الأنابيب الكربون النانوية
انابيب كربون نانويه
Carbon nanotubes - Nanotubes de carbone
ابراهيم الغريبي
طرائق تصنيع أنابيب الكربون النانوية
تطبيقات أنابيب الكربون النانوية
أنابيب الكربون النانوية carbon nanotubesهي أنابيب ذات بنية أسطوانية مجوفة ورقيقة جداً لها سطوح مؤلفة من حلقات كربونية سدّاسية الشكل كخلية النحل، وذات أقطار تصل إلى أقل من النانومتر الواحد (1/100000 من عرض شعرة رأس الإنسان)، ويمتد طول الأنبوب الواحد إلى أطول من ذلك بمئات المرات، وقد يصل إلى 100 مكرومتر، ليُشكل بذلك سلكاً أو أنبوباً نانويَّاً nanotube أحد أبعاده من مرتبة النانومتر. أطلق عليها في بادئ الأمر بأنابيب بوكي buckytubes، ولكن باتت تُعرف اليوم بأنابيب الكربون النانوية. اكتشفها العالم الياباني سوميو إيجيما S. Lijima بالصدفة عام 1991، حينما كان يدرس الرماد الناتج من عملية التفريغ الكهربي بين قطبين من الكربون، باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ transmission electron microscope (TEM) ، فوجد أن جزيئات الكربون في وضع غير طبيعي حيث إنه من المفترض أن يكون ترتيبها على شكل طبقات غرافيتية مستوية متوازية ومرتبة الواحدة فوق الأخرى. ولكنه فوجئ بأن جزيئات الكربون المترابطة بسلاسل طولية قد التفت واتصل بعضها ببعض بحلقات كربون سدّاسية الشكل مكونة بذلك أنابيب نانومترية الأبعاد. وقد تبين أن ذرات الكربون المكونة لها ترتبط بروابط كيميائية تساهمية قوية جداً ولها التهجين المداري sp2، وهي شبيهة بتلك الموجودة في الغرافيت وأقوى من تلك الروابط sp3 الموجودة في الألماس. إضافةً إلى أن الرابطة بين ذرات الكربون الفردية C-C للأنابيب النانوية أقصر مما هي في حالة الألماس، مما يرجح أن تكون أنابيب الكربون النانوية أقوى من الألماس؛ إذ إن قوة الرابطة تزداد كلما قصُر طولها. إضافة إلى أن ذرات الكربون في حالة الألماس يتصل بعضها ببعض لتشكل رباعيات وجوه، أما في الأنابيب النانوية فترتب الذرات نفسها في حلقات سدّاسية الشكل. وهذا ما يجعلها الأقوى والأكثر صلابة بين المواد التي تم اكتشافها من حيث مقاومة الشد ومعامل المرونة، وهذا يعني شدة مقاومتها لأي ضغط أو جهد عليها ومن الصعب جداً كسرها. كما تتسم هذه الأنابيب بسمات مميزة إلكترونية وحرارية. إضافة إلى خصائصها الميكانيكية المميزة. تجعلها مفيدة في العديد من التطبيقات مثل الإلكترونيات والبصريات والعديد من المجالات ذات الصلة بعلم المواد. فيمكن أن تكون ناقلة جيدة جدًّا للكهرباء، ويمكن أن تكون شبه ناقلة، وهذا يعتمد بدوره على طريقة تصنيعها وعلى الترتيب الهندسي لذراتها، فقد وجد عند قياس ناقليتها الكهربائية أنها أعلى مما هي عليه في النحاس، كما أن ناقليتها الحرارية أعلى من ناقلية الألماس.
