نانوتیوب های نیترید بور (1)

چکیده

در این مقاله سعی داریم تا ساختار و روش های اصلی تولید نانو تیوب های نیترید بور( BNNTs) را مورد مطالعه قرار دهیم. ساختارها و کایرالیتی BNNTs از لحاظ پیچش صفحات نیترید بور هگزاگونال مورد بررسی قرار خواهد گرفت. این نانو تیوب ها با نانوتیوب های کربنی مورد مقایسه قرار گرفته اند. روش های سنتز اصلی برای تولید این نانو تیوب ها، عبارتند از روش تخلیه ی قوسی، لیزر، بال میل کردن و آنیل کردن، جانشینی کربنی و روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD). برخی از این روش ها توانایی تولید مقادیر زیاد از این ماده را دارد. این مسئله موجب می شود تا کاربردهای این مواد گسترده تر شود.

مقدمه

بعد از کشف نانو تیوب های کربنی( CNTs) در سال 1991، محققین سریعا شروع به جستجو برای پیدا کردن مواد دیگری کردند که دارای ساختار تیوبی شکل( لوله ای مانند) هستند. نیترید بور( BN) یکی از این مواد بود و احتمال تولید نانو تیوب های نیترید بور در سال 1994 پیش بینی شد. سپس این مواد به طور موفقیت آمیز در سال 1995، سنتز شد. این کار در دانشگاه کالیفورنیا( برکلی) انجام شد. مشابه نانو تیوب های کربنی، این نانو تیوب ها نیز دارای ویژگی های مکانیکی فوق العاده ای هستند. علت این موضوع، ساختار لوله ای شکل و وجود پیوندهای مستحکم در دیواره ی این تیوب هاست. مدول الاستیک پیش بینی شده برای این مواد تقریبا برابر با 850 GPa می باشد. این مقدار حدودا 80 % مقدار مربوط به نانو تیوب های کربنی است. نتایج تجربی نشان داده است که مدول اندازه گیری در این مواد در گستره ی 722 GPa تا 1.22 TPa می باشد. این مقدار با مقدار بدست آمده برای نانو تیوب های کربنی قابل مقایسه است. علاوه بر این ویژگی های مفید که مشابه با ویژگی های نانوتیوب های کربنی است، BNNT ها دارای ویژگی های مفید دیگری نیز می باشند. این مواد از برخی موارد از نانو تیوب های کربنی نیز بهتر هستند. برای مثال، مطالعات تئوری پیش بینی نموده است که این BNNT یک ماده ی عایق است و گاف انرژی الکتریکی آن حدودا 5.5 eV است. این ویژگی ها به قطر و کایرالیتی نانو تیوب ها، بستگی ندارد. بنابراین بر اساس اندازه گیری های رسانایی، تمام BNNT ها رفتار عایق کاری یا نیمه رسانایی از خود نشان می دهند. به عبارت دیگر، تاکنون بیشتر نانو تیوب های کربنی تولید شده، هم از نانو تیوب های رسانا و هم نارسانا تشکیل شده اند و جداسازی کامل آنها از هم، مشکل است. نانو تیوب های نیترید بور همچنین دارای ویژگی های شیمیایی پایدارتری هستند. برای مثال، آنها دارای مقاومت بیشتری در برابر اکسیداسیون در دمای بالا هستند. نانوتیوب های نیترید بور که با استفاده از روش بال میل- آنیلینگ تولید شده اند، تنها در دماهای بالاتر از اکسید می شوند. برخی BNNT ها که دارای ساختارهای نانو کریستالی کامل هستند، می توانند تا دمای ℃900 نیز تحمل حرارتی داشته باشند. این درحالی است که نانو تیوب های کربنی به سهولت در محیط هوا و در دمای اکسید می شوند. این نانو تیوب ها در دمای به طور کامل می سوزند( البته در صورت محیا بودن مقادیر مناسبی از اکسیژن). به دلیل داشتن ویژگی مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون، BNNT ها برای تولید مواد کامپوزیتی مناسب می باشند.
