4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 1/15

شنبه24 ٬ اسفند 13:17:00 1387

مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني / نانو تکنولوژی / فناوريهاي نوين علم و دانش/ / مقاالت / صفحه اصلی مسير جاری : مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

شنبه24 ٬ اسفند 1387مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

تهيه کننده : سيدمحمدهادی ميرمطلبی

منبع : راسخون

نانولوله هاي کربني زيستي سلول

يکي از پرکاربردترين ساختارهاي مورد بحث در فناوري نانو که به عرصه علوم زيستي وارد شده است٬ نانولوله هاي کربني هستند. اين

نانوساختارها٬ به جهت بهره مندي از ويژگي هاي منحصربه فرد فيزيکي و شيميايي بالقوه٬ از توانايي هايي براي استفاده در حسگر هاي

از پيش  اما  برخوردارند.  تشخيصي  روش هاي  و  سلول ها  به  سيگنال   فرستنده  بافتي٬  داربست  بيولوژيک٬  نمونه هاي  الکتروشيميايي  جستجوي  مولکولي٬  نقل  و  حمل  زيستي٬ 

اين منظور پژوهش هاي زيادي صورت گرفته است که تا حدودي سميت اين ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به  از سازگاري  به کارگيري نانولوله هاي کربني در موجودات زنده٬ بايد 

نانولوله هاي کربني و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز٬ ساختمان٬ دنباله هاي شيميايي٬ سطح فعال و خلوص را مشخص نموده است. دانشمندان تاکنون توانسته اند از نانولوله هاي کربني در

حسگرهاي پروتئيني٬ ناقل هاي پروتئيني٬ ميکروسکوپ ها٬ داربست بافتي سلول استخواني و عصبي٬ کانال هاي مولکولي و فرستنده سيگنال به سلول هاي عصبي استفاده کنند.

1. معرفي نانولوله هاي کربني 

1­1. تاريخچه

به نظر مي رسد اولين رشته هاي در مقياس نانو در سال 1970 ميالدي توسط Marinobu Endo از دانشگاه اورلئان فرانسه تهيه شد. اين رشته ها هفت نانومتر قطر داشتند و با روش

رشد توسط بخار تهيه شده بودند [1]. با اين حال امروزه نام ايجيما از آزمايشگاه NEC در تسوکوبا به عنوان اولين کسي که توسط HR­TEM در سال 1991 موفق به مشاهده نانولوله  ها

شد٬ در صدر محققان اين رشته  باقي مانده است [1و2و3و4]. در همين زمان و به طور مستقل در مسکو نيز دانشمندان موفق به کشف ريز لوله هايي شده بودند که البته نسبت طول به

فاصله دو سال موفق به و وي به  ايجيما موفق به مشاهده آن شده بود نانولوله چند اليه بود  آنچه  ماده را Barrelense گذاردند [1].  اين  ايجيما بود. روس ها نام  از يافتة  آن کمتر  قطر 

مشاهده نانولوله تک اليه نيز گشت. گروه رايس در 1996 موفق به ساخت دسته هاي موازي از نانولوله تک اليه شدند که راه را براي تحقيقات بيشتر روي فيزيک کوانتوم تک بعدي باز

کرد [1].

1­3. روش هاي توليد 

روش هاي توليد نانولوله هاي کربني به اختصار شامل موارد زير است[2]: 

• تبخير يا سايش ليزري (Laser Vaporization/ablation)؛ 

• رسوب  دهي شيميايي بخار به کمک حرارت (CVD)؛

• رسوب دهي شيميايي بخار به کمک پالسما (PECVD)؛ 

• رشد فاز بخار؛

• الکتروليز؛

• سنتز شعله.

1­2. ساختار

نانولوله بر اساس ساختمان گرافيت بنا مي شوند. گرافيت از اليه هاي مجزايي متشکل از اتم هاي کربن تشکيل شده  است که به صورت واحد هايي شش ضلعي که در شش رأس آن اتم

کربن قرار دارد آرايش يافته اند. قطر نانولوله بين يک تا دو نانو متر و طول آن گاه تا چند ميکرومتر نيز مي رسد. انتهاي هر دو سوي نانولوله ها مي تواند با نيمه  اي از يک فولرين مسدود

انتهاي خود عالوه بر اجزاي شش ضلعي داراي اجزاي پنج ضلعي نيز  باشد[3]. اما مهم  ترين ويژگي که در تعيين خصوصيات نانولوله ها نقش بازي  باشد يا نباشد [1]. و لذا مي تواند در 

مي کند٬ با عنوان Chirality يا پيچش شناخته مي شود [1و2و4و5]. 

انواع داراي اين  از  است؛ هر يك   SWNT اختصاري نام  با  نانولوله هاي تک اليه  و   MWNT اختصاري نام  با  اليه  نانولوله چند  فرم  آنها به دو  نانولوله ها حضور  ويژگي هاي ساختاري  از ديگر 

کاربرد هاي متفاوتي هستند. 

2. ويژگي هاي زيستي نانولوله هاي کربني

از دو بعد را  متنوعي نيز داشته باشند. در يک تقسيم بندي ساده مي توان بر هم کنش هاي زيستي نانولوله ها  از ذهن نيست که کاربرد هاي  متنوع نانولوله ها٬ دور  وجود خصوصيات  با 

درون سلولي و برون سلولي مورد بررسي قرار داد. به طور کلي مهم ترين عناوين کاربرد هاي نانولوله ها از ديد بيولوژيک عبارتند از: 

• حسگر هاي زيستي؛

• حمل و نقل ملکولي؛

• جستجوي الکتروشيميايي نمونه هاي بيولوژيک؛

• داربست بافتي؛

• فرستنده سيگنال  به سلول ها؛

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 2/15

• روش هاي تشخيصي. 

اما يکي از مهم ترين مباحث در راه استفاده از کارايي هاي نانولوله در بافت زنده٬ سازگاري زيستي آن است. لذا ابتدا مطالعات صورت گرفته در اين زمينه را مرور مي كنيم. 

1­4. خصوصيات فيزيکي و شيميايي 

نانولوله ها علي رغم برخورداري از قطر بسيار کم٬ استحکام کششي بااليي در حدود صد گيگاپاسکال دارند [2و5]. از ديگر خصوصيات نانولوله ها وجود پيوند هاي واندروالس بين اتم ها(و

لذا توانايي بسيار پايين آنها براي چسبيدن به يکديگر)٬ خواص الکتريکي منحصر به فرد (نانولوله فلزي و نيمه هادي) [1و2و3و5]٬ رسانايي تنها در جهت طولي [1و2]٬ رسانايي حرارتي و

خاصيت نشر ميداني [2و6و7] است. خاصيت نشر ميداني در ساختار هايي که داراي نسبت طول به قطر باال (بزرگ تر از هزار) ٬ داراي رأس اتمي تيز٬ ثبات باالي حرارتي و شيميايي و

هدايت باالي الکتريکي و گرمايي باشند٬ ديده مي شود [7و8].

2­1. ساز گاري زيستي 

جلب نظر دانشمندان به سازگاري زيستي نانولوله ها و اثرات مضر احتمالي آنها بر سلول ها٬ به اين واقعيت برمي گردد که در سال هاي اخير با افزايش روز  افزون کاربرد هاي نانولوله ها  در

صنعت و حضور بيشتر آنها در محيط٬ ارتباط معنا  داري بين آنها و بيماري هايي از جمله بيماري هاي تنفسي [9] و پوستي [10] پيدا شده است. اين امر مراکز علمي و تحقيقاتي را بر آن

آن تأثير چنداني بر و هم خانواده هاي  ابتدا نشان مي داد که نانولوله  اين تأثيرات٬ يعني تأثير نانولوله بر سلول بپردازند. علي رغم مطالعاتي که در  داشته  است تا به بررسي اساسي 

عوامل وجود  و  زمان٬ خلوص  قطر٬  به  دوز٬ نسبت طول  مساحت٬  فيزيکي٬  ابعاد  مشخص شده است که شاخص هايي چون  امروزه   ٬[11] ندارند  سلولي  تکثير  و  رشد  مورفولوژي٬ 

تمرکز مذکور  متغير هاي  از  يکي  روي  مطالعات صورت گرفته  از  يک  [12و13و14و15]. هر  مؤثرند  نانولوله  سيتوتوکسيتي  در خاصيت  نوبه خود  به  يک  به سطح٬ هر  متصل  شيميايي 

بيشتري دارند٬ اما به نظر مي رسد که دوز٬ خلوص و حضور دنباله هاي شيميايي متصل به سطح از موارد مهم تر باشند. 