هناك أنواع مختلفة من الأنابيب النانومترية فمنها القصيرة والطويلة، المفتوحة والمغلقة، اللولبية والمتعرجة...الخ، ولكن يمكن تصنيفها في فئتين أساسيتين هما:
1ـ أنابيب نانوية أحادية الجدار (SWNT)nanotubes walled-single : يوضح الشكل (1ـ أ) رسماً توضيحياً لأنبوب الكربون أحادي الجدار، وهي الأكثر شيوعاً من بين الأنابيب وتشكل اللبنات الأساسية للأنابيب النانوية، فهي تحتوي على طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون تمّ ثنيها لتأخذ شكل أنبوب أسطواني مجوف بجدار فردي الذرات وتكون إحدى نهايتيه في الغالب مفتوحة والأخرى مغلقة على شكل نصف كرة لا يتجاوز قطرها نانومتراً واحداً. ولكن نسبة طول هذا النوع من الأنابيب إلى عرضها كبيرة جداً لدرجة يمكن عدّها بناءً أو تركيباً أحادي البعدone-dimensional structure وهو الطول، والذي قد يمتد إلى أكثر من عدة مئات من النانومترات.
2ـ أنابيب نانوية متعددة الجدران (MWNT) multi-walled nanotubes : يوضح الشكل (1ـ ب) رسماً توضيحياً لأنبوب الكربون متعدد الجدران، فهو مؤلف من مجموعة متداخلة من أنابيب كربون أحادية الجدران مختلفة الأقطار لكنها تشترك في مركز واحد مع وجود مسافات فاصلة فيما بينها لا تتجاوز بضعة نانومترات. ويتميز هذا النوع من الأنابيب بأطوال وأقطار مختلفة عن نظيرها في الأنابيب أحادية الجدران، مما يقود بطبيعة الحال إلى الاختلاف التام بالخواص التي تتمتع بها تلك الأنابيب.
 |
|
الشكل(1) رسم تخطيطي يوضح شكل كلٍّ من نوعي الأنابيب النانوية، (أ) أنابيب نانوية وحيدة الجدار ، (ب) أنابيب نانوية متعددة الجدران. |
طرائق تصنيع أنابيب الكربون النانوية
تُحضر الأنابيب النانونية من الكربون بعدة تقنيات أساسية، أبسطها وأكثرها شيوعاً طريقة الانفراغ الكهربائي القوسي arc discharge وهي الطريقة الأولى المعترف بها لإنتاج أنابيب الكربون النانوية، وهي طريقة إيجيما نفسها التي استخدمها لتحضير الأنابيب النانوية. يستعمل مولد جهد منخفض (12-15 فولطاً)، ويُطبَّق تيار مستمر مرتفع (50-120 أمبيراً) بين قطبين من الكربون نصف قطر كلٍّ منهما يقع بين 5-20 ملم، وتفصل بينهما مسافة صغيرة من رتبة الملمتر الواحد، مع وجود وسط للتفاعل مملوء بغاز خامل مثل الهليوم أو الأرغون وبجوٍ مُخلى تخلية عالية (500-1000 تورtorr تقريباً). ولتنشيط التفاعل وسهولة كسر الروابط الكربونية؛ لا بد من وجود محفّز معدني سواء من الحديد والكربون (Fe-C) أم من الكوبلت والكربون (Co-C). ينتج عند تطبيق التيار الكهربائي بين القطبين شرارة تؤدي إلى تبَخُر ذرات الكربون من المصعد متحولة إلى بلازما حارة تتكاثف جزيئاتُها على المهبط على هيئة أنابيب نانونية ذات أقطار تقع بين 1.2-1.6 نانومتر.
الطريقة الثانية المستخدمة لتحضير الأنابيب النانوية هي طريقة الاجتثاث الليزرية laser ablation، حيث يتم فيها تسليط شعاع ليزري نبضي أو مستمر على هدف مكون من مزيج من الغرافيت ومحفّز من النيكل والكوبالت يساعد على نمو الأنابيب النانوية. يوضع المزيج في أنبوبة من الكوارتز عند الدرجة 1200 سْ ومُخلاة تخلية عالية (500 تور تقريباً). يؤدي جريان غاز الأرغون إلى توليد سحابة من البلازما من غاز الكربون الذي يتكاثف بدوره على هيئة أنابيب نانونية وبإبعاد متناهية في الصغر (1-1.6 نانومتر).
