل باياس 2/0 ولت بر اساس SCE و b) بدون هيچ پتانسيلي. نمودار ضميمه‌شده نشان‌دهندة جريان فوتوني مدار کوتاه (ISC) براي الکترودهاي: OTE/SnO2/SCCNT تحت پتانسيل با ياس 2/0 ولت بر حسب SCE و OTE/SnO2/SCCNT بدون هيچ پتانسيلي و OTE/TiO2/SCCNT بدون هيچ پتانسيلي. شکل سمت راست نشان‌دهندة جداسازي بارها در فيلم SCCNT و انتقال الکترون به سطح الکترود است. همچنين تصوير SEM از فيلم SCCNT نشان داده شده‌است (توان ورودي معادل78mW/Cm-2 و 400nm< است).
شکل 9. تشريح انتقال تصادفي حامل‌هاي بار در فيلم‌هاي نيمه‌هادي مزوپور بر حسب جهت انتقال بار در نانولوله‌ها در ساختارهاي هيبريدي تشکيل‌شده
شکل 10. ميزان بازده IPCE براي الکترود OTE/SWNT/CdS. نمودار ضميمه شده نشان‌دهندة تفاوت جذب بين OTE/SWNT/CdS و فيلم نانولوله‌هاي تک‌ديواره خالص است.
a) ساختار مولکولي پوفيرين- پروتونه نانولوله‌هاي تک‌ديواره با برهم‌کنش‌هاي π -π؛
b) تصاوير TEM ساختارهاي ميله‌مانند؛
c) طيف حرکتي جريان فوتوني براي الکترود (OTE/SnO2/SWNT- H4P2+)
a) با کاربرد پتانسيل باياس 1/0 ولت برحسب SCE ؛
b) با کاربرد پتانسيل باياس 2/0 ولت بر حسب SCE ؛
c) بدون به کارگيري پتانسيل باياس
الکتروليت هم شامل 5/0 مول Nal و 01/0 مول I2 در استونيتريل است.
الکترود مورد نظر (OTE/SnO2/SWNTS-H4P2+) شامل يک ميلي گرم SWNT و 2/0 ميلي مول H4P2+ است.
اثر نشر ميداني الکتروني در فيلم نانولوله‌هاي کربني
در اين گزارش، به‌طور خلاصه ويژگي‌هاي يک فيلم نانولوله کربني ناشر الکترون بررسي شده و با توجه به نتايج تئوري در نشرميداني فلزات و نتايج تجربي به دست آمده براي نانولوله‌هاي کربني در مقالات و گزارش‌هاي اخير، عناصر مؤثر در يک فيلم مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. در انتها خصوصيات يک فيلم نانولوله‌اي بهينه براي کاربرد در صنعت ارائه مي‌شود
ا. تئوري مسئله
اثر نشر ميداني الکترون‌ها از سطح يک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات مي‌شود، عبارت است از تونل‌زني الکترون از سطح فرمي فلز به درون ناحيه ديگر که معمولاً خلاء است. اين يک پديده کاملاً کوانتومي است و الکترون‌ها از حالات محدود شده فلزي با غلبه بر يک سد پتانسيلي در فصل مشترک فلز با محيط اطرافش، به يک ذره آزاد تغييرحالت مي‌دهند.
اين اثر همان‌طور که از اسمش پيداست در اثر بر همکنش ميدان الکتريکي با فلز، روي مي‌دهد پس در زمره کوانتوم الکترو ديناميک بررسي مي‌شود. تقريب‌هاي نظري در مورد يک جريان نشري الکتروني از يک فلز، به‌طور معمول در يک مدل نيمه کلاسيک صورت مي‌پذيرد، که به نظريه فـولر- ناردهيم [Fowler-Nardheim) [1) مشهور است. (شکل 1)
ميدان اطراف الکترود فلزي تخت به‌صورت تابعي از فاصله و پتانسيل الکتريکي به‌صورت زيرتعريف مي‌شود.
ما همين مطالعات، تک ديواره (SWNTs) بودن يا چند ديواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملي مؤثر مورد بررسي قرار داده‌اند [5].
