بخشی از مقاله
ارتعاشات در نانولوله هاى كربنى
نانو لوله های کربن
مقدمه :
عصر حاضررا شاید بتوان عصر کربن نام نهاد زیرا این ماده کاربرد وسیعی در صنایع مختلف پیدا کرده است. دراین بین، نانولوله های کربن و فلورن ها ، توجه دانشمندان را بیتشر از دیگر شکهای کربن به خود جلب کرده اند. اگرچه مدت زیادی از کشف نانولوله های کربن و فلورن نمی گذرد ولی تحقیقات وسیعی در زمینه شناسایی ، ساخت و بکارگیری آنها در صنایع مختلف انجام شده و پیشرفت های زیادی نیز در این رابطه صورت گرفته است .
تاریخچه:
تا سال 1980 تنها چهار نوع کربن شناخته شده بود: گرافیت، الماس ، لانسدیلایت و کربن شکل یا آمورف . درشکل های زیر ساختار کریستالی سه نوع اول نشان داده شده است.
لانسدیلایت الماس گرافیت
کشف فلورن ها نیز مانند بسیاری دیگر از اکتشافات به صورت اتفاقی رخ داده است. در حالی که قبل از کشف فلورن ها توافق کلی بر روی ناپایداری اتم های کربن وجود داشت دانشمندان روسی با استفاده از محاسبات نشان داده بودند که مولکول فلورن در حالت گازی می تواند پایدار باشد. در سال 1985 کروتو و اسمالی در حین اسپکتروسکوپی نمونه های بخار کربن به نتایج جالبی دست یافتند. در اینجا بود که فلورن ها کشف شدند و پایداری آنها در فاز گازی نیز به صورت عملی اثبات گشت.
البته شواهدی نیز وجود دارد که برای اولین بار در دهه 70 فیبرهای کربن با ابعاد نانومتری توسط میرینوبو اندو به عنوان بخشی از پروژه دکترای وی در دانشگاه اورلان واقع در فرانسه ساخته شده است. وی فیبرهایی به قطر 7 نانومتر را با استفاده از تکنیک رشد بخار تهیه نمود اما بدلیل ناشناخته بودن، این فیبرها به عنوان نانولوله شناخته نشدند و به صورت سیستماتیک نیز مورد مطالعه قرار نگرفتند.
پس از آن در سال 1991 کشف نانولوله های کربن بوسیله یک متخصص ژاپنی میکروسکوپ های الکترونی ، به نام سومیوایجیما در حالی که مشغول مطالعه نشست مواد بر روی کاتد به هنگام ساخت فلورن ها به روش تبخیر با قوس الکتریکی بود، صورت گرفت. کمی بعد توماس ابزن و پیولیکل آجین از آزمایشکاه آقای ایجیما نشان دادند که چگونه می توان نانولوله های کربن را بوسیله تغییر در شرایط تبخیر قوس الکتریکی به صورت انبوه تولید نمود . این امر باعث گسترش امک
ان مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی نانو لوله های کربن در آزمایشگاه ها در سراسر جهان گشت.
سپس در سال 1993 نانو لوله های کربن تک دیواره ای بطور همزمان ولی جداگانه توسط گروه ایجیما درشرکت NEC و گروه دونالد بثون در مرکز آلمادن متعلق به شرکت IBM واقع د رکالیفرنیا ، کشف شدند که پیشرفت بسیار بزرگی در ساخت نانولوله های کربن بوجود آوردند. در حالی که نانو لوله های چند دیواره دارای قطری به اندازه چند ده نانو متر بودند نانو لوله های تک دیواره تنها قطری برابر با یک تا دو نانومتر داشتند. در روشهای متداول تولید نانو لوله های کربن ، تنها نانو لوله های چند لایه تشکیل می شوند . برای تولید نانو لوله های کربن تک دیواره ، از افزودن فلزاتی مانند کبالت به الکترود گرافیتی استفاده می شوند.
ساخت نانو لوله ها ی تک دیواره امکان آزمایش برخی از تئوری های موجود را فراهم می آورد. روش دیگری برای ساخت نانو لوله های کربن تک دیواره در سال 1996 توسط اسمالی و همکارانش ارائه گردید. این روش شامل تبخیر بوسیله لیزر بود. دراین روش تمایل بیشتری برای تولید نانو لوله های منظم به صورت گروهی وجود دارد. البته نانو لوله های کربن تولید شده در این روش نیز اغلب دارای قطری مشابه هستند.
