پاورپوینت نانولوله های کربنی

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

بسم الله رحمن رحیم

موضوع:نانولوله های کربنی

اسلاید 2 :

خلاصه ای ازتفاوت های نانو با فناوری های دیگر نانو:تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوريهاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار ميگيرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نيست؛ بلكه زماني كه اندازه مواد دراين مقياس قرار ميگيرد، خصوصيات ذاتي آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگي و . تغيير مييابد. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، ميتوانيم وجود "عناصر پايه" را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص شان در مقياس بزرگتر فرق ميكند.

اسلاید 3 :

نانو ذرات نسبت به مواد بزرگ خواص بخصوصي را از خود نشان مي دهند، براي مثال خم شدن مس توده اي بصورت سيم يا نوار و غيره با حرکت اتم هاي مس در اندازه حدود 50 نانومتر رخ مي دهد. نانو ذره مس در اندازه کوچکتر از 50 نانومتر جزء مواد فوق سخت است که انعطاف پذيري و چکش خواري مثل مس حجيم ندارد. اين تغيير در خواص هميشه هم مطلوب نيست. مواد فروالکتريک کوچکتر از 10 نانومتر مي توانند جهت مغناطيس شدن خود را با استفاده از انرژي گرمايي اطاق تغيير دهند و بنابراين از آنها نمي توان بعنوان حافظه جهت ذخيره سازي اطلاعات استفاده کرد.

نانوذرات نسبت سطح به حجم بسيار بالايي دارند. به اين ترتيب نفوذپذيري بسيار بالايي مخصوصا در دماهاي بالا دارند. کلوخه شدن ممکن است در دماهاي پايين تر در زمان کوتاهتري نسبت به ذرات بزرگتر رخ دهد. اين حقيقت بصورت نظري چگالي محصول نهايي را تغيير نمي دهد در حالي که دشواري جريان و تمايل نانوذرات به کلوخه شدن قضايا را پيچيده مي کند. اثرات سطح نانو ذرات همچنين نخستين دماي ذوب را کاهش مي دهد

اسلاید 4 :

خواص نانو ذرات : 

نانو ذرات توجه زياد دانشمندان را به اين دليل به خود جلب کرده است زيرا آنها پلي ميان مواد بزرگ و ساختارهاي اتمي و مولکولي ايجاد مي کنند. ماده بزرگ (توده اي) بايد خواص فيزيکي ثابتي داشته باشد بدون توجه به اندازه آن اما در سطح نانو چنين چيزي صحت ندارد. خواص وابسته به اندازه مانند محصورشدگي کوانتمي در ذرات نيمه هادي، رزونانس پلاسمون سطحي در بعضي ذرات فلزي و ابرپارامغناطيسي در مواد مغناطيسي مشاهده مي شوند.

خواص مواد هنگامي که اندازه آنها به سطح نانو نزديک مي شود تغيير مي کند و درصد اتم هايي که در سطح يک ماده است اهميت پيدا مي کند. براي مواد بزرگ، بزرگ تر از يک ميکرومتر درصد اتم هايي که در سطح است نسبت به تعداد کل اتم هاي ماده ناچيز مي باشد. خواص جالب و گاهي غيرمنتظره نانوذرات تا حدودي بخاطر ابعاد سطحي ماده است که اين خواص را تحت تاثير دارد.

اسلاید 5 :

با توجه به ترکيب شيميايي، اين ذرات به انواع فلزي، سراميکي، پليمري و نيمههادي تقسيم ميشوند.علاوه بر اين نانوذرات ترکيبي نظير ساختارهاي هسته لايه را نيز در بر ميگيرند. همچنين نانوكرهها، نانوميلهها، و نانوفنجانها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته مي شوند. نانوذرات در اندازههاي پايين نانوخوشه به حساب ميآيند. نانوبلورها و نقاط كوانتومي نيمه هادي نيز زيرمجموعه نانوذرات هستند.

