شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی

نانو لوله های کربنی

کاربرد نانو ذرات

نانولوله های کربنی

گردآورنده گان: سعید آخوندی _ محمود بخشی _ احسان درود _ مهرداد یزدی زاده _ سجاد یزدانی

سال تحصیلی ۹۴_۹۵

مقدمه

کربن، یکی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است که به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود. همه این چهار شکل، جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.
این چهار ماده عبارت اند از:

*گرافیت:
از ‌قرارگرفتن شش اتم کربن که به صورت شش ضلعی منتظم که با پیوند کوالانسی کنار هم قرار می گیرند، لایه های گرافیتی تشکیل می شوند که این لایه ها با لایه های زیرین خود با پیوند واندروالسی به هم وصل می شوند.
نکته: علت نرمی گرافیت پیوند های واندروالسی می باشد.

*نانو لوله ها:
نانولوله ها در حقیقت لایه های گرافیتی هستند که از دو نفطه به هم وصل شده اند.

نانولوله

نانولوله ها در حقیقت لایه های گرافیتی هستند که از دو نفطه به هم وصل شده اند.که به چند دسته تقسیم میشود:

 

ویژگی نانو لوله های کربنی:

▪استحکام بالایی دارند.
▪انعطاف و پیچش خوبی دارند.
▪یکی از کاربرد های آنها در کامپوزیت است.
▪مهم ترین خاصیت آنها هدایت الکتریکی است.
نکته: خواص فوق‌العاده نانولوله‌ها و روشهای پیچیده تولید آنها باعث شده است که قیمت هرگرم از این ماده حدود چندصد دلار باشد.

 

▪زیگزاگ:
برای ساختن نوع زیگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده {(۰و۱) ، (۰و۲) و … }، اتم انتهایی(۰و۵) را با خم کردن صفحه، بر روی اتم ابتدایی (۰و۰) انطباق می دهیم. برای اطمینان از درستی روش ساخت باید دقت کنیم که در آخر کار، در راستای افقی یک خط شکسته زیگزاگ به دور نانولوله ببینیم.

 

صندلی:
در صورتی که اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت ۴۵ درجه نسبت به آن قرار دارد، روی هم قرار بگیرند، نانولوله نوع صندلی به دست می آید. در این حالت می‌توانیم بین این دو اتم یک خط مستقیم رسم کنیم. یعنی شماره ستون و ردیف هر یک از آنها با یکدیگر برابر است.

 

نامتقارن:
در این حالت نیز مشابه روش صندلی عمل می‌کنیم، با این تفاوت که در مختصات اتم انتهایی، خواهد بود. اگر یک بار افقی به دور نانولوله بچرخیم مجموعه‌ای از صندلی‌ها را می‌بینیم که نسبت به افق، به صورت مایل قرار گرفته‌اند.

نکته: این لوله ها به علت آنکه دارای قطر چند نانومتری می باشند «نانولوله» نام گرفته اند.

 

*ساختار نانو لوله های کربنی:
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در آن هر اتم کربن با سه کربن دیگر تشکیل پیوند کوالانسی می دهد. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر با ۱۲۰° است. در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند (مطابق شکل پایین). به همین دلیل صفحات گرافن از استحکام بالایی یرخوردار است.
نانولوله های کربنی، صفحات گرافنی هستند که به صورت لوله ای شکل در ابعاد نانومتر درست شده باشند

نکته: البته ایده‏ آل‏ترین حالت یک صفحه‏ی گرافنی شش ضلعی است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‏ ها و هفت‌ضلعی‏ هایی نیز ایجاد می‏شود.

 

در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروه‏های عاملی و هم چنین اتم‏های هیدروژن است. پیوند بین اتم‏های کربن در اینجا کوالانسی بوده به همین دلیل بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می‏رود که نانولوله‏ های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند.

*صفحه مختصات گرافنی:
صفحه‏ ی مختصات دکارتی معروف را می‏شناسید. این صفحه، شبکه ‏ای است که از مربع‏هایی با طول و عرض واحد تشکیل شده ‏است. در این صفحه دو بردار یکه‏ی i و j هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آن‏ها می‏توان از نقطه‏ ی مبدا به هر رفت (مطابق شکل پایین). این کار با تعریف یک بردار به امکان پذیر می‏گردد..

 

نانولوله های کربنی

توصیف نانولوله‏ های کربنی ما به یک صفحه‏ ی دو بعدی متشکل از شش‌ضلعی‏های منتظم احتیاج داریم (صفحه‏ی مختصات گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتم‏های کربن (به ضخامت ..یک اتم) یا همان صفحه گرافن است

 

*تبدیل گرافن به نانولوله:

انتهای نانولوله‌های کربنی ممکن است باز یا بسته باشند. نانولوله ی با انتهای بسته ،در واقع قسمتی از یک فولرن کربنی است. از این

رو برخی دانشمندان، از نانولوله‌های کربنی (انتها بسته) به عنوان فولرن‌های کشیده شده یاد می‌کنند.

برای تبدیل یک صفحه‌ی گرافن به یک نانولوله در حالت فرضی، ابتدا باید جهت لوله کردن صفحه را مشخص کنیم. این کار به کمک بر هم منطبق می گردد..

حال می توانیم براساس بردار های کایرال، نانولوله ها را دسته بندی کنیم:

اگر دو مؤلفه ی بردار کایرال با هم برابر باشد، آن نانولوله از نوع”آرمچیر” است.
اگر یکی از مؤلفه ی بردار ها صفر بود ،آن نانولوله از نوع”زیگزاگ”است.
و در غیر این صورت نانولوله از نوع “غیرمتقارن” است.