به‌طور کلي عوامل مؤثر در نشر ميداني نانولوله‌هاي کربني به دو دسته تقسيم مي‌شود؛ اول، ساختار ذاتي و ويژگي‌هاي شيميايي منحصر به فرد نانولوله‌ها که به قطر و رفتار سطحي آنها و نيز باز و بسته بودن انتهاي آنها برمي‌گردد. دوم، چگالي و نيز نوع جهت‌گيري آنها بر روي سطح فيلمي که رشد داده شده‌اند. اين زيرلايه مي‌تواند با توجه به نوع کاربرد، سيليکون و طلا و. . . باشد. بررسي روي نمونه‌هاي فراوان نشان مي‌دهد که در فيلم‌هايي که چگالي نانولوله‌ها روي آنها متوسط و نرمال است، نشر الکتروني در ميدان آستانه کمتري صورت مي‌گيرد[6]. شکل (3) به‌خوبي نشان مي‌دهد که فيلم با چگالي متوسط، نشر يکنواخت و واضحي را نشان مي‌دهد که در آن، خطوط، پل‌ها و نقاط بر روي فيلم ساخته شده قابل تمايز هستند
اين نتايج اثبات‌کننده نقش مهم چگالي فيلم و هندسه در ناشران الکترون است. تقويت ميداني يک نشرکننده الکتروني که جريان نشرشده را براي يک ميدان الکتريکي تعيين مي‌کند، تنها به هندسه نشرکننده يعني شعاع انحناي نوک و ارتفاع نانولوله‌ها از زيرلايه بستگي دارد. اما وجود يک چگالي بهينه نانولوله‌اي روي فيلم که در چگالي‌هاي متوسط روي مي‌دهد نشان دهنده فاصله‌اي بهينه بين نانولوله‌هاي ناشر الکتروني است که ما را به الگوي پخش نانولوله‌ها روي زيرلايه‌ها براي کارايي بهتر راهنمايي مي‌کند. اين فاصله تقريباً يک تا دو برابر ارتفاع نانولوله‌هاي کاربردي است که امروزه موضوع تحقيقاتي مهمي براي شرکت‌هاي توليد کننده پانل‌هاي نمايشي (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبيه‌سازي شده اين مسئله را مي‌توان ديد و به مقايسه آنها پرداخت.
اما عاملي که روي کاربرد آنها تأثير بسزايي دارد، ثابت باقي ماندن اين يکنواختي و شدت نشر الکتروني در طول زمان است که روي طول عمر فيلم‌ها- در مقياس تجاري- مؤثر است. با مقايسه فيلم‌هاي ساخته شده از نانولوله‌هاي تک ديواره و چند ديواره و آزمايش در شرايط يکسان، اين نتيجه حاصل شده است که افت در نشرالکتروني در فيلم‌هاي تک ديواره ده برابر سريع‌تر از فيلم چند ديواره رخ مي‌دهد. [5] اين پديده را شايد بتوان به حساسيت نانولوله‌هاي تک ديواره نسبت به بمباران يوني و پرتويي نسبت داد که چند ديواره بودن، اين ضعف را با پوشش ديوارهاي ديگر حذف مي‌کند و نمي‌گذارد که تعادل ساختاري از بين برود. با توجه به توضيحات داده شده بهترين فيلم نانولوله‌اي، فيلمي است با چگالي متوسطي از نانولوله‌هاي چند ديواره با انتهاي بسته که به‌طور يکنواخت روي زيرلايه‌اي توزيع شده‌اند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتريکي، نشر يکنواختي را ايجاد کنند که آخري در صرفه‌جويي انرژي مؤثر است.
در شکل (5)، طرح ساده اي از يک نمايشگر نانوتيوپي نشان داده شده است(5) ، نانولوله کربني که انتهاي آن بر روي يک زيرلايه سيليکوني قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتريکي تحريک ميشود تا به گسيل الکتروني بپردازد دقيقا همان کاري را که تفنگ الکتروني در نمايشگرهاي عادي انجام ميدهد. الکترونهاي منتشر شده در فاصله بين لايه فسفري و نانولوله شتاب داده مي شوند تا در هنگام جذب بتوانند اين لايه را برانگيخته کنند تا در انتها با ايجاد نورهاي رنگي که ما برروي نمايشگر مي بينيم کار به پايان برسد .
3. نتيجه
پارامترهاي موثر در ساختمان يک فيلم نانو لوله اي گسيل ميداني غالبا از نوع هندسي هستند و ما با کنترل شرايط فيزيکي محيط در هنگام رشد نانولوله ها برروي زيرلايه
مي توانيم کيفيت کاربردي و تجاري آن را بهبود ببخشيم .
منابع :
www. nanoeurope. Org
www. impart-nanotox. Org
www. semi. Org
www. msel. nist. gov/Nanotube2/2nd_Joint_Workshop. Htm
www. compositesworld. com/ct/issues/2005/April/802
www. dke. de/DKE/Aktuelles/Veranstaltungen/ShowEvent.
http://www.mrs.org/publications/bulletin/2004/apr/apr04_intro.pdf
http://nano.ir/
http://www.irche.com
http://www.nanotechnology.com/
/الف