اگرچه BNNT ها دارای ویژگی های قابل توجهی در مقایسه با نانو تیوب های کربنی است، چند تا از ویژگی های این ماده مانند ذخیره سازی انرژی، ویژگی نوری، پیزوالکتریک و اثرات پلاریزاسیون الکتریکی در این ماده مورد بررسی کامل قرار داده نشده است. برای بررسی ویژگی ها و کاربردهای BNNT ها، یک مقدار کافی از نمونه های BNNT، ضروری است. این مسئله تا سال های اخیر مقدور نشده بود زیرا روش های سنتز ابداع شده در قبل توانایی تولید مقدار کافی از این ماده را نداشتند. در این مقاله خلاصه ای در مورد ساختار این ماده ارائه شده است تا بتواند به آگاهی در مورد فرایند تشکیل این مواد، کمک کند.

ساختارهای نانو تیوب های نیترید بور

نانو تیوب های نیترید بور می تواند به عنوان صفحات هگزاگونالی از نیترید بور در نظر گرفته شود که از نقطه ای ثابت در ساختارشان، خم شده اند. این ساده ترین راه برای ساخت یک نانو تیوب است. بنابراین برای شروع بحث، بهتر از در مورد ساختار نیترید بور بالک صحبت کنیم. نیترید بور بالک در ساختار کریستالی خود دارای پلیمرف هایی است و حداقل 4 شکل کریستالوگرافی مختلف دارد. جالب است بدانید که کربن بالک نیز دارای 4 ساختار مشابه می باشد. این مسئله از این حقیقت ریشه می گیرد که نیترید بور و کربن مواد هم الکترون هستند. در واقع تعداد متوسط الکترون های والانس در اتم در این دو ماده یکسان است. به هر حال، در این بخش تنها نیترید بور هگزاگونال مورد بررسی قرار می گیرد زیرا اگاهی از ساختار لایه ای نیترید بور هگزاگونال یک مسئله کلیدی برای یادگیری ساختارهای BNNT است. جنبه های مشابه و مختلف در زمینه ی ساختارهای نیترید بور هگزاگونال و گرافیت نیر در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. برخی از مقادیر هندسی BNNT ها مانند کایرالیتی نیز تعریف شده است. و در نهایت، نتایج بدست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری در مورد ساختارهای BNNT ها به طور خلاصه آورده شده است.

نیترید بور هگزاگونال

یک مدل گلوله ای- میله ای از ساختار نیترید بور در شکل 1 آورده شده است. این مدل نشان می دهد که 4 لایه ی کئوردیناسیونی( یا صفحه) از شبکه های هگزاگونال به هم متصل شده اند و ساختار نیترید بور را تشکیل داده اند. لایه های هگزاگونال عموما به عنوان صفحات اصلی در نظر گرفته می شود. صفحات اصلی مسطح تنها شامل حلقه های هگزاگونالی هستند که از ایجاد پیوندهای میان اتم های نیتروژن و بور تشکیل شده اند. میان صفحات نیروهای ضعیف واندروالسی وجود دارد. این نیروها موجب می شوند تا این لایه ها با جهت گیری خاصی روی هم قرار بگیرند و ساختار سه بعدی تشکیل دهند. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، یک اتم بور در یک لایه به طور مستقیم بر روی اتم نیتروژن موجود در لایه ی کناری، قرار دارد. یعنی در طول محور c، اتم های نیتروژن و بور به طور یکی در میان قرار دارند. لایه های کنار هم قرار گرفته به صورت توالی ABAB… قرار گرفته اند. از اینرو نیترید بور هگزاگونال دارای تقارن هستند. فاصله ی میان صفحات اصلی کنار هم در نیترید بور هگزاگونال برابر d= 3.34 آنگسترم است؛ این در حالی است که ثابت شبکه در طول محور c باید برابر با 2d= 6.68 آنگسترم باشد.

ساختار نانو تیوب های نیترید بور

نانو تیوب های تک لایه( SWNTs) می تواند به عنوان یک تک لایه ی اتمی خمیده شده در نظر گرفته شود. نانو تیوب های چند دیواره( MWNTs) چند نانو تیوب تک لایه هستند که همدیگر را در آغوش گرفته اند. مشابه با نانو تیوب های کربنی، راه های متفاوتی برای خم کردن صفحات اصلی وجود دارد و در نتیجه، نانو تیوب های با کایرالیتی و قطرهای متفاوت ایجاد می شود که این مسئله در این بخش بیشتر توضیح داده می شود.