گروه دیگری از نانو لوله های ، شیپوره های نانو می باشند که در سال 1994 توسط پیتر هریس و ادمن سانگ کشف شدند. این نانو لوله ها دارای ساختاری مشابه نانو لوله های با سرپوش، داشته ولی در اصل شامل نانو لوله های تک دیواره ای بوده که به شکل مخروط می باشند. بعدها گروه ایجیما نشان دادند که این مواد را با استفاده از لیزر نیز می توان تولید نمود. این گروه از مواد دارای خواص جذب و کاتالیزری بالایی می باشند وبه عنوان بخشی از پیلهای سوختی جدید به کار می روند. در شکل زیر نمونه ای از پیلهای سوختی ساخته شده با نانو لوله ها و در شکل بعد نمونه ای از شیپورهای نانو ، نشان داده شده است.
انواع نانو لوله ها:
نانو لوله تک دیواره:
ساده ترین حالت، حالتی است که نانو لوله تنها دارای یک دیواره باشد. واین در حالی است که در اکثر مواقع نانو لوله ها دارای ساختاری با چند دیواره هستند. فاصله بین دو دیواره بین 34% تا 336% ، نانو متر و طول پیوند C-C نیز در این حالت 14% نانو متر می باشد که کمتر از طول پیوند در الماس بوده و در نتیجه ماده دارای استحکام بیشتری خواهد بود. نازکترین نانو لوله کربن که تا به امروز ساخته شده است قطری برابر با 24% نانو متر دارد که یک ابر رسانا نیز به شمار می رود.
نانو لوله های کربن انواع گوناگونی دارند.آنها می توانند قطرهای مختلفی داشته باشند، تک لایه و یا چند لایه باشند و یا در انتها به وسیله نیم کره های فلورن بسته شده باشند که این خود باعث تغییر در خواص این مواد خواهد شد. همچنین می توانند خم شده باشند و یا تورفتگی داشته باشند که در هر کدام از این حالات خواص متفاوتی را از خود نشان خواهند داد.
نانولوله های کربن چند دیواره :
اولین نانو لوله های کربنی که کشف شد نانو لوله کربن چند دیواره بود(که در شکل های زیر نشان داده شده است). مطالعات میکروسکوپ های الکترونی عبوری بر روی نانو لوله های کربن چند دیواره نشان می دهد که ساختار آنها از لایه های متداخل تشکیل شده اند.
از لحاظ شکل درآرایش نانولوله ها آنها را می توان به سه دسته نقسیم نمود:
1- آرمیچر(Armchair )
2- زیگزاک(Zigzag )
3- چیرال(Chiral )
خواص مکانیکی نانو لوله ها:
بعداز کشف نانو لوله ها کربن دانشمندان دریافتند که خواص مکانیکی که به صورت تئوری برای این ساختار های جالب پیش بینی می شود- شامل استحکام وسفتی بالا، چگالی کم و بی عیب بودن ساختار – می تواند آنها را به گزینه ایده آبی برای بسیاری از کاربردهای تکنولوژیکی تبدیل نماید. نتایج تجربی ونیز تعداد زیادی از روشهای شبیه سازی کامپیوتری که برای مدلسازی نانو لوله های کربن بکارگرفته شده اند. دردهه اخیر موجب افزایش درک مکانیک آنها شده ولی هنوز مکانیک آن بطور کامل شناسایی نشده است.
نانولوله های کربن تک دیواره بطور که هدایت قابل ملاحظه ای سفت محکم و هادی جریان الکتریسیته بوده و پیش بینی می شود که هدایت حرارتی بهتر از الماس داشته باشند، که این امر امکان استفاده از آنها را در نانو الکترونیک بالا می برد.
برخی از خواص مکانیکی نانو لوله های کربن تک دیواره و چند دیواره از جمله مدول یانگ و استحکام کشش در مقایسه با خواص مکانیکی فولاد، اپوکسی و چوب در جدول زیر مشاهده می شود.