اسلاید 6 :

نانو لوله كربني (CNT)

نانو لوله هاي كربني از صفحات كربن به ضخامت يك اتم و به شكل استوانهاي توخالي ساخته شده است در سال 1991 توسط ساميو ايجيما (از شركت NEC ژاپن) كشف شد. خواص ويژه و منحصر به فرد نانو لوله هاي كربني (CNT) ازجمله مدول يانگ بالا و استحكام كششي خوب از يك طرف و طبيعت كربني بودن نانولولهها (به خاطر اين كه كربن مادهاي است كم وزن، بسيار پايدار و ساده جهت انجام فرايندها كه نسبت به فلزات براي توليد ارزانتر ميباشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقيقات مهمي در كارايي و پرباري روشهاي رشد نانو لولهها باشي 
كارهاي نظري و عملي زيادي نيز بر روي ساختار اتمي و ساختارهاي الكتروني نانو لوله متمركز شده است.

اسلاید 7 :

تركيب اسپین و مدار چرخش الکترون در نانو لوله های کربنی 

در یک نانو لوله ی کربنی، الکترون ها می توانند به طور ساعتگرد یا پادساعتگرد حول لوله بچرخند. ظاهراً به نظر می رسد که ویژگی حرکت اسپینی الکترون(چرخش به دور خود) نیز خاصیتی مشابه داشته باشد ولی طی پژوهشی که فیزیک دانان دانشگاه کرنل انجام دادند معلوم شد که این طور نیست.

به گزارش خبرگزاری برق، الکترونیک و کامپیوتر ایران(الکترونیوز) و به نقل از فیزورگ، طبق پژوهش انجام گرفته، پژوهشگران که امیدوار بودند از نانو لوله های کربنی برای محاسبات کوانتومی استفاده کنند احتمالاً بایستی روش های خود را عوض کنند. گفتنی است برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده از نانو لوله های کربنی، اسپین یک اتم نشانگر یک بیت داده می باشد

اسلاید 8 :

فیزیک دانان دانشگاه کرنل دریافتند که اسپین یک الکترون در یک نانو لوله کربنی تزویج می شود یعنی با مدار چرخش الکترون اثر متقابلی دارند. این یافته به این معنی است که پژوهشگران مجبور خواهند بود روش بازخوانی اسپین یا تغییر اسپین را تغییر دهند ولی این یافته، روشی جدید ارائه می دهد که با کنترل مدار چرخش الکترون، اسپین هم قابل کنترل خواهد بود.

این پژوهش در 27 مارس در ژورنال نیچر، توسط اساتید فیزیک دانشگاه کرنل به نام های پل مک یوئن و دنیل رلف و پژوهشگران اسبق این دانشگاه به نام های شهل ایلانی که هم اکنون در مؤسسه ی علوم وایمن اسرائیل فعالیت می کند، و فردیناند کوئیمیث که هم اکنون در دانشگاه هاروارد حضور دارد، گزارش شده است

اسلاید 9 :

نانو لوله های کربنی، استوانه های خیلی ریزی هستند که سطوح جانبی آنها از اتم های کربن ساخته می شود که نهایتاً شکلی شبیه به آرایش شش ضلعی های به هم وصل شده را که تقریباً شبیه یک شبکه ی سیمی لوله شده می باشد، به وجود می آورند. به جای چرخش الکترون های تنها حول هسته ی یک اتم، اتم های آزاد یک نانو لوله پیرامون محیط دایروی لوله می چرخند.

در ضمن، اسپین الکترونی که می چرخد می تواند دو جهت داشته باشد. تاکنون فیزیک دانان اعتقاد داشتند که چهار حالت ممکن برای یک الکترون، همگی با یکدیگر هم ارزند. این چهار حالت از ترکیب دو حالت برای اسپین(در جهت های بالا و پایین) و دو حالت برای جهت چرخش الکترون ها(ساعتگرد و پادساعتگرد) حاصل می شود. پژوهشگران برای امتحان این ادعا، با استفاده از «تسهیلات علم و فن آوری نانو مقیاس دانشگاه کرنل(CNF)»، یک دستگاه ریزی ساختند که شامل یک نانو لوله ی کربنی است با قطر 5 نانومتر و طول 500 نانومتر که بین دو الکترود قرار دارد و این لوله بالای یک ساختار سیلیکونی قرار دارد تا بتواند بارهای الکتریکی مختلفی به لوله تحویل دهد. طراحی این دستگاه امکان ساخت نقطه های کوانتومی را میسر کرد. نقطه های کوانتومی متشکل از تعدادی الکترون است که در طول مسیر به یک الکترون کاهش می یابد