برای ساخت یک نانو تیوب تک دیواره، یک صفحه از شبکه ی هگزاگونال می تواند به نحوی خم شود که یک نقطه ی انتخاب شده در شبکه بر روی یک ناحیه ی پیش تعریف شده، قرار گیرد. برای مثال، ناحیه ی پیش تعریف شده ی (0،0) با O شماره گذاری شده است و سایر نقاط شبکه ی A( 12،6) انتخاب شده است( مشابه شکل 2a). مشابه با اندیس های نقاط شبکه ای یعنی(n، m)، یک قرارداد کریستالوگرافی مورد استفاده قرار گرفته است. زاویه ی داخلی میان بردارهای اصلی همانگونه که در شکل 2a مشاهده می شود، برابر 120 درجه می باشد. نانو تیوب با قرارگیری نقطه ی O بر روی نقطه ی A ایجاد می شود( شکل 2b). رابطه ی هندسی مربوطه در ساختار لوله ای مشخص است اما این با ارزش است که بگوییم، طول OA برابر است با محیط نانو تیوب و محور نانو تیوب موازی با 'OA قرار گرفته است.
وقتی در مبحث بالا تمایزی میان نیترید بور هگزاگونال و گرافیت کربنی قائل نشده ایم، این بدین دلیل است که گرافیت و نیترید بور دارای هندسه ی مشابهی هستند و عملیات خمش در آنها فقط به تقارن شبکه ی هگزاگونال بستگی دارد. در مورد گرافیت، دو نوع اتم کربن در صفحه ی گرافیتی منفرد وجود دارد و اتم های مجاور در بخش هندسی مختلف وجود دارد برای مثال، اتم ها در نقاط O و 'O ( اگر شکل 2a را ببینید می فهمید که تفاوت میان گونه های B و N مورد توجه قرار نگرفته است. همانگونه که دیده می شود، تصویر شماتیک صفحه ی نیترید بور در شکل 2a آورده شده است؛ این تصویر مشابه صفحات گرافیتی است). دو اتم کربن مجاور(O و 'O) یک جفت را تشکیل داده اند و این جفت ها بر روی شبکه ی براوه ی هگزاگونالی ثابت شده اند که دارای تقارن مورد نیاز برای عملیات خم کردن، است. این بدین معناست که دو نوع از اتم های کربن هرگز روی هم قرار نمی گیرند و تیوب را تشکیل نمی دهند. در مورد نیترید بور هگزاگونال، دو اتم( نیتروژن و بور) مشابه با اتم های کربن در صفحات گرافیتی، عمل می کنند و عملکرد آنها یکسان است. بنابراین، ما نمی توانیم یک اتم بور را بر روی یک اتم نیتروژن قرار دهیم. این مسئله همچنین بدین معناست که از لحاظ تئوری، با خم شدن صفحات نیترید بور هگزاگونال برای ساخته شدن یک ساختار لوله ای کامل، ایجاد یک پیوند با اتم های یکسان( یعنی B-B و N-N) غیر ممکن است. راه هایی نامحدود برای خم کردن یک صفحه و تولید یک نانو تیوب وجود دارد. البته برخی از این نانو تیوب های بدست آمده موارد مشابهی هستند و از لحاظ هندسی مشابه هستند. با تعریف زاویه ی کایرالیتی یک نانو تیوب به عنوان زاویه ی میان لبه های زیگ زاگ مانند( شکل 2a) و محیط پیرامون تیوب( OA در شکل 2a)، راه های مختلفی برای پیچاندن صفحه و در نتیجه تولید نانو تیوب های با زاویه ی کایرالیتی مختلف وجود دارد. دو پیکربندی از نانو تیوب ها، خاص هستند: یکی از آنها نانوتیوبی است که در شکل 2b نشان داده شده است. این پیکربندی نانو تیوب صندلی مانند نامیده می شود. علت این نامگذاری این است که این پیکربندی از اتم ها مشابه یک صندلی است. تمام نانو تیوب های با ویژگی (2n,n) که در آنها n یک عدد صحیح مثبت باشد، جزء پیکربندی های صندلی مانند طبقه بندی می شوند. به طور مشابه، نانو تیوب های با اندیس (n, 0) زیگزاک هستند. یک نانوتیوب زیگزاگ در شکل 2c نشان داده شده است.