ويمكن أيضاً تحضير الأنابيب النانوية بطرائق حرارية متعددة منها طريقة الترسيب بالبخار الكيميائي Chemical Vapor Deposition (CVD)، وطريقة الترسيب بالبلازما المُدعمة بالبخار الكيميائي Chemical Vapor Deposition (Pecvd) Plasma-Enhanced وطريقة اللهب .flame تعتمد جميع الطرق الحرارية من حيث المبدأ على الحرارة ووجود مصدر كافٍ للطاقة، إضافة إلى تركيب المحفّز. وأكثر هذه الطرائق استخداماً هي طريقة الترسيب بالبخار الكيميائي، والتي تعتمد آليتها على التفكيك الحراري للهدروكربونات CnHm (مثل الميتان، الإيتان، الإتلين والأستلين) في درجات حرارة تقع بين 500 - 1000سْ مع وجود تيار من غاز الهدروجين أو الأرغون، أو بوجودهما معاً. يحمل التيار الغازي ذرات الكربون الناتجة من تفكك الهدروكربون ليعاد تشكيل ذراته وترتيبها واتحادها على هيئة أنابيب نانوية.
 |
|
الشكل (2) رسم تخطيطي يوضح طرائق تحضير أنابيب الكربون النانوية، (أ) الانفراغ القوسي، (ب) الترسيب بالبخار الكيميائي (ج) الاجتثاث الليزري. |
إن الانتقال من الأبعاد المجهرية إلى الأبعاد الجزيئية والذرية يجعل قوانين الفيزياء والكيمياء التقليدية عاجزة عن وصف المادة وتحل مكانها قوانين ميكانيك الكم. مما يعني حدوث تغير كبير في خواص المادة التي تعتمد على نسبة عدد ذرات السطح إلى عدد ذرات الحجم اعتماداً قوياً، إضافة إلى التأثيرات الكمومية الأخرى quantum effects. إذ تصبح هذه الآثار- في الأبعاد النانوية- هي الطاغية والمهيمنة على سلوك تلك المواد، وبالتالي تعمل على تحسين صفاتها وخواصها المختلفةعلى نحو مميز وغير مسبوق. وهذا ما يجعل الأنابيب النانوية تتميز بخواص ميكانيكية وإلكترونية وكهربائية وضوئية وحرارية ومغنطيسية فريدة من نوعها.
تمتلك الأنابيب النانوية خواص ميكانيكية جيدة جداً. إذ يمكن إضافتها بنسب ضئيلة إلى المعادن والبوليمرات لتشكيل مواد مركبة تجمع في خواصها الصلادة والقوة، إلى جانب تمتعها بالمتانة، واللدانة وقابلية التشكيل والثني. لذلك يمكن توظيفها في إنتاج مواد شديدة القوة، مثل ألياف الكربون النانوية carbon nanofibersالتي يمكن استعمالها مواد مقوية وداعمة للبوليمرات والمواد الفلزية. على سبيل المثال، عند إضافة نسبة ضئيلة منها (10%) إلى الفولاذ فإن معدل صلابته تزداد ثلاثة أضعاف. وهذا هو سر القساوة الأسطورية للسيف الدمشقي وقوته المذهلة للقطع. فقد تبين في أثناء تحليل قطعة منه بوساطة المجهر الإلكتروني الماسح وجود أثار لأنابيب من الكربون متناهية في الصغر (جسيمات من كربيد الحديد Fe3C)، والتي باتت تعرف اليوم بأنابيب الكربون النانوية. وعلى الرغم من أن أنابيب الكربون النانوية خفيفة الوزن (كثافتها منخفضة)، فإنها تتمتع بمتانة شد tensile strength عالية قد تصل إلى مئة ضعف مقارنة مع أنواع أخرى من المواد الصلبة. كما أنها تتفوق على جميع المواد من حيث المرونة، وتبدي مقاومة فائقة ضد التشوه والكسر إذا ما تعرضت إلى إجهادات ثني وانحناء bending stresses فهي كقطعة من المطاط قادرة على الاستطالة والاسترخاء واستعادة شكلها الطبيعي بعد زوال أي إجهاد تتعرض له من دون أن تبدي أدنى تغير أو تشوه مصاحب لها.