مطالعات نشان داده اند که آستانه اثر کشندگي نانولوله براي نانولوله هاي چند ديواره و تک ديواره ٬ حدود 06/3 ميکروگرم در ميلي ليتر است که اين رقم در برابر C60 (فولرين) که تا 226

ميکروگرم در ميلي ليتر نيز اثر کشندگي براي سلول ندارد٬ رقمي قابل توجه است [16]. آخرين و مهم ترين مقاله منتشر شده در اين زمينه توسط انجمن شيمي آمريکا٬ در مقايسه اي

بين سيتوکسيتي SWCNT ٬MWCNT٬ کوارتز و ٬C60 به ترتيب توان کشندگي اين مواد براي سلول را به اين شکل بيان مي کند: 

SWCNT > MWCNT > کوارتز > C60

نکته جالب آن است که اگر چه با افزايش دوز نانولوله در محيط کشت٬ اثر کشندگي آن نيز افزايش مي يابد٬ اما اين ارتباط٬ خطي و منظم نيست [15]. نکته ديگر در مورد اثر دوز اينکه

نانولوله در دوز هاي پايين اثري عکس اثرات آن در دوز هاي باال دارد. 

بررسي ها نشان مي دهد که نانولولة خالص داراي اثرات سمي بيشتري نسبت به نوع ناخالص آن است[12]. اما مهم تر از خلوص٬ اثر عوامل شيميايي بر روي سطح نانولوله است که

موجب تسهيل نوبه خود  به  مي گويند که   (Functionalization) فعال سازي را  نانولوله  روي سطحِ  بر  عوامل شيميايي  نمودن  اضافه   .[13] مي شود  آن  اثرات سمي  موجب کاهش 

به کارگيري نانولوله در صنايع مي گردد. 

و بعضًا نانولوله٬ پاسخ  هاي گسترده  با  مواجهه  اختصاص دارند. به طور کلي سلول ها در  آن  از  مرگ سلولي ناشي  مستقيم  علت  و  نانولوله در سلول  اثر  مطالعات به نحوة  از  برخي 

و رشد سلولي پاسخ هاي متابوليسم٬ تنظيم سيکل سلولي  و نقل سلولي٬  مؤثر در حمل  فعال سازي ژن هاي  از:  عبارتند  اين پاسخ هاي سلولي  از خود نشان مي دهند.  متناقضي 

استرسي و اکسيد اتيو٬ توليد و ترشح پروتئين از سلول٬ توقف رشد سلولي و در نهايت آپوپتوز و نکروز [10و14و15و17]. 

طبق مطالعات صورت گرفته٬ نانولوله ها در دوز هاي پايين تر موجب افزايش رشد و متابوليسم سلولي و در دوز هاي باالتر موجب واکنش هاي التهابي و پاسخ هاي ايمني سلولي٬ مشابه

وضعيتي که در برابر تهاجم يک عفونت وريدي از خود نشان مي دهد٬ مي شوند [15]. در واقع مرگ سلول ها در مواجهه با نانولوله ها مشابه ديگر موارد مرگ سلولي٬ ناشي از تشکيل

راديکال هاي آزاد و عوارض ناشي از آن٬ تخليه مواد آنتي اکسيدان و up­regulation برخي از ژن ها و down­regulation برخي از ژن  هاي ديگر است [10و14و17]. 

از: up­regulation بيان ژن هاي مؤثر در سيکل سلولي مثل P38, CdC37, CdC42, hrk, P57, bax, P16 و اثرات نانولوله بر روي بيان ژني که تا به حال کشف شده است عبارت است 

pcdha9, ttk, مثل مرتبط با سيگنال هاي سلولي  و نيز down­regulation بيان ژن هاي   Cyclin D3 و  Cdk4٬ Cdk6 و  Cdk2 مثل مؤثر در سيکل سلول  Down­regulation بيان ژن هاي 

چهار نوع  کالژن  و   FAR و  کادهرين  فيبرونکتين٬  المينين٬  مانند  سلولي  اتصاالت  در  دخيل  پروتئين هاي  بيان   down­regulation القاي  موجب  همچنين   .erk و   jak1,  mad2

مي شوند[14و17]. 

از اين ميان دانشمندان مهم ترين تأثير نانولوله ها را در سيکل ميتوز در مرحله G1 مي دانند و توقف سلول در فاز G1 را عامل اصلي آپوپتوز قلمداد مي کنند[17].

2­2. نانولوله هاي کربني: ابزار هاي قدرتمند زيستي

چنانچه عنوان شد٬ با در نظر گرفته خطرات احتمالي نانولوله ها براي سلول و بافت٬ اين ساختار هاي نانويي بالقوه از کاربرد هاي فراواني در موجودات زنده برخوردارند. اگرچه ترس از عدم

سازگاري زيستي موجب کند شدن روند تحقيقات در اين زمينه شده است٬ با اين حال تاکنون دانشمندان به نتايج قابل قبولي نيز دست يافته اند که در ادامه به آنها اشاره مي شود.

2­2­1. حسگر هاي زيستي

فعال سازي نيز متناسب با خصوصيات مولکول پيوند آنها خواهد شد. دانشمندان دريافته اند که  الکتريکي  و اجزاي نانولوله ها موجب تغيير در قدرت هدايت  هرگونه تغييري در ساختمان 

آنتي بادي هاي و  مطالعاتي روي پروتئين ها٬ کربوهيدارت ها  است[18]. تاکنون  مولکول  منحصر به همان  نانولوله مي شود که  از  و تابش نور  الکتريکي  موجب تغييراتي در هدايت  شده٬ 

مختلف صورت گرفته است که همگي تأييدي بر اين فرضيه بوده اند[18و19و20]. لذا متصور خواهد بود که با حضور هر نوع مولکول در محيط  حاوي نانولوله و اتصال به آن مي توان فرکانس

الکتريکي يا طول نوراني متفاوتي را ثبت کرد و به حضور آن ماده در محيط پي برد. 

2­2­2. حمل و نقل ملکولي

تاکنون مطالعاتي روي توانايي نانولوله ها در جابه جا نمودن مولکول ها صورت گرفته است. اين بررسي ها غالباً به دو دسته تقسيم مي شوند: مطالعاتي که به بررسي عبور مولکول ها از

اول نوع  بنا شده اند[21]. در  اين طريق  از  انتقال  و  نانولوله  به سطح  مولکول ها  اتصال  پايه  بر  مطالعاتي که  و  دارند  اختصاص  آنها [29]  مولکول ها درون  و جاگذاري   [20] نانولوله  درون 

آنها با جايگذاري داروهاي ضد سرطان (مثل سيس پالتين) درون از درون نانولوله شده اند[20]٬  پليمر ها  و بعضاً  از يون ها  آب٬ +٬H برخي  مولکول  عبور  موفق به مشاهده  دانشمندان 

نانولوله ها موفق به انتقال آنها به اطراف سلول و آزادسازي آهستة آنها از درون نانولوله شده اند[29]. در نوع ديگر عموماً نقل و انتقال پروتئين ها توسط نانولوله ها بررسي شده است.