تفاوت قابل توجهی میان نانو تیوب های کربنی و نیترید بوری وجود ندارد. به هر حال، تفاوت هایی در مورفولوژی لبه ها وجود دارد. ورودی یک نانو تیوب تک لایه را عموما با یک نیمه ی فلرنی( ) می توان پوشاند؛ این نشان می دهد که لبه های یک نانو تیوب مخروطی شکل است. بیشتر نانو تیوب های نیترید بور دارای لبه های مسطح هستند( شکل 3). بررسی های تئوری آشکار ساخته است که وجود ساختارهای 5 تایی در نیترید بور از لحاظ انرژی، برای پیوند B-B و N-N مطلوب نمی باشد.
علاوه بر تیوب های استوانه ای با دیواره های موازی، نانو تیوب های نیترید بور مخروطی شکل و خیزران مانند نیز ممکن است تولید شوند. علاوه براین، نانو تیوب های نیترید بور می تواند با مواد فلزی( مانند آهن، نیکل، تنگستن و ... ) و باکی بال ها، پر شود. پوشش های نیترید بور همچنین می تواند بر روی سطح نانو تیوب های کربنی، ایجاد شوند.
در بخش بعدی، کایرالیتی BNNTs توخالی و مستقیم مورد بررسی قرار می گیرد.
مطالعات میکروسکوپ الکترونی عبوری در زمینه ی کایرالیتی نانو تیوب های نیترید بور
از بخش بالا ما به این نتیجه رسیدیم که با تعیین کایرالیتی و قطر یک نانو تیوب تک لایه، پیکربندی اتمی به طور کامل تعیین می شود. میکروسکوپ الکترونی عبوری یک ابزار واجب برای اندازه گیری قطر و کایرالیتی نانو تیوب هاست. در حالی که اندازه گیری قطر راحت است، تعیین کایرالیتی BNNT یک کار بدیهی نیست. تفرق الکترونی( ED) برای روشن نموند ساختارهای مارپیچی نانو تیوب های کربنی و نیترید بور مورد استفاده قرار می گیرد. یکی دیگر از روش های تکمیلی در TEM برای اندازه گیری کایرالیتی نانو تیوب ها، استفاده از TEM با رزولیشن بالا می باشد. علاوه بر TEM، هر اندازه گیری که بتواند به رزولیشن اتمی برسد می تواند برای تشخیص کایرالیتی نانو تیوب های کربنی مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال استفاده از میکروسکوپ روبشی با ویژگی تونل زنی و یا میکروسکوپ نیروی اتمی می تواند برای بررسی این ویژگی در نانو تیوب ها مورد استفاده قرار گیرد. در این بخش، اصول علمی ED در نانو تیوب ها به طور خلاصه مورد بررسی قرار می گیرد. سپس، ما برخی از کارهای تجربی در زمینه ی کایرالیتی BNNT ها را مورد بررسی قرار می دهیم.