ماده مدول یانگ (Gpa) استحکام کشش (Gpa) چگالی
نانولوله تک دیواره 1054 150 ----
نانو لوله چند دیواره 1200 150 6/2
فولاد 208 4/0 8/7
اپوکسی 5/3 005/0 25/1
چوب 16 008/0 6/0
خواص الکتریکی :
نانو لوله های کربن به عنوان مواد با خواص هدایتی ویژه معرفی می شوند. زیرا در این مواد موج های الکترونی می تواند یکدیگر را تقویت و یا خنثی کنند. یک الکترون که در اطراف محیط نانو لوله پخش شده باشد می تواند خود را بکلی محو کند، در نتیجه تنها الکترون هایی با طول موج مناسب باقی خواهند ماند.
کاربرد نانو لوله ها :
ذخیره انرژی :
گرافیت مواد کربن دار و الکترودهای فیبر کربن اغلب در پیل های سوختی ، باتری ها و دیگر موارد الکتروشیمیایی بکار می روند. مزیت نانو لوله های کربن به عنوان ذخیره کننده انرژی ، کوچکی ، توپولوژی سطح صاف و مشخصات سطح مناسب ، می باشد. بازدهی پیل های سوختی بوسیله نرخ تبادل الترون در الکترودهای کربنی می باشد ، که این نرخ برای نانو لوله های کربن بالاترین میزان می باشد.
ذخیره هیدروژن:
مزیت هیدروژن به عنوان یک منبع ذخیره انرژی ، این است که محصول ناشی از احتراق آن ، آب می باشد.همچنین می توان به آسانی هیدورژن را دوباره تولید کرد. بدین منظور ، یک سیستم ذخیره هیدورژن مناسب ، مورد نیاز است که باید هر دو محدودیت وزن وحجم ذخیره را ارزا کند . دو وسیله ذخیره هیدروژن متداول عبارتند از جذب فاز گازی و الکترووشیمیایی .
با توجه به شکل استوانه ای و توخالی نانو لوله های کربن به نظر می رسد که بتوان با توجه به اثر مویینگی در آنها، از آنها برای ذخیره هیدورژن گازی و یا مانع در داخل حفره نانولوله استفاده نمود. طبق گزارشات داده شده برای اینکه استفاده از پیل های سوختی به صورت اقتصادی امکان پذیر باشد باید ذخیره هیدروژن در آنها حداقل به میزان 5/6 درصد وزنی باشد نانو لوله های کربن تک دیواره با استفاده از جذ
اضافه کردن لیتیوم:
اساس کار باتری های قابل شارژ لیتوم اضافه کردن و کم کردن لیتیوم به صورت الکتروشیمیایی در هر دو الکترود می باشد باتری ایده آل باتری است که دارای زمان شارژ کردن کوتاه ، زمان استفاده زیاد و قابلیت ذخیره میزان زیادی از انرژی باشد . میزان ذخیره از روی میزان اشباع لیتیوم بر روی الکترودها تعیین می شود. برای لیتیوم ، بیشترین این میزان در نانو لوله هایی می باشد که تمامی مکان های ما بین آنها (فضاهای بین صفحه ای بین صفحه ای ، کانال های بین لوله ها حفره های داخلی )برای اضافه کردن لیتیوم قابل دسترس باشد.
نانو لوله ها ی تک دیواره دارای قابلیت ذخیره بالای بازگشت پذیر و غیر قابل بازگشت می باشد.
خازن های الکتروشیمیایی:
ابر خازن ها دارای ظرفیت بالایی می باشند که دارای پتانسیل کاربرد در دستگاه های الکترونیکی می باشد معمولا این خازن ها دارای دو الکترود می باشد که بوسیله یک ماده عایق که در دستگاه های الکتروشیمیایی به صورت یونی هادی می باشد از یکدیگر جدا شده اند . ظرفیت یک ابر خازن الکتروشیمیایی با جدایش بین بار روی الکترود و بار مخالف موجود در الکترولیت نسبت معکوس دارد. به علت اینکه این جدایش ها برای نانو لوله در حد یک نانو متر در الکترود هستند ، ظرفیت های بزرگی به علت سطح بالای قابل دسترس برای الکترولیت ایجاد می شود دراین حالت با اعمال ولتاژ کم می توان میزان زیادی شارژ ذخیره کرد.