إضافة إلى الخواص الميكانيكية الفريدة التي تتمتع بها أنابيب الكربون النانوية فهي أيضاً لا تتأكل ولا تحترق في الظروف العادية، كما يمكن استعمالها لجعل المواد العازلة كالبلاستيك تنقل الكهرباء بصورة جيدة. فهي تفوق في ناقليتها الكهربائية ناقلية النحاس بألف ضعف. أضف إلى ذلك استقراريتها الحرارية فهي مستقرة حتى 2800 سْ في الخلاء، وقدرتها العالية على النقل الحراري (إذ يبلغ معامل ناقليتها الحرارية 600 واط بالمتر لكل كلفن)، وهي تزيد بنحو عشرة أضعاف ما هي عليه في معدن الفضة. فهي يمكن أن تتصف بصفة المعادن من جهة، إذ يمكن استخدامها كأسلاك توصيل كهربائية مقننة للطاقة، يمكنها نقل كميات هائلة من التيار الكهربائي (بكثافة تيار تقارب بليون أمبير بالسنتمتر المربع), ومقاومة للتلف الناجم عن الحرارة والبرودة أو المغنطة، كما يمكن أن تتصف بصفة أنصاف نواقل من جهة أُخرى، نظراً لصغر أبعادها وبنية عصابتها الطاقية المنفصلة عن بعضها وصغر فرجة عصابتها الطاقية المحظورة. وتتمتع الأنابيب النانوية تبعاً لأبعادها المتناهية في الصغر بمقدرة إلكترونية عالية ناتجة من مقدرتها على تكميم الإلكترونات وتقييدها في بعد واحد يمتد على طول محور الأنبوب. وبالتالي يمكن استخدامها في الدارات الإلكترونية ديودات وترانزستورات منمنمة عوضاً عن ترانزستورات السليكون التقليدية، فهي تفوقها كفاءة بعشرات آلاف المرات. وكما هو معلوم يرتفع أداء العناصر الإلكترونية وتزداد سرعة عملها ويقل استهلاكها للطاقة كلما صَغُر حجمها. لهذا تُدفع الصناعات الإلكترونية نحو دمج الأنابيب النانوية في تقانة الدارات الإلكترونية لنمنمة أبعاد الترانزستورات إلى ما دون 100 نانومتر، أي ما يُعادل 200 ذرة .
وتتميز الأنابيب النانوية أيضاً بخصائص ضوئية مميزة، إذ يمكن التحكم بطول موجة الضوء الصادر عنها عن طريق التحكم بأبعادها. لهذا يمكن استعمالها ديودات مصدرة للضوء وكواشف ضوئية وليزرات نانوية بأطوال موجية مختلفة.
وتُعد الزيادة الكبيرة في مساحة أسطح الأنابيب النانوية ووجود عدد ضخم من الذرات على أوجه أسطحها الخارجية من أهم العوامل التي تُكسب الأنابيب النانوية خواصَّ مغنطيسية فائقة. إذ تتمتع بقوة مغنطيسية متبقية عالية magnetic coercivity، لذا فهي تَدخل في إنتاج مغانط فائقة الشدة، تُستخدم في المولدات الكهربائية الضخمة وكذلك في صناعة أجهزة التحليل فائقة الدقة كأجهزة التصوير بالتجاوب (الرنين) المغنطيسي.
تطبيقات أنابيب الكربون النانوية
أتاحت الخواص الفيزيائية والكيميائية الفريدة لأنابيب الكربون النانوية أن تجد لها طريقاً في مجالات متنوعة وعديدة في كل فروع تقانة الصغائر ومجالاتها؛ كالإلكترونيات والبصريات، إضافة إلى العديد من المجالات الأخرى ذات الصلة بعلم المواد والقطاعات الصناعية.