به جای بررسی جزئی تئوری های پیچیده در زمینه ی ED در نانو تیوب ها، ما تصویر ساده ای از فرایند ED در نانو تیوب ها را ارائه می دهیم. برای یک نانو تیوب چند دیواره که در آن محور تیوب بر اشعه ی برخورد کننده، عمود است( شکل 4a)، دیواره های داخلی و خارجی نانو تیوب بر اشعه عمود است یعنی اشعه ی الکترونی در طول جهت 0002 این بخش های نانو تیوب( در جهت محور z) قرار دارد. از این رو، صفحات داخلی و خارجی نانو تیوب موجب می شود الگوی تفرقی مشابه با شبکه ی معکوس دو بعدی ایجاد شود( شکل 4b). اگر دیواره های نانو تیوب با هم منطبق باشد، یک الگوی تفرق ساده مورد انتظار است. به عبارت دیگر نقاط تفرق 10-10 هر دیواره ممکن است تقسیم شوند. این مسئله در نانو تیوب های مارپیچی یا دیواره های نانو تیوب های چند دیواره با کایرالیتی مختلف، اتفاق می افتد. به عبارت دیگر، دیواره های کناری نانو تیوب ها که در شکل 4a نشان داده شده است، موازی اشعه ی برخورد کننده، هستند. این بدین معناست که جهت 0002 این بخش ها از نانو تیوب در جهت محور y است. اشعه ی الکترونی برخورد کننده در جهت برخی از این صفحات اصلی برخورد می کند. نقاط تفرق قابل توجه این پیکربندی، نقاط 0002 هستند که این نقاط عمود بر محور استوانه هستند. این مسئله به دلیل این است که نحوه ی قرارگیری دیواره ها به صورت عمود بر محور استوانه است. ما اکنون می توانیم یک تصویر شماتیک الگوهای تفرق یک نانو تیوب صندلی مانند و زیگراگی را ترسیم کنیم( شکل 4c و شکل 4d). حلقه های باز در این تصویرها نقاط تفرق ایجاد شده از دیواره های کناری است. همچنین نقاط کوچک دیواره های داخلی و خارجی را تشکیل می دهند. به طور جزئی باید گفت که تصویر شماتیک از الگوهای تفرق به صورت زیر ایجاد می شود:
ما نقاط تفرق 0002 را ترسیم کردیم که این نقاط می توانند محور تیوب را تعیین کنند.
در طول محور تیوب( در فضای حقیقی)، جهت کریستالوگرافی برای پیکربندی صندلی، 10-10 است.
در شبکه ی معکوس، جهت مربوط به 10-10 در طول جهتی است که زاویه ی داخلی میان نقاط مشابه در شبکه ی واقعی آنها، برابر 30 درجه می باشد. زاویه ی میان نقطه ی تفرق 10-10 و محور تیوب برابر 30 درجه می باشد. این زاویه شاخصی که مشخص می کند ساختار پیکربندی صندلی دارد یا نه. آنالیز مشابهی برای تیوب های زیگ زاگ مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج این آنالیز در شکل 4d نشان داده شده است. ویژگی الگوی تفرق زیگ زاگ این است که نقطه ی تفرق 10-10 در طول محور تیوب است( یعنی عمود بر جهت 0002 نقاط تفرق است). گفتن این مسئله خالی از لطف نیست که اگر فردی مدعی شود که محور استوانه در نانو تیوب زیگراگی در طول 10-10 قرار دارد، این بدین معناست که اندیس ها در شبکه ی معکوس واقع شده اند. در نتیجه جهت مشابه این شبکه ی معکوس در فضای حقیقی برابر 12-30 است.
در عمل، تکنیک تفرق نانو اشعه( NBD ) معمولا برای بررسی کایرالیتی نانو تیوب ها مورد استفاده قرار می گیرد. چند گروه تحقیقاتی، کایرالیتی BNNT ها را مورد بررسی قرار داده اند. این به نظر می رسد که کایرالیتی متفاوت در BNNT های مختلفی که با روش های رشد مختلف تولید شده اند، ایجاد می شود. برای BNNT های تولید شده با روش تخلیه ی قوسی( استفاده از به عنوان الکترود)، الگوهای تفرق بدست آمده از دو نانو تیوب، نشان می دهد که هم حالت کایرالی و هم غیر کایرالی ایجاد شده است. به هر حال، یک برتری در زمینه ی غیر کایرالی وجود دارد. این مسئله در اشکال 4c، 4d و 5A و 5B مقایسه شده است. برای یک نانو تیوب معین، پیک توزیعی مارپیچی شکل در دیواره های آن برای حالت صندلی صفر، برای زیگزاگ، 30 می باشد. یک الگوی NBD از نمونه ها در شکل 5c آورده شده است. توزیع کایرالیتی نانو تیوب نیز در شکل 5D نشان داده شده است. علاوه بر مرفولوژی های مختلف لبه ها، این اعتقاد وجود دارد که تفاوت اصلی ثانویه میان ساختار BNNT ها و CNT ها این است که ساختار غالب BNNT ها به صورت تیوب های زیگزاگی است. تیوب های صندلی مانند کمتر هستند و این مسئله احتمالا به دلیل پیکربندی های لبه خاص این تیوب ها می باشد، این در حالی است که CNT های با ساختارهای صندلی شکل، زیگراگی و کایرالی به صورت مجزا وجود ندارند.