اين مطالعات نشان مي دهند که با فعال سازي نانولوله توسط بنيان اسيدي مي توان قابليت اتصال اين مواد به پروتئين ها را افزايش داد و به اين طريق انتقال پروتئين ها به درون سلول را

تسهيل کرد[21]. البته اين توانايي نانولوله ها به اندازه پروتئين  نيز بستگي دارد و در اندازه هاي بزرگ تر اين توانايي از نانولوله صلب مي شود. در همين رابطه مي توان توانايي نانولوله را

براي انتقال ژن ها به درون سلول نيز ذکر کرد [22]. که البته مطالعات در اين زمينه همچنان ادامه دارد. چنانچه بتوان از نانولوله به عنوان ناقل ژني استفاده کرد٬ مي توان آينده درخشاني

را براي ژن درماني و روش هاي مشابه متصور بود.

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 3/15

2­2­3. داربست بافتي

اخيراً توجه دانشمندان به اين قابليت نانولوله ها جلب شده است که همانند داربست هاي طبيعي بافتي محتوي کالژن٬ مي توانند به عنوان داربست (Scaffold) براي رشد سلول هاي

اطالق ماکاروني  فرم  آن  به  مي يابند که  آرايش  درهم  رشته هايي  به صورت  توليد  نانولوله ها هنگام  مي گيرد که  منشأ  آنجا  از  اوليه  ايده   احتماالً  بگيرند.  قرار  استفاده  مورد  آنها  روي 

مي شود. اين مشابه وضعيت کالژن ها در مايع خارج سلولي است. نام ديگر اين آرايش bucky paper است [19]. 

قابليت تکثير و چسبندگي سلولي نيز اين حال  انواع هستند. در  دانشمندان دريافته  اند که SWCNTهاي بافته نشده (non woven) داراي خاصيت داربستي بيشتري نسبت به ديگر 

افزايش چشمگيري دارد [23]. مهم ترين دستاورد محققان در اين زمينه٬ کشت استئوبالست ها روي نانولوله هاست که به تازگي در مقاله اي توسط محققان دانشگاه کاليفرنيا در سال

2006 منتشر شده است و توجهات زيادي را به خود جلب کرده است. اين يافته راه را براي به کار گيري نانولوله ها در ترميم آسيب هاي سلولي باز مي کند [24]. بيش از اين نيز اتصاالت

محکم استئوبالست ها به داربست نانولوله اي توسط filopodiaهاي شکل گرفته در حين کشت به اثبات رسيده بود [25]. با اين حال مطالعاتي نيز نشان مي دهند که اتصاالت بين سلول و

داربست نانولوله سست بود و سلول ها قادر به نفوذ به داربست نيستند[8]. 

موجب هدايت رشد محيط  نانولوله ها در  اين حال حضور  است. در  ترميم ضايعات نخاعي  نانولوله ها در  به كار گيري  احتمال  اعالم شده است٬  يافته ديگري که توسط دانشگاه کاليفرنيا 

آکسوني مي شود [26]. 

2­2­4. ديگر کاربرد ها

ايجاد داربست مناسب براي الف) فرستادن سيگنال به سلول هاي عصبي [27] که در آن همزمان با  از:  انجام است عبارتند  آنها در حال  امروزه مطالعاتي بر روي  ديگر کاربرد هايي که 

رشد سلول هاي عصبي (توسط فعال سازي مناسب نانولوله ها) مي توان سيگنال هاي الکتريکي را به سلول عصبي فرستاد؛ ب) روش هاي تشخيصي زيستي [28] که اولين مرحله اين

ج) مي کند؛  عمل  پايه  اين  بر   AFM ميکروسکوپ و در حقيقت  ياخته Plasmodium falciparum صورت گرفته است  اين تک  به  آلوده  قرمز  و تشخيص گلبول هاي  ماالريا  روي  بر  کاربرد 

اين ابزاري تحت عنوان «ion­nanotube terahertz osillator» تبديل کرده است. در  آن را به  و  از خاصيت قطبيت پذيري نانولوله ها استفاده  واقع  الکتروشيميايي [20] که در  جستجوي 

حالت يون مورد نظر (مثالً +K) با گيرافتادن در داالن نانولوله با فرکانس باال شروع به حرکت به دو سوي نانولوله مي کند. حاصل اين فرايند ايجاد جريان الکتريکي متناوب با فرکانس باال

خواهد بود که از خارج قابل اندازه گيري است.

3. جمع بندي

قرار استفاده  مورد  عصبي  و  استخواني  عنوان داربست سلولي براي رشد سلول هاي  العاده٬ به  فوق  استحکام  عين حال  و در  باال  االستيسيتة  قدرت  نانولوله هاي کربني به جهت 

قابليت هدايت ويژه الکتريکي نانولوله هاي گرفته اند. به عالوه در عين حال که سلول ها روي شبکه اي تور مانند از اين مواد شروع به رشد و تکثير مي کنند٬ دانشمندان توانسته اند از 

کربني استفاده و از آنها به عنوان راهي براي فرستادن پيام به سلول ها استفاده کنند. اين يافته ها تداعي کنندة نياز مبرم علم پزشکي و مخصوصاً شاخه هاي جراحي پالستيک و پيوند

اعضا٬ به رشد و تکثير و پرورش سلول هاي مورد نظر در خارج از بدن و سپس انتقال آنها به بدن است. در اين فرايند کاستن از رد شدن بافت پيوندي توسط دستگاه ايمني بدن از جايگاه

به را  آنها  مي توان  مواد  اين  ترکيبات  و  تغييراتي در ساختار  با  داده است.  را نشان  آن  نانولوله هاي کربني  زيستي  روي سازگاري  اخير  تحقيقات چند سال  است که  برخوردار  ويژه اي 

ساختمان هايي سازگار با دستگاه ايمني بدن تبديل کرد. به عالوه اتصال محکم سلول ها به اين ساختارها مشکل ديگر پيوند اعضا٬ يعني سستي سلول ها پس از پيوند را مرتفع خواهد

ساخت. 

همچنين قابليت ذخيره سازي مولکول ها در داخل نانولوله هاي کربني٬ درهاي تازه اي را به روي حمل و نقل مواد حاجب و داروها در داخل بدن گشوده است؛ چنانچه هر دوي اين کاربردها

در خارج از بدن انسان به اثبات رسيده اند. مشابه اين کاربرد٬ توانايي نانولوله هاي کربني فعال سازي شده براي اتصال به پروتئين ها و انتقال آنها به داخل سلول است که به تازگي نظر

دانشمندان را به خود جلب نموده است. 

از مهم ترين و اولين کاربردهاي نانولوله هاي کربني در محيط هاي زنده٬ توانايي آنها براي اتصال به مولکول هاي آلي مختلف و امکان جستجوي آن ماده بر اساس تغييرات هدايت الکتريکي

نانولوله بوده است. اين کاربرد٬ از برجسته ترين تقابل هاي علم الکترونيک و بيولوژي در بهره برداري از فناوري نانو بوده است. 

با توجه به آنچه گذشت و طبق اطالعات موجود از امکانات حال حاضر کشورمان٬ به نظر مي رسد که با برقراري ارتباط بيشتر بين محققان علوم زيستي و علوم مهندسي٬ هيچ يک از اين

انگيزه ايجاد  موجود است٬ هدفي به جز  ميان هزاران نانوذرة  از  از نانولوله هاي کربني که تنها يک نانوذره  اکنون دست نايافتني نيستند. در حقيقت ذکر چنين کابردهايي  کاربردها هم 

بيشتر براي ورود مهندسان علوم الکترونيک٬ مواد و شيمي به حوزه علوم زيستي و بالعکس آشنايي بيشتر محققان علوم زيستي با بعد فني و مهندسي فناوري نانو نخواهد داشت.

