وبلاگ

برخلاف اندازه بسیار  کوچک نانوذرات کاربردهای بسیار فراوان دارند. (سخنرانی مشهور فیمان[1]  در سال (1959 کسی در مورد نانوتکنولوژی قبل از سال 1974 صحبت نکرد تازمانی که توسط تاناگوچی[2]  معرفی شد.(3و4)این بدان معنا نمی باشد که ساختار های نانو قبل از آن وجود نداشته است.برای مثال قدمت فنجان لیکرگس[3] که در آن از نانوذرات طلا و نقره استفاده شده به قرن چهارم قبل ازمیلاد برمیگردد.(5)
شکل1-1: فنجان لیکرگس_نمایانگر مرگ شاه لیکرگس  _موزه بریتانیا
از زمان کشف نانولوله های کربنی این مواد به طور گسترده در فیزیک،شیمی و علم مواد به صورت تئوری  و تجربی مورد استفاده قرار گرفته اند.ساختار وخواص منحصر به فرد نانولوله های کربنی،آنها را برای کاربرد های متفاوت بالقوه ساخته است.
نانولوله های کربنی در سال 1991 توسط یک الکترو میکروسکپیست ژاپنی به نام سایمو ایجیما کشف شدند.
این مواد شامل هر دو ساختار تک دیواره SWCNTs[4] و چند دیواره می باشند.
نانولوله های کربنی تک دیواره ،موادی چند منظوره هستند که به عنوان عناصر موثر در ذخیره گاز،سنسور در باتری ها،به عنوان سیستم های الکترومکانیکی در نانو الکتریک،به عنوان عوامل سازگار زیستی،سنسور در پزشکی و دارو و به عنوان الیاف در کامپوزیت های با عملکرد بالا کاربرد دارد.برهمکنش متقابل SWCNTs با گونه های شیمیایی از موارد اصلی این کاربرد هاست.
با افزایش و تولید انواع مختلف کامپوزیت های با عملکرد بالا، که در آن از نانولوله های کربنی تک دیواره به عنوان الیاف استفاده می شود و با توجه به اینکه برای افزایش ضریب انتقال بار از ماتریس به الیاف و نیز کنترل نحوه پخش باید این نانولوله ها عامل دار شوند باید درک درستی از خواص مکانیکی نانولوله های عامل دار شده داشت.
بر این اساس ما بر آن شدیم تا در این پژوهش مدول یانگ نانولوله های کربنی تک دیواره (10,0) و (6,6)با گروه های عاملی [5]COOH, [6]NH2,  [7]OH  را بر پایه محاسبات کوانتومی بدست آوریم.
 1-2-1- نانولوله های کربنی
تا سال 1980 سه نوع ترکیب مختلف از آلوتروپی های مختلف عنصر کربن به نامهای الماس و گرافیت و کربن بی شکل شناخته شده بودند . ولی امروزه خانواده کاملی از سایر اشکال کربن کشف و شناسایی شده اند . در سال 1985 فولرین (C60) توسط Smally,Sean Obrien,Robert Curl  james Heath ,Harold kroto   کشف شد و Kroto,Curl,Smalley به خاطر این کشف جایزه نوبل شیمی را در سال 1985 دریافت کردند (91).
فولرین نخستین مولکولی کروی شناخته شده با کربن های مرتب شده در قالب کره­ای به شکل توپ فوتبال است . در این ساختار 60 اتم کربن وجود دارد و تعدادی از حلقه های پنج عضوی به وسیله حلقه های شش عضوی از هم جدا شده اند . نمونه دیگر راگبی بال (C70) است که بخاطر شباهت به توپ راگبی این نام برای آن انتخاب شده است . C70))  نسبت به فولرین یک حلقه شش کربنی بیشتر دارد.
 علاوه بر این ساختارهای کروی ، دسته ای دیگر از ترکیبات کربنی با ساختارهای بسته به نام نانولوله وجود دارد که به جای ساختار کروی به

 شکل رشته ای طویل می باشد . نانولوله های کربنی اولین بار در سال 1991 توسط ایجیما هنگامی که وی در حال مطالعه بر روی رسوب کاتدی در فرایند سنتز فولرن بود، متوجه هسته مرکزی رسوب کاتدیک شد. این مواد حاوی انواع ساختارهای بسته گرافیتی شامل نانوذرات و نانولوله‌ها بودند، که تا آن زمان هرگز مشاهده نشده بودند،  (73) کشف شدند (72). نانو لوله های کربن به مراتب مهمتر از فولرین ها هستند زیرا از ورقه های گرافیت تهیه می شوند . ساختار مولکولی گرافیت به صورت یک سیم بسیار نازک است که متشکل از شش وجهی های کربن می باشد . در ساختار گرافیت رایج ورقه هایی از کربن را داریم که به راحتی روی همدیگر می لغزند . وقتی که این ورقه های گرافیتی در هم پیچیده می شوند، ساختارهای لوله ای شکل به نام نانولوله کربنی تشکیل می دهند (27).