برای نتیجه گیری در مورد ساختار BNNT، کارایی هر دو نوع لبه ی مسطح و پیکربندی ناکایرالی باید مورد توجه قرار گیرد. این مسئله می تواند به عنوان یک ویژگی BNNT ها تلقی گردد. به هر حال لبه های BNNT می تواند همچنین به صورت مخروطی شکل، باز و مسطح باشد. اگر چه حالت های 5 وجهی و 7 وجهی می تواند در پیوند هموژن( پیوند B-B و N-N) ایجاد شود( اگر چه از لحاظ انرژی نامطلوب می باشند)، این لبه های با مرفولوژی چندگانه و پیوند دهی BNNT ها نشان دهنده ی وجود این حلقه ها می باشد. کایرالیتی های مختلف در BNNT ها مشاهده شده است این را می توان گفت که کارایی کایرالیتی های خاص ممکن است به تکنولوژی رشد مورد استفاده، بستگی داشته باشد. همانگونه که بوسیله ی Golberg بیان شده است، رشد BNNT ها به طور مستقیم از فاز بخار اغلبا موجب تشکیل پیکربندی صندلی می شود؛ این در حالی است که این رشد از طریق حرارت دهی با لیزر موجب می شود پیکربندی زیگزاک بیشتر تشکیل شود. تشکیل BNNT های کایرالی( خواه پیکربندی صندلی، خواه زیگزاک) به احتمال زیاد به عنوان نتیجه ای از برهمکنش های لبه لبه در طی رشد نانو تیوب هاست. این مسئله موجب می شود یک ارتباط میان کایرالیتی لایه های کنار هم ایجاد کند و این مسئله موجب رشد یک جفت از تیوب ها می شود. این تعریف شده است که روش رشد بر روی مورفولوژی BNNT ها اثر گذار است. در بخش بعدی، ما روش های سنتز اصلی این ماده را مورد بررسی قرار می دهیم.

روش های سنتز نانو تیوب های نیترید بور

رشد BNNT ها از تشکیل شبکه هایی از نیتروژن و بور شروع می شود. این شبکه ها در هم پیچیده می شود و یک شکل استوانه ای ایجاد می کند. این مسئله به طور مستقیم به آرایش مجدد اتم های بور و نیتروژن از طریق واکنش های شیمیایی نیتریده کننده، بستگی دارد. برای ایجاد یک آرایش مجدد مناسب، کلاسترهای در مقیاس اتمی بور و نیتروژن ابتدا باید تشکیل شوند. این مسئله نیازمند مقدار مناسبی انرژی است. شکل های مختلف انرژی می تواند برای انجام این وظیفه مورد استفاده قرار گیرد. پس فرایند رشد می تواند با توجه به نوع انرژی مهیا شده، طبقه بندی شوند. در این بخش ما فرایند های رشد موفق در تولید این نانو تیوب ها را مورد بررسی قرار می دهیم.

روش تخلیه ی قوسی و ذوب قوسی

BNNT خالص اولین بار با استفاده از روش تخلیه ی قوسی تولید شد. روش تخلیه ی قوسی یک روش متداول است که در آن مواد واکنش دهنده به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می گیرد و فرایند تبخیر در میان دو الکترود انجام می شود. انرژی مورد نیاز در این فرایند بوسیله ی الکتریسیته مهیا می شود. تاکنون چندین تغییر در تکنولوژی رشد BNNT ها پیشنهاد شده است. شکل 6A دیاگرامی شماتیک از ستاپ تخلیه ی قوسی را نشان می دهد. پیکربندی اصلی این ستاپ شامل محفظه ی خلأ، کنترل کننده های جریان گازی و الکترودهاست. علاوه بر این بخش ها بخش منبع DC نیز یکی از بخش های مهم این سیستم است. بسته به ملزومات خاص آزمایش، شرایط محیطی داخل محفظه می تواند تغییر کند. در این محفظه می توان از گازهای نجیب مانند آرگون و هلیوم استفاده نمود و یا از گازهای واکنش دهنده مانند نیتروژن استفاده کرد. در طی فرایند رشد، فشار داخل محفظه معمولا در حد چند صد تورر می باشد. مواد واکنش دهنده به صورت میله هایی تهیه می شوند که به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می