تركيب اسپين 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 اسپينی الکترون(چرخش به دور خود) نيز

خاصيتی مشابه داشته باشد ولی طی پژوهشی که فيزیک دانان دانشگاه کرنل انجام دادند معلوم شد که این طور نيست.

به گزارش خبرگزاری برق٬ الکترونيک و کامپيوتر ایران(الکترونيوز) و به نقل از فيزورگ٬ طبق پژوهش انجام گرفته٬ پژوهشگران که اميدوار بودند از نانو لوله های کربنی برای محاسبات

از نانو لوله های کربنی٬ اسپين یک اتم نشانگر یک کوانتومی استفاده کنند احتماالً بایستی روش های خود را عوض کنند. گفتنی است برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده 

بيت داده می باشد. 

این معنی است که این یافته به  متقابلی دارند.  اثر  الکترون  مدار چرخش  الکترون در یک نانو لوله کربنی تزویج می شود یعنی با  فيزیک دانان دانشگاه کرنل دریافتند که اسپين یک 

پژوهشگران مجبور خواهند بود روش بازخوانی اسپين یا تغيير اسپين را تغيير دهند ولی این یافته٬ روشی جدید ارائه می دهد که با کنترل مدار چرخش الکترون٬ اسپين هم قابل کنترل

خواهد بود.

این پژوهش در 27 مارس در ژورنال نيچر٬ توسط اساتيد فيزیک دانشگاه کرنل به نام های پل مک یوئن و دنيل رلف و پژوهشگران اسبق این دانشگاه به نام های شهل ایالنی که هم

اکنون در مؤسسه ی علوم وایمن اسرائيل فعاليت می کند٬ و فردیناند کوئيميث که هم اکنون در دانشگاه هاروارد حضور دارد٬ گزارش شده است.

نانو لوله های کربنی٬ استوانه های خيلی ریزی هستند که سطوح جانبی آنها از اتم های کربن ساخته می شود که نهایتاً شکلی شبيه به آرایش شش ضلعی های به هم وصل شده

را که تقریباً شبيه یک شبکه ی سيمی 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 پيرامون محيط

دایروی لوله می چرخند. در ضمن٬ اسپين الکترونی که می چرخد می تواند دو جهت داشته باشد. تاکنون فيزیک دانان اعتقاد داشتند که چهار حالت ممکن برای یک الکترون٬ همگی با

می شود. پادساعتگرد) حاصل  و  الکترون ها(ساعتگرد  برای جهت چرخش  دو حالت  و  پایين)  و  باال  اسپين(در جهت های  برای  دو حالت  ترکيب  از  این چهار حالت  ارزند.  یکدیگر هم 

پژوهشگران برای امتحان این ادعا٬ با استفاده از «تسهيالت علم و فن آوری نانو مقياس دانشگاه کرنل(CNF)»٬ یک دستگاه ریزی ساختند که شامل یک نانو لوله ی کربنی است با

این مختلفی به لوله تحویل دهد. طراحی  الکتریکی  قرار دارد تا بتواند بارهای  این لوله باالی یک ساختار سيليکونی  و  قرار دارد  الکترود  و طول 500 نانومتر که بين دو  5 نانومتر  قطر 

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 4/15

دستگاه امکان ساخت نقطه های کوانتومی را ميسر کرد. نقطه های کوانتومی متشکل از تعدادی الکترون است که در طول مسير به یک الکترون کاهش می یابد.

مدار و  اسپين  از ترکيب  ممکن که  را در چهار حالت  الکترون ها  انرژی  اندازه گيری جریان گذرنده توانستند سطوح  و  محور لوله  مغناطيسی در طول  ميدان  اعمال یک  با  پژوهشگران 

چرخش به وجود می آمد٬ مشخص کنند. آنها دریافتند که با تغيير جهت چرخش الکترون٬ انرژی هم تغيير می کند. جهت چرخش الکترون روی اسپين تأثير می گذارد و بر عکس.

ایالنی گفت: "با وجود این٬ نمی توان استفاده از نانو لوله ها در محاسبات کوانتومی را کنار گذاشت بلکه باید قوانين جدیدی برای طراحی آنها در نانو لوله ها مشخص کرد. از نقطه نظر

فيزیک 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 ترکيب به وجود می آید."

مشابه همين 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 اسپينی مشابه به آن باشد ولی آزمایش خالف این را نشان داد.

استانداردسازي نانولوله هاي کربني

فيزيکي از اندازه گيري مانند متر٬ کيلوگرم٬ ثانيه و نظاير آن باشد و يا مقياس هاي  اندازه گيري است. اين مفهوم مي تواند به معناي يکاهاي  از استاندارد٬ يکاها و مقياس هاي  منظور 

قبيل ميلة يك متري٬ وزنة يک کيلوگرمي و امثال آن را در برگيرد. در مفهوم دوم٬ استاندارد کتابچه يا مجموعة مکتوبي است شامل مقررات و اصولي براي تنظيم امور فني٬ صنعتي٬

علمي و تجاري. بخشي از سهم استانداردسازي فناوري نانو به استانداردسازي نانومواد که نانولوله هاي کربني بخشي از اين گسترة وسيع  هستند مربوط مي شود.  در حال حاضر در

و پيشنهادي  راهبردهاي  و  استانداردسازي  کميته هاي  فعاليت  هاي  از  گوشه اي  به  متن  اين  است.  انجام  حال  در  فناوري نانو  استانداردسازي  روي  گسترده اي  بسيار  فعاليت  دنيا 

برنامه هاي مختلف بين المللي براي استانداردسازي فناوري نانو   اشاره ميكند.

مقدمه

اندازه گيري است. اين مفهوم مي تواند به معناي يکاهاي از استاندارد يکاها و مقياس هاي  به طور کلي واژه استاندارد در دو مفهوم عمده به کار برده مي شود در مفهوم اول منظور 

يا استاندارد کتابچه  مفهوم دوم  را در برگيرد. در  آن  امثال  و  وزنه يک کيلوگرمي  ميله يك متري  قبيل  از  فيزيکي  مقياس هاي  يا  و  آن باشد  و نظاير  ثانيه  متر کيلوگرم  مانند  اندازه گيري 

فناوري نانو براي استانداردسازي  مبني بر  آينده  راهبرد  برنامه 13 سند  با توجه به  و تجاري.  علمي  فني صنعتي  امور  اصولي براي تنظيم  و  مقررات  است شامل  مکتوبي  مجموعه 

اثرات نبود استاندارد بر رشد بازار نانو و شناسايي نيازهاي از: بررسي  فناوري نانو عبارت است  از تجارت جهاني اهداف شناخته شده در استانداردسازي  رسيدن به سهم مناسبي 

اين گستره وسيع هستند از  فناوري نانو به استانداردسازي نانومواد که نانولوله هاي کربني بخشي  از سهم استانداردسازي  اين توليدات. بخشي  استانداردسازي براي توسعه بازار 

مربوط مي شود. در حال حاضر در دنيا فعاليت بسيار گسترده اي روي استانداردسازي فناوري نانو در حال انجام است. گوشه اي از فعاليت هاي کميته هاي استانداردسازي و راهبردهاي

پيشنهادي و برنامه هاي مختلف بين المللي براي استانداردسازي فناوري نانو عبارتند از: 

 ((UK PAS Vocabulary) تهيه شده است BSI که در ماه مي  سال 2005 در انگلستان به وسيله ) فرهنگ اصطالحات و عبارات نانوذرات •

 (ISO/TC229) تأسيس کميته فناوري نانو ايزو •

 .IEEE توسط مؤسسه P1650 تهيه مستندات استاندارد •

اين آماده شد.  ماه ژوئن سال 2005  ارائه در رأي گيري  منظور  استاندارد به  اين  موتورل نسخه پيش نويس  از شرکت   (Dan Gamota) اين گروه کاري دکتر دان گاموتا رئيس  از  به نقل 

استاندارد شامل رويه اي براي تعيين ويژگي هاي الکتريکي يک نانولوله کربني دوجهته است. 