الکترونیک و ساخت میکرو چیپ ها :
این امر که نانو لوله ها می توانند هادی جریان باشند و یا مانند یک نیمه هادی و یا یک نیمه رسانا عمل کنند خود باعث شده تا در صنایع الکترونیک مانند مدارهای منطقی که با تعداد زیادی ترانزیستور ساخته شده اند کاربرد وسیعی پیدا کنند.
صنایع اتومیبل سازی و هوا فضا:
فیبرهای کربن امروزه برای تقویت محدوده وسیعی از مواد بکار می روند. نانو لوله های کربن دارای خواص ویژه ای می باشند از جمله اینکه دارای مقاومت کششی بیست برابر و نسبت استحکام به وزنی صد برابر فولاد می باشند. امروزه از نانو لوله ها برای استحکام بخشی به نانو کامپوزیت ها ، پلیمرها و سیمان استفاده می شوند. به علت چگالی پایین این مواد دارای کاربرد وسیعی در زمینه اتومبیل و هوا فضا می باشند.
خواص الا ستیکی نانو لوله ها:
تغییر شکل نانو لوله ها به خصوص در نانو لوله ها کربن تک دیواره ؛به شدت الاستیک می باشد ، الاستیک بودن یک یکدیگر از خواص کاربردی بسیار مناسب نا نولوله ها به شمار می رود . برای مثال اگر از این مواد درساخت یک اتومبیل استفاده شود آنگاه پس از تصادف تمامی کمانش ها و تاب خوردگی ها باز شده و ماده هیچ گونه اثری از صدمه دیدن را از خود نشان نخواهد داد . از دیگر کاربردهای این مواد می توان به ساختمانهای ضد زلزله والمان هایی برای ساخت پل ها اشاره نمود . البته مشکلات و مسایل بسیاری وجود دارد که باید تحقیقات زیادی صورت گیرد تا بر این مشکلات غلبه شود .
مقدمه ای بر تحقیقات گذشته در ضمیمۀ نانو لوله ها:
پس از اختراع نانو لوله کربنی درسال 1991 توسط ایجیما ] 1 [ محقیقین متوجه وجود خواص مغناطیسی و مکانیکی در این مواد شدند لذا از آنها به عنوان موادی کاربردی در ساخت نانو دیوایس و نانو کامپوزیت استفاده کردند.
برای شبیه سازی نانولوله ها ار دو روش استفاده می کنیم:
1- روش (MD ) که بر پایۀ محاسبۀ حرکت ذرات استوار است وروش سختی می باشد که برای سیستم های بزرگ قابل اعمال نمی باشد.
2- روش کانتینیوم مکانیک : روش خوبی برای تحلیل خواص الاسیتک می باشد.
استفاده از این روش ابتدا در سال 1997 توسط ونگ ] 2 [ و فالوو ]3 [ انجام شد در سال 2000 روو از این روش استفاده نمودند و کمانش نانو لوله های تک لایه را تحت فشار زیاد برسی کردند. ] 4 [ . درسال 2002 ات ال ارتعاشات شعاعی بین لایه ای را دریک نانولولۀ چند لایه توسط تئوری اویله ی مورد برسی قرار دارند. ] 6 [و ] 5 [وی در مطالعات خود دریافت طول موج گسیل شده
درنانولوله چند ین برابر قطرنانولوله می باشد ] 7 [ یونگ در سال 2003 ] 8 [ و وانگ درسال 2005 ] 9 [ تحقیقات خود را بر پایه را بر پایۀ ارتعاشات وحرکت موج درنانو لوله ها تحت تئوری تیر تیمو شنکویی یک لایه و دو لایه ادامه دادند و پی به اهمیت اثر ضریب شکل (نسبت طول نانو لوله به قطر آن ) در نتایج خود بردند.
یون در تحقیق خودآثار همان چرخش و تغییر شکل برش در انتشار موج عرض دریک نانو لولۀ کربن دریک رنج تراهرتزبرسی کرد. او جزئیات نتایج را برای سرعت انتشار موج در نانو لولۀ دولایه بر پایۀ تئوری تیموشنکو و تئوری اویلری برسی نمود.