اسلاید 10 :

پژوهشگران با اعمال یک میدان مغناطیسی در طول محور لوله و اندازه گیری جریان گذرنده توانستند سطوح انرژی الکترون ها را در چهار حالت ممکن که از ترکیب اسپین و مدار چرخش به وجود می آمد، مشخص کنند. آنها دریافتند که با تغییر جهت چرخش الکترون، انرژی هم تغییر می کند. جهت چرخش الکترون روی اسپین تأثیر می گذارد و بر عکس.

ایلانی گفت: "با وجود این، نمی توان استفاده از نانو لوله ها در محاسبات کوانتومی را کنار گذاشت بلکه باید قوانین جدیدی برای طراحی آنها در نانو لوله ها مشخص کرد. از نقطه نظر فیزیک پایه این نکته جالب توجه است که این توپولوژی استوانه ای منحصر به فرد نانو لوله ها است که به الکترون ها اجازه می دهد که مدارهای چرخش مشخصی داشته باشند و به تبع آن این ترکیب به وجود می آید."

مشابه همین آزمایش برای حفره ها انجام گرفت. حفره، جای خالی الکترون است و معادل با حرکت بارهای مثبت در طول لوله می باشد. باز اعتقاد بر این بود که انرژی یک حفره می تواند همانند یک الکترون با اسپینی مشابه به آن باشد ولی آزمایش خلاف این را نشان داد

اسلاید 11 :

نانو لوله كربني- روشهاي توليد
 
بعد از آن كه در سال 1991 ايجيما اولين نانو لوله را دركربن دودهاي حاصل از تخليه قوس الكتريكي مشاهده كرد، محققان زيادي در جهت بسط و گسترش روشهاي رشد برآمدهاند تا بتوانند مواد خالصتر با خواص كنترل شده مورد نظر توليد كنند. اما با آن كه روشهاي زيادي براي توليد نانو لولههاي كربني ارائه شده است، سنتز آن ها در دماي اتاق تاكنون به صورت مشكلي لاينحل باقي مانده است.

دانشمندان تاكنون نانو لوله كربني را در محدوده دمايي 200 تا700 درجه سانتيگراد با بازده كمتر از 70 درصد و حتي پس از چندين بار خالصسازي با درجهخلوص حداكثر 95 -70 درصد توليد كردهاند. در زير چند روش عمده در سنتز نانولولهها مورد بحث اجمالي قرار ميگيرد. بدون شك بهينه سازي و كنترل اين روشها ميتواند توان بالقوه نانو لولهها را پديدار نمايد.

اسلاید 12 :

روش تخليه قوس
در اين روش اتمهاي كربن به وسيله عبور جريان بالا از دو قطب آندو كاتد در داخل پلاسماي گاز هليم داغ شده و بخار ميشوند.
 
روش تابش ليزر
در اين روش پالسهاي قوي شده اشعه ليزر به طرف يك هدف كربني كه شامل 5 درصد اتمي نيكل و كبالت است پرتاب ميشوند.
 
رسوب بخار شيميايي (CVD)
اين روش شامل حرارت دادن مواد كاتاليزوري تا درجه حرارت هاي بالا در يك كوره لولهاي شكل و عبور يك گاز هيدروكربني در سراسر لوله براي يك مدت زمان معين ميباشد.
 
.

اسلاید 13 :

دو روش تخليه قوس و تابش ليزر براي زمان طولاني، روشهاي تقريباً كاملي براي توليد نانو لولههاي تك جداره بودند. اما از آنجايي كه هر دو روش مبتني بر بخار اتمهاي كربن درون محفظه كوچك هستند اولاً ميزان توليد نانو لوله پايين ميباشد، ثانياً نانو لولههايي كه به صورت تبخيري تهيه ميشوند به صورت در هم پيچيده هستند؛در اين صورت براي خالص و تميز كردن آن ها با مشكل مواجهاند.