• كشور چين هفت استاندارد ملي در زمينه فناوري نانو تهيه کرده است. 

• در کشورهاي انگلستان ژاپن و آمريکا نيز کميته هاي ملي استانداردسازي فناوري نانو تأسيس شده است.

• در کشور کره يك گروه کاري در زمينه نانولوله هاي کربن تشکيل شده است که در زمينه استانداردسازي اندازه گيري خلوص و پايداري نانولوله ها در محلول ها مطالعه مي کند.

اين گروه همچنين در حال برنامه ريزي به منظور استانداردسازي اندازه گيري ميزان انتشار نانولوله هاي کربني است.

• کميسيون اروپ راهبرد استانداردسازي فناوري هاي نانو را تا سال 2007 تهيه خواهد کرد

• .کره نيز يك کميته تخصصي در ارتباط با نانولوله هاي کربني تشکيل داده است اين كميته در حال حاضر در حال بررسي خواص است.

• کميته E56 سازمان ASTM به وسيله 12 کشور تأسيس شده و داراي گروه هاي کاري زير است:

o اصطالحات

o تعيين ويژگي ها

o ايمني و بهداشت محيط زيست و محيط کار

o قوانين حقوق معنوي

o همکاري هاي بين المللي

o استانداردهاي توليد.

چالش هاي استانداردسازي نانولوله هاي کربني

و نانوالياف به چهار گروه زير تقسيم بندي مي شود: 1. مباحث اقتصادي و و نانولوله هاي کربني و عوامل تأثيرگذار بر کاربرد آن مباحث مربوط به نانولوله ها  با توجه به تاريخچه نانوالياف 

قانوني 2. مباحث ايمني و بهداشت 3. مباحث نقل و انتقال و بسته بندي 4. اطالعات فّني. از لحاظ تاريخچه بررسي نانوالياف و نانولوله هاي کربني مي توان به اين جمع بندي رسيد که

استانداردسازي نانولوله هاي کربني بايد در چارچوب حوزه هاي فوق بررسي شود و به صورت عملياتي مي توان فهميد که موانع زير از جمله موارد تجاري سازي نانوالياف و نانولوله هاي

کربني هستند: 1. خطر ه سالمتي و ايمني 2. قراردادهاي نقل و انتقال و فرايند مواد جديد 3. پايداري در کيفيت توليدات (درجه خلوص ناخالصي کنترل پايداري و غيره) 4. آشنا نبودن با

طراحي و توليد 5. عدم وجود ابزار و قوانين طراحي 6. عدم دسترسي به مواد در حجم انبوه و قيمت مناسب 7. ابزار و قوانين تحليلي براي شناسايي ترکيب نانومواد موجود در مواد

کامپوزيت 8. قوانين حقوق معنوي. همچنين مشکالت شناسايي شده در مورد کيفيت نيز به شرح زير طبقه بندي شده است: 1. نبود استاندارد مشخص براي نانولوله هاي کربني 2.

وجود تفاوت هاي زياد در انواع نانولوله هاي کربني توليدي 3. نبودن امکان تجاري سازي به علت وجود همين تفاوت ها. تدوين يک برنامه کنترل کيفيت نيز ضروري است که مزاياي زير را در

پي دارد: 1. ايجاد ثبات و اطمينان در فرايندهاي جديد 2. ايجاد ثبات و اطمينان در توليدات جديد 3. بهبود قابليت اطمينان توليدات 4. افزايش کنترل بر روي فرايندها و محصوالت. در کل

اصلي ترين چالش اين  و  آنها  ارائه کيفيت يکسان است نه ظرفيت پايين توليد  از نانولوله هاي کربني در صنعت نداشتن توانايي در  انبوه  مي توان نتيجه گرفت که مشکل عدم استفاده 

و توليد کنندگان  براي  محدوديت هايي جّدي  زيست  محيط  و  انسان  بر سالمت  مواد  اين  تأثير  مورد  در  شده  ايجاد  و حساسيت هاي  قوانين جديد  تدوين  ديگر  سوي  از  است.  صنعت 

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 5/15

قوانيني جهت تسهيل آزاد يعني ذراتي که به وسيله شبکه هاي مولکولي به دام نيفتاده باشند) . در تدوين چنين  ويژه در مورد نانوذرات  مواد به وجود مي آورد (به  اين  عرضه کنندگان 

ارتباط ميان عرضه كنندگان و مشتريان محصوالت فناوري نانو ضرورت وجود يک مجموعه اصطالحات عرضه کنندگان و مشتريان محصوالت فناوري نانو نيز مورد توجه قرار مي گيرد. نظريه اي

ابعاد متوسط کمتر و مواد کربني با  اين مورد تعريف کّلي به صورت «الياف گرافيت ها  قرارگيري کليه نانومواد کربني در خانواده بزرگ نانوالياف (CNF's) وجود دارد لذا در  مبني بر لزوم 

از500 نانومتر» ارائه مي شود. هرچند نکته فوق داراي اهميت و پشتوانه علمي است ولي با توجه به مقبوليت عبارت نانولوله کربني نمي توان از جوامع علمي و صنعتي انتظار داشت

ابعاد معرفي شده در تعريف فوق همخواني ندارد. به همين داليل تعريف فوق از حيظ ابعاد نانو بين يك تا صد نانومتر است اين با  از اصطالح نانوالياف استفاده نمايند. تعريف رايج  تنها 

انتفاع ساقط مي گردد. 

استانداردسازي کليد تجاري سازي فناوري نانو

فاکتورهاي کليدي و موانعي که توليدکنندگان و عرضه کنندگان نانولوله هاي کربني بايد به منظور موفقيت در تجاري سازي و کاربرد محصوالتشان مدنظر قرار دهند به طور خالصه عبارتند از:

• تنوع زياد توليدات و نبود تعاريف شفاف 

• توليد فرايندهاي توليدي و دسترسي به مواد در حجم بال 

• قيمت هزينه هاي توليد باال و در نتيجه قيمت بال 

• نياز به سرمايه گذاري هاي مشترک يا همکارهاي صنعتي 

• حقوق مالکيت فکري 

• کيفيت و قابليت توليد يکسان نمونه ه 

• روش هاي کاليبراسيون و تعيين ويژگي ه استانداردسازي 

• قرار داشتن در مراحل اوليه رشد فناوري به نحوي كه بسياري از كاربردها هنوز در فاز R&D هستند 

نيازمندي مباحث ايمني و بهداشتي به اطالعات و قوانين بيشتر.

تست روش مشخصه يابي اثر

استخراج PAH استاندارد اصالح شده ASTM­ Dl618­99 چسبندگي/تخلخل

مقاومت الکتريکي ASTM D257­99 هدايت الکتريکي

دانسيته بالک استاندارد اصالح شده ASTM D IS09­99 توزيع/ هدايت الکتريکي

درصد رطوبت ASTM E 394­00/DINS 3586 چسبندگي/ تخلخل

درصد کاتاليست خلوص/ شيمي

روش ها و ابزار اندازه گيري براي مشخصه يابي نانولوله هاي کربني

استانداردهاي و  روش ها  از  استفاده  براي  مختلف  است. صنايع  موجود  آنها  استانداردهاي  و  بوده  مشترک  مختلف  توليدکنندگان  بين  مي روند  به کار  امروزه  روش هايي که  از  بسياري 

مشترک بايد به اجماع برسند. استاندارد ساير روش ها (از قبيل پارگي الياف ابعاد و طول) هنوز تهيه نشده است. روش هاي فعلي تعيين ويژگي ه زمان بر گران و نيازمند ابزار اندازه گيري

جديد است. نکات مهم در مقوله مشخصه يابي به شرح زير است:

روش  هاي اندازه گيري و مشخصه يابي که در حال حاضر براي ارزيابي نانولوله هاي کربني استفاده مي شوند

تست روش مشخصه يابي خلوص

آناليز SEM (کربن B) DIN VS3242­1 مکان ها و ساختارهاي مرجع سطحي

آناليز TEM TEM ويسکوزيته

بررسي سطح ويژه DIN 66731/ISO 4652­1 (کربن B) ترشوندگي

اندازه گيري انرژي سطحي کروماتوگرافي گازي معکوس چسبندگي/ ترشوندگي

 X شيمي سطح طيف سنجي نوري اشعه

از روش هاي مختلف موجود بايد براي تست همه محصوالت استفاده كرد. استانداردها و روش هاي موجود نظير درصد نانولوله هاي کربني طول و قطرها هنوز توسط نيافته اند. روش هاي

شناسايي با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني موجود بسيار کند و گران قيمت است و براي نمونه هاي بالک قابل استفاده نيست. 