نتایج نشان می دهد در برخی از فرکانس های بحرانی سرعت موج عوض می شودو ممان چرخشی و تغییر شکل برش اثر مهمی رابرروی سرعت موج و فرکانس بحرانی دارد. مخصوصاً برای نانولوله های کربنی باشعاع بزرگ انتشار امواج عرض بهتر است توسط تیر تیموشنکویی مدل شود تا تیراویلری او در مدل سازی خود فرضیات رارعایت نمود از قبیل این که لوله های به صورت موازی و هم مرکزباشند ودر یک از لایه های داخل و خارجی تیر رابه صورت یک تیرالاستیک مدل نمود وی نیروی و اندروالس بین لایه ای را به صورت خطی و متناسب با فاصلۀ بین دو لایه مدل کرد.
وانگ یک نانو لولۀچند لایه را به عنوان یک تیرالاستیک مدل نمود که در بین لایه ها نیروی و اندورالس موجود می باشد. او برخلاف یون علاوه بر تاثیر نیروی بین لایه های اثر محیط الاستیک را نیز بر روی نانولوله با توجه به تئوری وینک لر برسی نمود وی نانو لوله ها را به صورت افقی مدل نمود .
و از تئوری فیلی گیشل برای تحلیل آنها استفاده نمود در این تحقیق آثار ممان اینرسی ، ماتریس نرمی و فرکانس بحرانی و نسبت دامنه ها ی بین دولایه مجاور توصیف و بحث شد و نتایج عددی مقایسه شد.
کونگ ] 10 [ و لی ] 11 [ از نانو لوله ها به عنوان حسگرهای شیمیایی ومکانیکی استفاده کردند تئوری حاکم بر حسگرها بر پایۀ محاسبه فرکانس طبیعی ( فرکانس تشدید)هنگامی که تحت با محوری قرار دارد می باشد. زنگ ات آل در سال 2005 فرکانس یک تیر دولایه را تحت بارفشاری
محوری برسی نمود. ] 12 [ در سال 1972 ارینگن از تئوری غیر کلاسیک استفاده نمودو اثر کوچکی مقیاس را در نانو لوله ها برسی نمود. ] 13 [ در این تئوری تنش در هر نقطه به صورت تابعی از کرنش و در تمام نقاط پیان شده حال آن که در مکانیک محیط پیوسته فرض شده که تنش بیان شده در هر نقطه تابعی است که از کرنش در همان نقطه بنابراین تئوری مکانیک غیر کلاسیک
پیوسته اطلاعاتی را در باب رنج نیروهای بین اتم های به ما می رسد .پدیسون در سال 2003 از تئوری غیر کلاسیک الاستیک تر استفاده نمود و یک تیر برنولی رامدل نمود ] 14 [ بعد از آن زانگ ات ال درسال 2006 از این تئوری استفاده نمود و اثر کوچکی اندازه را در نانو لوله های کربن لحاظ نمود. ] 15 [ وانگ ات ال در تحقیق دیگری آثار گسترش موج را بر روی نانولوله های چند لوله مورد برسی قرار داد] 16 [ 2006 آی دو هو ارتعاشات وکمانش نانو لوله من دو لایه با تیکه گاه ساده تحت بارهای صفحه ای و توسط تئوری تیر تیموشنکویی غیر کلاسیک را مورد برسی قرار داد اواثر نیروهای درون صفحه ای را در فرکانس های طبیعی محاسبه نمود .
او در معادلات خود پارامتر e.a که توسط ارتیگن مطرح شده و بیانگر اثر کوچکی درنانولوله ها می باشد را بیان نمود این پارامتر توسط آزمایش و یا با بسط دادن منحنی های موج توسط دینامیک شبکه اتمی محاسبه می شود و با صفحه فرار دادن رابطۀ فوق مدل غیر کلاسک تبدیل به مدل تیرتیموشنکویی کلاسیک می شود همانند قبل فرض شده نانو لوله ها به صورت فهم مرکز و موازی هم می باشند و هر کدام از لایه های داخلی و خارجی را به عنوان یک تیر مدل می کنیم نیروی و اندروالس بین لایه ها نیز به صورت خطی مدل شده و توسط آن لایه های داخلی و خارجی را به هم کوپل می کنند.
نمودارهای زیر پاره ای از نتایج را نشان می دهد.