نانولوله‌های‌کربنی یکی از معمول‌ترین ساختارهای مورد استفاده در فناوری نانو هستند. این مواد با داشتن، رسانایی حرارتی بالا (بهتر از هر ماده‌ای به جز الماس خالص) مقاومت کششی صد برابر فولاد و هدایت الکتریکی شبیه به مس (اما با توانایی انتقال جریان‌های بالا) آن‌ ها را به مواد بسیار پرکاربردی تبدیل کرده است (106) و همچنین سطح بزرگ آن‌ ها کارای بسیارمفید برای جذب هیدروژن و یا سایر گازها دارد(31، 99) و به علت دارا بودن نسبت ابعاد بالا (طول به قطر یا سطح کل به سطح مقطع)، نوک‌های با اندازه نانومتر، مقاومت مکانیکی بالا و ثبات شیمیایی، توانایی خارج کردن الکترون‌های سخت (سرد) در ولتاژهای نسبتاً پایین را دارند (10) این سازه منحصر به فرد در خلأ در دمای Cͦ14700 پایداری حرارتی از خود نشان می‌دهد (74).
از آن زمان به بعد نانولوله­های کربنی  برای کاربردهای متفاوت بر پایه انتشار، ، قدرت مکانیکی بالا (13) خصوصیات الکترونیکی انتقال (73) و خواص شیمیایی آن‌ ها، به طور خیلی خاص و ویژه تولید شده‌اند. همچنین از خصوصیت افزایش پتانسیل آن‌ ها برای استفاده به عنوان ترانزیستورهای مقیاس نانو (16،104)، نوک قلم برای اسکن در میکروسکوپ‌ها (28) دستگاه‌های نشر میدان (39)، و یا جزئی برای تولید کامپوزیت‌ها (20) استفاده می‌شود.
نانوله­های کربنی علاقه زیادی را بنابر خواص جدید و کاربردهای بالقوهای که در سنسورهای شیمیای (117) دارند دریافت می کنند که برونداد این زمینه (25) کاتالیست (85،100،105،34،32) و گیرنده نانوالکتریک (84،35) را نشان می دهد و اثبات می کند که انتقال نانو نانوذرات  های فلز بر روی نانوله­های کربنی نشان دهنده خواص کاتالیست ممتاز بر روی واکنش های شیمیای گوناگوناست (26،40). بنابر خواص شیمیای اندک نانوله­های کربنی، قبل از اینکه نانوذرات ­ها بتواند به طور یکنواخت پخش شوند سطح نانوله­های کربنی را با یک عامل خارجی عامل دار می کنند (46،78). هرچند که این روش عامل دارکردن بعضی مواقع  نیاز به یک عمل خشن (مثل استفاده از اسید قوی یا طولانی تر کردن زمان واکنش ) برای فعالسازی مکانی بر روی نانوله­های کربنی که کاتالیست بر روی آن قرار بگیرد دارد.این طرز کار ممکن است باعث از بین رفتن خواص الکترونی شود (17،42). متناوباً نانوله­های کربنی می تواند به طور داخلی با عناصر دیگر دوپله شوند تا اینکه خواص الکترونیک و واکنش پذیری را تغییر دهند (117،45).
نانولوله‌هامی‌توانند بسته به خاصیت مارپیچی و قطرشان به صورت فلزی و یا نیمه‌فلزی   (نیمه‌هادی) باشند (88،65).
 
1-2-2- گرافیت
گرافیت عمومی ترین شکل و فرم تعادلی طبیعی کربن در حالت جامد است . در دماها و فشارهای معمولی پایدار است و معمولاً در نوک مداد و روغن های نرم کننده دیده می شود .
گرافیت آنیزوتروپ بوده و دارای هدایت در دمای بالا است . شکل کریستال گرافیت در شکل1-11-الف نمایش داده شده است . گرافیت از لایه هایی از اتم های کربن در یک صفحه تشکیل شده است که در یک شبکه شش گوش قرار گرفته است . هر یک از این صفحات یک گرافن نامیده می شود . و هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند یافته است . در صفحات افقی تشکیل شده از یک لایه گرافن ، ساختار به شدت قوی است و یک شبه فلز به نظر می رسد و به خوبی جریان الکتریسیته را هدایت می کند . به صورت عمودی بین صفحات نیرو ضعیف است و بین لایه های شبکه گرافیت یک هادی ضعیف است . بین این لایه ها نیروهای ضعیف و اندرولس وجود دارد و همین موضوع باعث می شود که گرافیت برای استفاده در نوک مداد و روغن های نرم کننده مناسب باشد . این نیروهای ضعیف بین صفحات باعث می شود الیاف گرافیت برای استفاده در مواد هم گدازه مناسب بوده و از آن ها بتوان به عنوان اپوکسی استفاده کرد(37) در گرافیت اتم های کربن هیبرید اسیون sp2 دارند و آرایش اتم های کربن به صورت مسطح مثلثی است . در گرافیت فاصله انرژی لایه والانس و هدایت 0/004eV بوده ، بنابراین با کمترین احتمال پراکندگی ، الکترونها آزادانه حرکت می کنند و هدایت الکتریکی خوبی در صفحات دیده می شود ، اما هدایت بین صفحات گرافن مانند نیمه هادیهاست . هر چه در صفحات گرافن نقص های بیشتری مشاهده شود، بتدریج هدایت از نوع فلزی به نوع نیمه هادی افزایش می یابد (96). نیروهای بین صفحه ای ضعیف بوده و به مقدار 5kj/mol می باشد . بنابراین تغییرات کوچک در ساختار الکترونی در صفحات مجاور باعث می شود مقدار زیادی هترواتم و ترکیبات مولکولی وارد شده و باعث یکی از دو تغییر زیر شود : 1) یک کاهش شیمیایی ضعیف در صفحات گرافن توسط ترکیبات الکترون دهنده مانند اتمهای قلیایی 2) یک اکسایش شیمیایی ضعیف توسط برم، نمکهای هالید یا اسیدهای معدنی ضعیف. تمام این ترکیبات ساختارهای پیچیده با خواص فیزیکی متفاوت تشکیل می دهند (101). جدول 1-1 خواص گرافیت را نشان می دهد :