برگه اطالعات فني مواد 

و قادر باشند به راحتي خواص مواد توليدکنندگان مختلف را بررسي  ارائه گردد تا مشتريان  در تهيه استاندارد براي نانولوله هاي کربني بايد مدل واحدي براي برگه هاي اطالعات فني 

مقايسه نمايند. نکاتي که در مباحث اندازه گيري خواص بايد مورد توجه قرار گيرد عبارتند از:

پارامترهاي مورد نياز براي کنترل کيفيت محصوالت حاوي نانولوله هاي کربني

بررسي هاي ساختاري بررسي سطحي بررسي سطحي

دانسيته بالک سطح ويژه سطح ويژه

دانسيته ظاهري انرژي سطحي انرژي سطحي

PH PH هدايت الکتريکي

C,N,S,O محتوي درصد اتمي C,N,S,O هدايت گرمايي محتوي درصد اتمي

PAH محتوي PAH قطر محتوي

طول محتوي آب محتوي آب

مدول يانگ نوع تخلخل (ميکرو / مزو) نوع تخلخل (ميکرو / مزو) 

بررسي امکان انطباق روش هاي آزموني که در حال حاضر در صنعت کربن سياه مورد استفاده قرار مي گيرند کاربردهاي جديد مورد نياز روش هاي استاندارد به دست آمده و آزمون هاي

غير استاندارد موجود تست هاي استاندارد ASTM که براي ارزيابي صنعت کربن سياه ارائه مي شوند به قرار زير است:

هيدروکربن هاي پلي آروماتيک

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 6/15

مقاومت الکتريکي بالک و توده محصول

دانسيته بالک محصول 

درصد رطوبت محصول 

انرژي سطح ويژه نمونه  تحليل SEM تحليل TEM سطح  استاندارد شامل  غير  آزمون هاي  بررسي   .3 استاندارد شده  آزمون  به دستورالعمل هاي  نياز   .2 محصول  در  کاتاليست  درصد 

شيمي سطح. براي انجام تست هاي استاندارد و جستجوي روش هاي استاندارد بايد امکان وجود چنين استانداردهايي مورد بررسي قرار گيرد:

محتواي کاتاليست فلزي (با استفاده از روش شيمي تر)

(ASTM) دانسيته بالک

(ASTM) مقاومت الکتريکي ويژه بالک

(TGA با استفاده از) ميزان کربن موجود

(TGA با استفاده از) پايداري حرارتي

محتواي ترکيبات آلي

محتواي ترکيبات اکسيد فلزي

(ASTM) محتواي رطوبت بالک

سطح ويژه محصوالت

ضريب حساسيت مغناطيسي (روش آماده سازي نمونه)

پاسخ زيست شناسي. عالوه بر اين مقوله هايي همچون طول قطر جهت گيري ويژه نانولوله هاي کربني در راستاي قطر (Chirality) دانسيته نقايص تابع کار و ديگر خواص نيز بايد مورد

بررسي قرار گيرد. نکات مهم در بررسي طول و قطر (براي نمونه هاي بالک)

 CENTS استاندارد هاي

(TEM و SEM) لزوم بهبود روش ها

تعريف اندازه نمونه

نمونه گيري خوب و با سطوح اطمينان کافي

آيا تجهيزات حاضر عملکرد مشابهي دارند يا خير 

اندازه گيري اتوماسيون. 

موانع استانداردسازي در اين حوزه:

جهت گيري و خميدگي نانولوله  هاي کربني

جداسازي توده هاي نانولوله هاي کربني از يکديگر 

روش.

نکات مهم در بررسي درصد خلوص (براي نمونه هاي بالک)

درصد وزني و اتمي آن

بررسي کارهاي انجام شده در آمريکا و ژاپن (روش  هاي صحيح) و استانداردهاي حاضر در اين زمينه

تعريف اندازه نمونه

T نمونه برداري صحيح با تست هاي استانداردي نظير

لزوم توسعه روش  ها (SEM و TEM) يا روش  هاي ترکيبي از آنه 

استفاده از تجهيزات يکسان براي انجام تست ها.

موانع استانداردسازي در اين حوزه:

روش 

قدرت تفکيک دستگاه ها.

امنيت و خطرات زيست محيطي در حوزه استانداردسازي نانولوله هاي کربني

مالحظات مربوط به توليد و استفاده ايمن از نانولوله هاي کربني

مشتريان بايد در مورد چگونگي کاربرد مواد آگاه شوند لذا تهيهبرگه هاي اطالعات ايمني مواد ضروري است.

آنها بسيار و کاربرد  مواد  به نوع  آزمون ها  اين  نتايج  زيرا  انجام دهند  را  اصلي  ماده  از  اثر سوختن)  بر  مثال  عنوان  نانولوله ها (به  آزاد شدن  آزمون هاي  بايد  نانوکامپوزيت ها  توليدکنندگان 

وابسته است.

پروژه قبيل  از  است  انجام  در حال  فعاليت هايي  زمينه  اين  در  شود.  انجام  بي طرف  مرجعي  از سوي  بايد  در هوا  انتشار  ايمني  و حدود  انتشار  راه هاي  بودن  ميزان سمي  مطالعات 

Nanosafe در اروپا و دو پروژه ديگر که تحت حمايت مالي اتحاديه اروپا آغاز شده اند. 

رساندن خطرات به حداقل  براي  الزم  اقدامات  بايد  بوده  نانولوله هاي کربني  ايمن  توليد  مسئول  تهيه نشده اند بخش صنعت  مواد  ايمني  و  بودن  ميزان سمي  اطالعات  زماني که  تا 

محيط هاي کاري را انجام دهد. همچنين نياز به استانداردهاي زير وجود دارد. 1) ممانعت از انتشار ذرات در محيط هاي کاري 2) حفاظت از کارکنان 3) اندازه گيري و کنترل ذرات در محيط

کار. اما با اين حال براي كنترل فرايندهاي توليدي هيچ استاندارد مشخص و متداولي وجود ندارد و به جاي آن از استانداردهاي کارخانه اي استفاده مي شود. مباحث مشابهي نيز در

مورد مصرف کنندگان مطرح است. وجود يک شاخص جهت تعيين تراکم مجاز مواد در هوا در محيط هاي صنعتي و اتاق هاي تميز ضروري به نظر مي رسد. سياست هاي جلوگيري از خطر

و پيشنهادهايي براي کاربرد ايمن نانومواد

با توجه به اينکه نتايج مطالعات مربوط به خطرات نانوذرات هنوز تکميل نشده اند بايد رويه هايي براي به حداقل رساندن اين مخاطرات ارائه شود.

انتشار مواد در محيط به حداقل فرايند را در سيستمي بسته محدود کرد تا  اين کار بايد  مقابله با خطرهاي توليد نانولوله کربني بايد مشابه هر ماده بالقوه خطرناک ديگر باشد. براي 

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 7/15

برسد.