گیرد. برای سنتز نانو تیوب های کربنی، الکترودهای مورد استفاده از جنس گرافیت است؛ در حالی که برای سنتز نانو تیوب های نیترید بور، وضعیت پیچیده تر است( در ادامه در مورد آن صحبت می کنیم). ولتاژ اعمال شده میان الکترودها در حدود 20 تا 40 ولت است و میزان جریان بالایی در حدود 150 A اعمال می شود تا بدین صورت قوس ایجاد شود. برای مقدار معین از ولتاژ و جریان، ما می توانیم فاصله ی میان الکترودها را تعیین کنیم. با این کار یک قوس پایدار تشکیل می شود. زمان تخلیه معمولا در حد چند دقیقه می باشد. در طی تخلیه، جریان به سهولت می تواند دمای بین الکترودها را تا حدود 4000 کلوین بالا بیاورد و الکترودها را تبخیر کند. با این کار کلاسترهایی با اندازه های در مقیاس اتمی تشکیل می شوند. آند معمولا الکترودی است که در این فرایند مصرف می شود زیرا یک مقدار قابل توجه الکترون از بخش قوس به سمت آند گسیل داده می شود. این کار موجب تبخیر و تحلیل رفتن آند می شود. رسوبات تشکیل شده در این فراین شامل نانو ساختارهای بسیاری، از جمله نانو تیوب هاست.
الکترودهای شبه میله ای( که در واقع مواد واکنش دهنده هستند)، باید رسانایی الکتریکی مناسبی داشته باشند در غیر این صورت، یک جریان و یک قوس پایدار تشکیل نمی شود. بدبختانه این مسئله به راحتی برای محققینی که ابتدا در این زمینه کار کردند، بدست نیامده است. مخصوصا این مسئله را باید مد نظر قرار داد که نیترید بور در حالت بالک یک ماده ی عایق است و دارای گاف انرژی در حدود 5.8 الکترون ولت است. بنابراین الکترودهای خالص از نیترید بور نمی تواند یک چنین جریان زیادی را که برای فرایند تخلیه ضروری است، فراهم آورد. و نیاز است تا الکترودهای خاصی مورد استفاده قرار گیرد. برای حل این مشکل، Chopra و همکارانش از یک تیوب تنگستنی توخالی استفاده کردند که در داخل آن توده ای از پودر نیترید بور قرار داده شده بود. این الکترود به عنوان آند تلقی می شود و از یک الکترود مسی آب گرد نیز به عنوان کاتد استفاده شده است. این اصلاح در زمینه ی الکترودها، موجب شد تا اولین روش موفق تولید نانو تیوب های نیترید بور خالص ابداع گردد. با استفاده از این فرایند، نانو تیوب های نیترید بور چند دیواره در دوده های خاکستری رنگ کاتدی بوجود می آید. طول ویژه ی این نانو تیوب های چند دیواره در حدود 200 نانو متر است. قطر آنها نیز در گستره ی 6 تا 8 نانومتر است. این را باید مورد توجه قرار داد که ذرات فلزی در انتهای تمام نانو تیوب های نیترید بوری، یافت می شوند. نسبت ترکیب شوندگی B به N در حدود 1.14 است. این فاکتور بر اساس آنالیز اسپکتروسکوپی اتلاف انرژی الکترون( EELS ) تعیین شده است. یک سال بعد، Torrones و همکارانش، سعی کردند تا از تیوب های توخالی تانتالیوم به جای تنگستن استفاده کنند. در این روش، نانو تیوب های نیترید بوری چند دیواره با ترکیب استوکیومتری تولید شد و طول آنها دقیقا بعد از رشد، در حدود میکرومتر بود. در دو مورد بالا، مواد اولیه ترکیبات نیترید بور بودند و از مواد واکنش دهنده ی شیمیایی مورد نیاز برای ایجاد پیوند میان نیتروژن و بور استفاده نشده است. فرایند تشکیل بسیار مشابه فرایند تشکیل نانو تیوب های کربنی است. در هر دو مورد، ذرات فلزی که آند را تشکیل می دادند، در نمونه ها یافت شد. این به نظر می رسد که این فلزات نقش کاتالیزوری دارند.