روش رسوب بخار نيز با چالشهايي مواجه است چرا كه براي توليد نانولولههاي كربني چند جداره چگالي بالايي از عيوب در ساختارشان به وجود ميآيد. اين عيوب به خاطر دماي پايين رشد ميباشد كه مقدار انرژي لازم براي بازپخت (آنيل) نانولوله و تكميل ساختارش را فراهم نميكند. همچنين اين روش منجر به مداري شامل هر نوع نانو لولههاي هادي و نيمههادي ميشود. همچنين رشد نانو لوله ها دلخواه بوده و قطر آن ها بزرگ است در حالي كه نانولولههاي با قطر كمتر در كليد زني مناسبترند. با اين وجود تمركز محققان بر روي روش رسوبدهي بخار است زيرا توليد انبوه در حد كيلوگرم را ميسر ميسازد و ميتوان كنترل قابل قبولي بر مكانيزم رشد داشت.

اسلاید 14 :

1) کاربرد نانوذرات در باتريها وپيلهاي سوختي 

2) روانكنندهها 

3) پزشكي و داروسازي 

4) دارو رساني

5) محافظتكنندهها 

6) آناليز زيستي و تشخيص پزشكي 

7) لوازم آرايشي

8) و تجزيه آلايندههاي محيط زيست

-کاربرد ها:

اسلاید 15 :

كاربرد نانو لوله كربني (CNT)
 
 
وجود يك سري مختصات ويژه نانو لولههاي كربني، آن ها را به انتخاب ايده آلي براي بسياري از كاربردها تبديل كرده است.

امروزه در روند تحقيق درباره نانو لولهها توجه و تعمق ويژهاي بر روي استفاده از آن ها در ساخت ابزارها متمركز شده است. اكثر پژوهشگراني كه در دانشگاهها و آزمايشگاههاي تحققاتي سرتاسر دنيا بر روي نانو لولهها كار ميكنند با خوشبيني پيشبيني ميكنند كه در آيندهاي نزديك نانو لولهها كاربردهاي صنعتي وسيعي خواهند داشت.
هماكنون امكان ساخت ابزارهاي بسيار جالبي وجود دارد، اما در خصوص موفقيت تجاري آن ها، بايد در آينده قضاوت كرد. تقريباً تمام مقالات به طور ضمني به كاربرد نانو لولهها و بهرهبرداري تجاري از آن ها در آينده اشاره دارند. آينده كاربرد نانو لولهها در بخش الكترونيك روشن است؛ خواص الكتريكي و پايداري شيميايي بي بديل نانو لولهها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از اين خواص سوق خواهد داد. بنابراين در ادامه به شرح چند مورد از حوزههاي مهم كاربرد نانو لولهها مي پردازيم.

اسلاید 16 :

ترانزيستورها

نانو لولهها در آستانه كاربرد در ترانزيستورهاي سريع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلي استفاده ميشوند. بسياري از طراحان دستگاهها تمايل دارند به پيشرفتهايي دست يابند كه آن ها را به افزايش تعداد اتصالات داخلي دستگاهها در فضاي كوچك تر، قادر نمايد. ترانزيستورهاي ساخته شده از نانو لولهها داراي آستانه ميباشند (يعني سيگنال بايد از يك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزيستور بتواند آن را آشكار كند) كه ميتوانند سيگنالهاي الكتريكي زير آستانه را در شرايط اختلال الكتريكي يا نويزآشكار و رديابي نمايند. همچنين از آنجايي كه ضريب تحرك، شاخص حساسيت يك ترانزيستور براي كشف بار يا شناسايي مولكول مجاور ميباشد، لذا ضريب تحرك مشخص ميكند كه قطعه تا چه حد ميتواند خوب كار كند. ضريب تحرك تعيين ميكند كه بارها در يك قطعه چقدر سريع حركت ميكنند و اين نيز سرعت نهايي يك ترانزيستور را تعيين مينمايد.

لذا اهميت استفاده از نانو لولهها و توليد ترانزيستورهاي نانو لولهاي با داشتن ضريب تحرك برابر با 100 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه در مقابل سيليكون با ضريب تحرك 1500 سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه و اينديم آنتيمونيد (بالاترين ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضريب تحرك 77 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه بيش از پيش مشخص ميشود.