ابزار حفاظتي مورد استفاده در صنعت کربن سياه را به عنوان مرجع در توليد نانولوله هاي کربن نيز به كاربرد.

اندازه گيري ها در و  آزمايش ها  انگليسي Thomas Swan يکسري  قرار گيرد. شرکت  مورد بررسي  مورد نانولوله ها  فيلترها) بايد در  و  ابزار حفاظتي (مثل ماسک ها  اين  ميزان کارامدي 

زمينه تجمع ذرات در محيط هاي کاري انجام داده است. نتايج اين بررسي به زودي منتشر مي شود و انتظار مي رود به عنوان مرجعي براي ساير شرکت ها مورد استفاده قرار گيرد. 

عالوه بر اين مانند ساير بخش هاي صنعت توليدکنندگان بايد آزمايش هاي پزشکي ساليانه اي را روي کارکنان خود به منظور اطمينان از حفظ سالمت آنها انجام دهند. 

پيشنهاد توليدکنندگان است که در حين فرايندهاي به کارگيري محصوالت آنه بايد توجهات خاصي از سوي مشتريان يا ساير توليدکنندگان صورت گيرد زيرا فرايندها بسته نبوده و در نتيجه

خطر انتشار آنها در محيط باالست. 

با هدف تضمين کيفيت توليدکنندگان بايد قالب واحدي براي برگه هاي داده ايمني مواد تهيه نمايند که در آنها اطالعاتي کافي در مورد راه هاي بالقوه انتشار اين مواد و روش صحيح حمل

و نقل آنها به مشتريان داده شود. 

طول قطر و نقطه پارگي الياف به عنوان سه نياز اصلي در روش هاي اندازه گيري پروژه هاي استانداردي جديد معرفي شوند. بخش صنعت بايد اطالعات مرجعي در مورد تراکم رطوبت و

استاندارد تهيه نمونه نيز اين کار شامل تعيين روش  استاندارد تهيه نمايد.  آزمون  از روش هاي  استفاده  ويژه با  اندازه گيري سطح  و  مواد ترکيبات شيميايي  ويژه کلوخه هاي  مقاومت 

قبيل از  و لوله ه  الياف  اندازه گيري خواص  ارائه گردد). هرچند توانايي  قالب يک استاندارد صنعتي  و تعيين روش استاندارد آماده سازي نمونه مي تواند در  مي گردد (تهيه اطالعات مرجع 

هدايت الکتريکي حرارتي و الکتريکي در هر دو جهت (طول و عرض) مدول يانگ مقاومت کششي و برشي مورد نياز بوده و در مواردي خاص ضروري نيز هست بهتر است که توسعه

چنين توانايي هايي به دانشگاه ها سپرده شود.

نانولوله هاي کربني؛ تداوم ابتکارات و چالش ها

اصوالً نانولوله هاي کربني نانوساختار هاي خودساماني هستند که از صفحات اتم هاي کربن شش ضلعي که به شكل استوانه هايي قرار گرفته اند ساخته مي شوند. نانولوله ها به عنوان

مدل هايي از دانش نانو و شاخه هاي مرتبط با آن توجه زيادي را به خود جلب کرده اند. اين عالقه ويژه به نانولوله ها از ساختار و ويژگي هاي بي نظير آنها سرچشمه مي گيرد؛ ويژگي هايي

همچون: 

• اندازه بسيار کوچک ( قطر كمتر از 0.42 نانومتر) 

• حالت فلزي و نيمه رسانايي آنها بر حسب شکل هندسي شان 

• برخورداري از خاصيت منحصر به فرد ترابري پرتابه اي 

• قدرت رسانايي گرمايي خيلي باال

اکنون پژوهش ها در مورد نانولوله ها به مرحله اي رسيده است که ارائه دهنده فهم خوبي از ساختار٬ ويژگي ها و همچنين روابط دروني آنها مي باشد. از سوي ديگر موانع بزرگي در اين

دانش بر اثر فقدان فهم دقيق از مکانيسم رشد و همچنين نداشتن کنترل بر روي شيوه ترکيب نانولوله ها در جهت دستيابي به قطر و ساختار مورد نظر به وجود آمده است. 

مطلوب٬ به گونه اي  اين تحقيق  است.  منظم حاصل شده   و  ريز  اين ساختار هاي  و همچنين رسانايي  نوري  الکترونيکي٬  ويژگي هاي ساختماني٬  نتايج جالبي در خصوص  اکنون  هم 

پيشرفت هاي فعلي و ماهيت تحقيقات آينده را نشان مي دهد.

نانولوله ها در الکترود هاي باتري و حسگرهاي نانوالکترونيکي كاربرد دارند. 

نانولوله هاي كربني تک جداره کربن (SWNT) فقط از کربن و يک ساختار ساده (ورقه اي از شش ضلعي هاي منظم) تشکيل شده اند. 

برخي پيش بيني هاي تئوري٬ حاكي از آن است كه که SWNTها مي توانند فلزي يا نيمه رسانا باشند٬ البته اين احتماالت پيش از آن كه در آزمايشگاه بررسي شوند٬ مطرح شده است.

آغاز تحقيق بر روي ٬SWNT از آن ها به عنوان يک پديده تک بعدي نام برده مي شد٬ تا اين که اين تئوري مرحله به مرحله پيشرفت کرد. اكنون که نانولوله ها از ساير مواد شيميايي از 

ساخته شده اند٬ مي توان به گستره وسيعي از ويژگي هاي نوين دست پيدا كرد. 

بررسي تفاوت نانولوله هاي تک بعدي با نانوسيم  هاي تک بعدي هم جنس٬ اطالعات جالب و مفيدي را ارائه مي کند. 

تحقيقات در زمينه نانولوله ها اکنون به جايي رسيده است که فهم خوبي از ساختار٬ ويژگي ها و روابط دروني آن ها٬ دست آمده است. 

بسياري از پديده هاي غير قابل انتظار که در گرافيت اتفاق نمي افتند٬ در نانولوله ها کشف شده اند که اين پديده نه فقط به فناوري نانولوله ها بلکه به همه شاخه هاي دانش نانو٬ انرژي و

حياتي دوباره بخشيده است. 

از آغاز٬ تاکيد عمده تحقيق نانولوله ها بر روي بخش سنتز بوده است که مهم ترين مرحله فناوري نانولوله ها است. از سويي پيشرفت سريعي صورت گرفته تا کنترل بر روي فرآيند سنتز

افزايش يابد٬ قطر نانولوله ها باريک تر شود٬ نقص ها و ناخالصي ها به حداقل برسد و کارايي توليد افزايش يابد. 

عمده ترين كاوش ها در کنترل سنتز نانولوله ها شامل موارد ذيل مي شود:

• سنتز خوشه هاي کاتاليزوري مولکولي با شکل و ابعاد مشخص با دقت اتمي؛ 

• رشد آرام؛ 

• سنتز کاتاليزوري در دماي پايين؛ 

• توسعه رشد برنامه ريزي  شده با امکان کنترل زياد اندازه و جهت نانولوله ها؛ سنتز پيچيده و سازماندهي شده شبكه يا آرايه هايي از نانولوله ها روي مواد درشت مقياس؛

از آنجايي که SWNTها به همراه تعداد متنوعي از انواع کربن٬ ذرات کاتاليزوري و ساير مواد ناخواسته رشد مي کنند٬ توجه زيادي صرف خالص سازي نانولوله ها شده است. اين امر منجر

به پيدايش روش  هايي در جهت مشخص كردن درجه خلوص نانولوله ها و طبقه بندي آنها بر حسب طول٬ قطر و... گرديده است. 

اين مسئله به تفصيل در مقاله اي به وسيله هادون بيان شده است. مساله سنتز و جداسازي هم در مقالة  ليو آمده است. اين دو مقاله به سمت ارائه دستاورد هايي حركت مي كنند

که ممکن است نهايتاً به کنترل کامل فرآيند سنتز نانولوله ها بيانجامند. 