برخی گروه های تحقیقاتی نیز از برید ها فلزی به عنوان آند و کاتد استفاده کرده اند. تاکنون استفاده از الکترودهای و با موفقیت همراه بوده است. در مورد الکترودهای بریدی، واکنش نیتریداسیون به طور قطع، در طی فرایند ایجاد قوس، اتفاق می افتد. یک محیط نیتروژنی یا آمونیاکی معمولا به عنوان منبع نیتروژن برای واکنش نیتریداسیون مورد استفاده قرار می گیرد. مشابه نانو تیوب های چند دیواره نیترید بور، نانو تیوب های تک دیواره نیز تولید شده است که این مسئله اولین بار بوسیله ی Loiseau و همکارانش گزارش شده است. تصویر یک BNNT تک دیواره در شکل 7A آورده شده است. اصلاحات اشاره شده در بالا موجب شد تا این BNNT ها به طور موفقیت آمیز تولید شوند و بدین وسیله پیش بینی های انجام شده در چند سال قبل، به حقیقت بپیوندد. به هر حال، برخلاف نانو تیوب های کربنی( که روش تخلیه ی قوسی متداول ترین روش برای تولید مقادیر زیاد از آنهاست)، BNNT تولید شده از این روش مقادیری اندک است. برای بهبود بازده و همچنین فایق آمدن بر مشکلات رسانایی در الکترودها، Cumings و altoe یک روش دیگر را بر پایه ی تخلیه ی قوسی، ابداع کردند. در این روش، افزودنی های فلزی( مانند نیکل و کبالت) با پودر بور مخلوط شده و ذوب می شوند، سپس این مذاب سرد شده و به صورت شمش در می آید. این شمش به صورت الکرود شکل دهی می شود. با استفاده از این روش می توان بازده تولید نانو تیوب های را افزایش داد. مقدار تولید در حد یک میلی گرم گزارش شده است. یکی از ویژگی های مورد علاقه ی BNNT ها این است که BNNT های دو دیواره ای، مرفولوژی غالب در این فرایند تولید است. این مسئله از نمودار رسم شده در شکل 7C قابل مشاهده است.
ذوب کردن قوسی مشابه روش تخلیه ی قوسی است که به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرد اما ستاپ آن تاحدی ساده تر است. به جای شکل دهی مواد واکنش دهنده به صورت الکترودهای میله ای شکل، پودر مواد واکنش دهنده بر روی قالبی مسی قرار داده می شوند( آند)( شکل 6B). کاتد یک تفنگ تنگستنی است. وقتی ولتاژ و جریان( مثلا ولتاژ 220 ولت و جریان 125 آمپر) میان الکترودها اعمال می شود، یک قوس ایجاد می شود و پودر موجود بر روی قالب ذوب می شود. با مشارکت گازهای محیطی که ممکن است جزئی از مواد واکنش دهنده باشند، کلاسترهای تبخیر شده از منبع ذوب شده یک گاز یونیزه تولید می کنند. رشد نانو ساختارها می تواند سپس در گاز یونیزه شده، انجام شود. این رشد ابتدا با تشکیل ذرات شبه مایع، ایجاد می شود. حضور یک کاتالیزور مخصوصا برید یک فلز انتقالی در این روش ضروری به نظر می رسد. در این روش BNNT های تولید از نوع چند دیواره با استوکیومتری مناسب، هستند. اثرات کاتالیزورهای مختلف بر این سنتز مورد ارزیابی قرار گرفته است. این روش همچنین به روش تبخیر جت- پلاسمایی معروف است. با روش تخلیه ی قوسی تنها BNNT های چند دیواره ای تولید شده اند و تولید BNNT های تک دیواره ای با استفاده از این روش، گزارش نشده است. این مسئله نسبت به نانو تیوب های کربنی متفاوت است و از این رو شرایط رشد مختلفی ممکن است در تولید BNNT ها انتخاب گردد که این شرایط نسبت به شرایط انتخاب شده برای تولید CNT ها متفاوت است. روش تخلیه ی قوسی اولین تکنیک موفق در تولید نانو تیوب های کربنی و نانو تیوب های نیترید بور می باشد، اما پیچیدگی های مربوط به افزایش تولید، موجب شده تا ایت روش در مقیاس آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.