اسلاید 17 :

حسگرها

حسگرها ابزارهايي هستند كه تحت شرايط خاص، از خود واكنشهاي پيشبيني شده و مورد انتظار نشان ميدهند. شايد دماسنج را بتوان جزء اولين حسگرهاي كه بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسايل الكترونيكي و تحولات عظيمي كه در چند دهه اخير و در خلال قرن بيستم به وقوع پيوسته است، امروزه نياز به ساخت حسگرهاي دقيقتر، كوچك تر و با قابليتهاي بيشتر احساس ميشود.

حسگرهايي كه امروزه مورد استفاده قرار ميگيرند، داراي حساسيت بالايي هستند به طوري كه به مقادير ناچيزي از هر گاز، گرما يا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسيت، بهره و دقت اين حسگرها نياز به كشف مواد و ابزارهاي جديد دارد. با آغاز عصر نانوفناوري، حسگرها نيز تغييرات شگرفي خواهند داشت. يكي از نامزدهاي ساخت حسگرها، نانو لولهها خواهند بود. با نانو لولهها ميتوان، هم حسگر شيميايي و هم حسگر مكانيكي ساخت. به خاطر كوچك و نانومتر بودن ابعاد اين حسگرها، دقت و واكنش آن ها بسيار زياد خواهد بود، به گونهاي كه حتي به چند اتم از يك گاز نيز واكنش نشان خواهند داد.

اسلاید 18 :

تحقيقات نشان ميدهد كه نانو لولهها به نوع گازي كه جذب آن ها ميشود حساس مي باشند؛ همچنين ميدان الكتريكي خارجي، قدرت تغيير دادن ساختارهاي گروهي از نانو لولهها را دارد؛ و نيزمعلوم شده است كه نانو لولههاي كربني به تغيير شكل مكانيكي از قبيل كشش حساس هستند. گاف انرژي نانو لولههاي كربني به طور چشمگيري در پاسخ به اين تغيير شكلها ميتواند تغيير كند. همچنين ميتوان با استفاده از مواد واسط، مانند پليمرها، در فاصله ميان نانو لولههاي كربني و سيستم، نانو لولههاي كربني را براي ساخت زيست حسگرها نيز توسعه داد. تحقيق در زمينه كاربرد نانو لولهها در حسگرها در حال توسعه و پيشرفت است و مطمئناً در آيندهاي نه چندان دور شاهد بكارگيري آن ها در انواع مختلف حسگرها (مكانيكي، شيميايي، تشعشي، حرارتي و ..) خواهيم بود.

اسلاید 19 :

نمايشگرهاي گسيل ميداني

بسياري از متخصصان بر اين باورند كه فناوري نمايشگرهاي با صفحه تخت امروزي از نظر هزينه، كيفيت و اندازه صفحه نمايش، براي مصارف خانگي مناسب نيستند. آن ها معتقدند كه با استفاده از نمايشگرهايي كه از نانو لولههاي كربني به عنوان منبع انتشار استفاده ميكنند، مي توانند اين مشكلات را بر طرف كنند .

نانو لولههاي كربني ميتوانند عنوان بهترين گسيل كننده ميداني را به خود اختصاص داده و ابزارهاي الكتروني با راندمان وكارايي بالاتري توليد كنند. خصوصيات منحصر به فرد اين نانو لولهها، توليدكنندگان را قادر به توليد نوعي جديد از صفحه نمايشهاي تخت خواهد ساخت كه ضخامت آن ها به اندازه چند اينچ بوده و نسبت به فناوريهاي فعلي از قيمت مناسبتري برخوردار باشد. به علاوه كيفيت تصوير آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.

اسلاید 20 :

در پديده گسيل ميداني، الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك از فيلمهاي ضخيم داراي نانو لوله به سمت صفحه نمايش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن ميشوند. هر نقطه از اين فيلم، يك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكتروني) كوچك است كه تصوير را روي صفحه نمايش ايجاد ميكند. ولتاژ لازم براي نمايشگر گسيل ميداني از طريق صفحه نمايش صاف متكي بر نانو لوله نسبت به آنچه به صورت سنتي در روش اشعه كاتدي استفاده ميشد، كمتر ميباشد و اين نانو لولهها با ولتاژ كمتر، نور بيشتري توليد ميكنند.