ویژگی های نانو لوله های کربنی

نانولوله ‏های کربنی مواد بسیار کوچکی هستند که اگر آن‏ها را روی هم بریزیم، مانند یک توده‏ ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می‏آیند (مطابق شکل پایین). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی‏ توانیم نانوله‏ ها را به شکل مجزا بینیم. از طرفی این‏ها آن قدر کوچک هستند که نمی‏توان آن‏ها را با استفاده از دستگاه‏های متداول نگه داشت ؛ ولی در عین حال نانولوله های کربنی از استحکام خوبی برخوردارند.

این سوال پیش می‏آید که با وجود این شرایط، چگونه می‏توانیم خواص این موجودات جالب را بررسی کنیم؟

نکته: استحکام نانو لوله های کربنی را می توان از روش های مختلفی بررسی کرد از جمله: روش دینامیکی _ مولکولی _ المان محدود.

 

قطر نانولوله‏ های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال‏های اخیر، دانشمندان توانسته‏ اند با استفاده از روش‏هایی، نانولوله‏ ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آن‏ها را بررسی نمایند (مطابق شکل پایین)

 

روش های بررسی خواص نانو لوله ها:

*- شبیه سازی:
. یکی از راه‏های بررسی خواص نانولوله‏ های کربنی، شبیه‏ سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏ سازی ها را می‏توان با استفاده از نرم ‏افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از زبان‏های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش‏های مختلفی وجود دارد که برخی از آن‏ها را به شکل مقدماتی بررسی می‏کنیم:

۱-دینامیک مولکولی
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏ ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی می‏باشد. در این روش، اتم‏ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می‏کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای کوچک داریم، می‏دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن‏ها بر یکدیگر نیرو وارد می‏کنند. برای مثال می‏توان فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قراگرفته اند.(مطابق شکل پایین)

 

۲_روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‏ های کربن را به عنوان میله‏ هایی (در اصطلاح به آن «تیر» می‏گویند) در نظر بگیریم و اتم‏های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن‏ها بازی می‏کنند. به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله ‏های کربنی پدید می ‏آید. ابتدا باید ویژگی‏های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی‏های انواع میله‏ ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می‏شناسند و می‏توانند با بررسی‏های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون ساختار نانولوله مانند یک سازه‏ ی مهندسی، برای بررسی آماده است (مطابق شکل پایین) و می‏توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.

 

۳-روش های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏ سازی وجود دارند که برخی از آن‏ها بر پایه ‏ی اصول بسیار پیچیده‏ ی فیزیکی استوار هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می‏توان روابط بین اتم‏های کربن را در نانولوله و همچنین روابط بین اتم‏های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.

*بررسی جداگانه نانو لوله کربنی

همانگونه که در شکل قبل مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏ اند نانولوله‏ های کربنی را بین دو نوک متصل کنند و با کشش آن‏ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند.
برخی محققین در یک روش بسیار جالب، نانولوله‏ ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله‏ ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه‏ ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن نانولوله، به محاسبه‏ ی استحکام آن پرداختند.

 

*بررسی کامپوزیت های حاوی نانولوله کربنی

می‏توانیم برای به دست آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی نانولوله ‏ی کربنی است. محققین با درست کردن کامپوزیت‏های حاوی نانولوله ‏ها و زمینه‏ های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته‏ اند به ویژگی‏های بسیار جالبی دست پیدا کنند.
هنگامی‏که یک کامپوزیت تشکیل می‏شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده‏ ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده‏ ی افزودنی یا پر کننده) متفاوت است. برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه‏ ی استحکام ماده‏ ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می‏افتد. بنابراین می‏توان این افزایش خواص را به حضور ماده‏ ی افزودنی نسبت داد.

 

نانو ذرات

تعریف نانو ذرات:

یک نانوذره، ذره ای است که ابعاد آن در حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. نانوذرات علاوه‌ بر نوع فلزی، عایق ها و نیمه هادی‌ها، نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هسته‌لایه را نیز در بر می‌گیرند. همچنین نانوکره‌ها، نانومیله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشکالی از نانو ذرات در نظر گرفته میشوند. نانوذرات در اندازه‌های پایین نانوخوشه به حساب می‌آیند. نانوبلور‌ها و نقاط‌ کوانتومی نیمه‌هادی نیز زیرمجموعه نانوذرات هستند.

کاربرد نانو ذرات

بیودارویی به عنوان حامل دارو

عوامل تصویر برداری
روش چگالش از یک بخار شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که به صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. مهمترین مزیت این روش میزان کم آلودگی است. در نهایت اندازه ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان و روش سیم انفجاری جزء روش‌های چگالش از یک بخار محسوب می‌شود.*چگالش از یک بخار:

 

*سنتز شیمیایی:

: استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یک محیط مایع حاوی انواع واکنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنین روشی است، در روش‌های شیمیایی اندازه نهایی ذره را می‌توان با توقف فرایند هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه خاص کنترل نمود. این روش‌ها معمولاً کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یک مشکل باشد.

 

فرآیند های جامد:

از روش فرایندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن) می‌توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثیر نوع ماده آسیاب‌کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می‌گیرد. از این روش می‌توان برای تولید نانوذرات از موادی استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی‌شوند.

 

منابع

۱-کتاب: معرفی ویژگی ها و کاربرد های نانو لوله های کربنی . سال انتشار۱۳۹۲، محل انتشار اولین همایش ملی نانوتکنولوژی مزایا و کاربرد ها.( نویسنده:بهناز خانکشی زاده آذر_ زبان ارایه مقاله: فارسی.)

۲-  سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو آخرین اطلاعات فناوری نانو،در زمینه های نانو ساختار ها، نانو لوله های، نانو مواد ، کاربرد در پزشکی الکترونیک، نساجی و…
( http://nano.ir )

(http://www.m2t.blogfa.com) –3

 

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.