فقد استخدمت في الأجهزة الطبية الحيوية والتشخيص الطبي ونقل الدواء إلى داخل جسم الإنسان drug delivery من دون إحداث أي تأثيرات جانبية غير مرغوب فيها. وتستخدم مجسات وحساسات نانوبيولوجية للكشف المبكر عن وجود أي خلل في الوظائف الحيوية بالجسم. وتستخدم أيضاً في مجالي البيئة والطاقة من خلال تحسين كفاءة الخلايا الشمسية وتوليد جيل جديد من الخلايا الفوتوفولطية photovoltaic cells؛ وصناعة خلايا الوقود fuel cell، وصناعة أوعية لتخزين الهدروجين hydrogen storage، وصناعة بطاريات ليثيوم عالية الكفاءة ومكثفات كهروكيميائية فائقة السعة. وكذلك يمكن استخدامها بيئياً في صناعة حساسات كيميائية للغازات السامة ومرشحات (فلاتر) نانوية لتنقية المياه وتحليتها وتوفير مصادر آمنة لمياه الشرب. وكذلك يمكن استخدام أنابيب الكربون النانوية المجمَّعة من صفائح الغرافيت والتي لا يتجاوز قطرها عدة أنغسترومات مناخل كمومية quantum sieves ومرشحات جزيئية يمكن من خلالها فصل الجزيئات بعضها عن بعض على أساس حجومها أو خواصها الكيميائية، فعلى سبيل المثال يمكن استخدامها كمنخل كمومي لنخل مزيج من غاز الهدروجين ونظيره المشع التريتيوم وفصلُهما بعضها عن بعض. وتقدم أيضاً البُنى القائمة على أنابيب الكربون النانوية إمكانات مثيرة من أجل التطبيقات الإلكترونية على المقياس النانوي، كتطوير منظومة أجهزة الانبعاث الحقلي والترانزستورات النانوية وشاشات العرض المسطحة وأجهزة النظم الكهربائية والميكانيكية المكرومترية. وقد تستخدم مستقبلاً لتصنيع الكمبيوتر الرقمي أو الكمومي. ونظراً للخصائص الميكانيكية العالية والأبعاد الصغيرة التي تتميز بها أنابيب الكربون النانوية، يمكن استخدامها لتحسين كفاءة عمل المجاهر الماسحة )كمجهر القوة الذرية( والحصول على قياسات أكثر دقة وأقل تشوهاً، وذلك من خلال إضافتها إلى رؤوس المسابر الإلكترونية. ونظراً لمقاومة الشد والمرونة العالية لأنابيب الكربون النانوية يمكن استخدامها في تقوية المواد البوليمرية المركبة وتشكيلها بأشكال خاصة أو إضافتها إلى مادة منخفضة اللزوجة كي يمكن رشها على سطح ما للطلاء أو الكساء، فيمكن إضافتها إلى هياكل السيارات والطائرات وسفن الفضاء لحمايتها من الصدمات والتأكل والصدأ وكذلك لحماية المباني من التصدع الذي يمكن أن ينجم عن الزلازل والكوارث الطبيعية.
|
مراجع للاستزادة: - محمد شريف الإسكندراني، مجلة عالم المعرفة ، أبريل 2010. - مجلة عالم الذرة، العدد الواحد والستون، أيلول/تشرين الأول 1999. - مجلة عالم الذرة، العدد الثالث والستون، أيلول/تشرين الأول 1999. - مجلة عالم الذرة، العدد الرابع والستون، تشرين الثاني / كانون الأول 1999. -Michael J. O’Connell, Carbon Nanotubes: Properties and Applications, 2006. M .Dekker, Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. Volume 1, P., 2004. -F. S. Garmaroudi, R. A. R. Vahdati, Int .J. Nano. Dim, 1, 2010. M. Meyyappan, Carbon NanotubesP: Science and Applications, 2005. -S. Lijima, Carbon Nanotubes, Nature 354, 56-58 , 1991. |
- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد الثالث مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