و خالص سازي دقيق اگر روش  هاي جداسازي  و يا به کل رفع نمود.از سوي ديگر٬  و خالص سازي را مي توان به مقدار زيادي کم  فرآيند جداسازي  با بهبود سنتز٬ مشکالت موجود در 

توسعه داده شوند٬ مي توان موانع رشد را رديابي كرد. همگرايي و ترکيب اين دو بخش٬ مي تواند منجر به تثبيت توليد نانولوله هايي با قطر و پيچش معين گردد. 

پر کردن نانولوله ها با فلورين ها راهي به سوي استفاده از نانولوله ها به عنوان يك قالب براي بسياري از نانوساختارهاي جديد مي باشد. عالوه بر اين٬ تبديل حرارتي فلورين هاي كپسوله

نانولوله هاي ويژگي هاي  و  ساختار  مطالعه كمي  براي  اوليه  الگوي  يک  (DWNTها)  دو جداره  كربني  نانولوله هاي  مي گردد.  آن  شدن  دوجداره  به  منجر  کربني٬  نانولوله  يک  به  شده 

چندجداره (MWNT) مي باشد.

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 8/15

به دليل پايداري و ماندگاري دوجداره ها و چندجداره ها نسبت به تك جداره ها٬ اين نانولوله ها در كاربردهايي که مقاومت مکانيکي٬ سختي و هدايت گرمايي بااليي را طلب مي كند از توان

بيشتري برخوردارند. 

فضاي موجود در هسته خالي نانولوله ها و سطح پيوسته داخلي آنها مي تواند به خلق ساختار هاي غير معمول بيانجامد.

گام هاي بلندي در سنتز ساختار هاي جديد و توصيف ساختاري آنها برداشته شده است؛ اما هنوز بررسي نشده که چگونه اين ذرات مي توانند به ساختار هاي جديد نانوسيم ها مربوط

شوند و نانوسيم ها چگونه به مواد توده اي سه بعدي ارتباط پيدا مي كنند. 

گستره وسيعي از تحقيقات جالب نشان دهنده شکل گيري نانوسيم هاي درون وجهي (endohedral) در درون SWNTها مي باشد. 

اثرات ترانزيستور ميداني FET ؛يعني ترابري پرتابه اي٬  اثر  ترانزيستور هاي  مشاهده شده در  انتقالي  بر روي خصوصيات  مطالعات  و خواص٬ بيشترين توجه به  اندازه گيري  به  با توجه 

تک الکتروني٬ چگالي باالي جريان٬ عملکرد خوب FET و برخورداري از كاركردهاي متنوع٬ معطوف شده است. 

مواد ساير  بين  در  را  آنها  نانولوله ها  استحكام  و  شيميايي  پايداري  ولي  مي باشد٬  نانولوله ها  ساختاري  تکامل  سبب  به  حدي  تا  بالستيک  انتقال  و  باال  تحرک  قدرت  که  حالي  در 

پارك توضيح داده و  اوئن  مك  از  مقاله اي  فلزي يک جداره٬ در  و  نيمه رسانا  نانولوله هاي  الکترون در  انتقال  زمينه خصوصيات  اخير در  است. دستاورد هاي  الکترونيکي٬ بي نظير ساخته 

شده اند. 

همچنين فيزيک نوري در نانولوله ها به عنوان ابزاري براي مطالعه الکترون و پديده اپتوالکترونيک٬ توجه زيادي را به خود جلب کرده است. پيشرفت ها در اين زمينه و چالش هاي بعدي٬ در

مقاله اي از جوريو عرضه شده است. 

از آنجا که پراکندگي٬ رامان٬ جذب و انتشار نوري در SWNTها٬ به حالت الكترونيكي تک جداره بستگي داشته و فرآيندهايي بسامد افزا هستند٬ اين خواص٬ روش آساني را براي بيان

توزيع قطر و توزيع خاصيت فلزي SWNTها در يک نمونه ارائه مي دهند. 

امروزه در روند تحقيق درباره نانولوله ها توجه و تأكيد ويژه اي بر روي استفاده از نانولوله ها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگراني كه در دانشگاه ها و آزمايشگاه هاي

در حال حاضر داشت.  وسيعي خواهند  كاربردهاي صنعتي  نانولوله ها  نزديك  آينده اي  در  كه  مي كنند  پيش بيني  با خوش بيني  مي كنند  كار  نانولوله ها  روي  بر  دنيا  سرتاسر  تحقيقاتي 

بيشترين كاربرد MWNTها در مواد كامپوزيت براي افزايش استحكام آنها و در باتري هاي ليتيومي براي بهبود عملكرد و طول عمر آنها مي باشد.

هم اکنون امکان ساخت ابزار هاي بسيار جالبي وجوود دارد٬ اما در خصوص موفقيت تجاري آنها٬ بايد در آينده قضاوت كرد. 

الکتريکي و الکترونيک روشن است. خصوصيات  آينده كاربرد نانولوله ها در بخش  آينده اشاره دارند.  آنها در  از  و بهره برداري تجاري  تقريباً تمام مقاالت به طور ضمني به كاربرد نانولوله ها 

پايداري شيميايي بي بديل نانولوله ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از اين خواص سوق مي دهد. 

نانولوله ها در آستانه کاربرد در ترانزيستور هاي سريع هستند؛ اما آنها هنوز هم در اتصاالت داخلي استفاده مي شود. بسياري از طراحان دستگاه ها تمايل دارند به پيشرفت هايي دست

عنوان به  نانولوله هايي  به همراه دارند؛  با خود  را  بزرگي  وعده هاي  نانولوله ها  اينجا  قادر  نمايد. در  فضاي كوچك تر٬  اتصاالت داخلي دستگاه ها در  تعداد  افزايش  به  را  آنها  پيدا كنند كه 

حسگر هاي مواد زيستي و شيميايي خصوصا در ساختار هاي مينياتوري پيچيده٬ نويد بخش هستند. 

در چند سال اخير تعامل بين نانولوله ها و سيستم هاي زيستي شامل پروتئين ها٬ DNA و سلول هاي زنده به طور مداوم افزايش پيدا كرده است. اين بخش يک قسمت جذاب و نسبتًا

جديدي از دانش نانولوله ها است. 

تا به حال نتايج و دستاورد هاي جالبي از تحقيق در خصوص نانولوله ها به دست آمده است. البته مي توان منتظر يافته هاي بسيار فراواني در طي چند سال آينده نيز بود.

ذخيره سازي متان در نانولوله هاي کربني

و... براي كاربردهاي مختلف است. در حالت عمومي ذخيره انرژي مطرح است٬ چگونگي ذخيره سازي سوخت هاي پاکي مانند هيدروژن٬ متان  امروزه در مبحث  از مسائلي که  يکي 

روش به  گاز  سازي  ذخيره  حاليكه  در  مي پذيرد  پاسكال)صورت  مگا   30 تا   20) باال  فشارهاي  در  و  سنگين  استيل  سيلندرهاي  در  نقليه  وسايط  در  فشرده  طبيعي  گاز  سازي 

ANG(adsorbed natural gas) در محفظه هاي سبك و با فشارهاي نسبتا پائيني (در حدود 4 مگا پاسكال)صورت مي پذيرد٬ بنابراين ذخيره سازي گاز طبيعي به روش ANG مي تواند يك

٬(AC)انتخاب بسيار موثرتر باشد زيرا در فشارهاي پايين هزينه هاي كمتري صرف ذخيره سازي مي شود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب هاي متنوعي مانند كربن فعال شده

اين مقاله مروري داريم بر مكانيزم و نانولوله هاي كربني تك ديواره(SWCNT)٬ نانولوله هاي كربني چند ديواره(MWCNT)و... صورت مي پذيرد. در  اشتقاقي كربيد(CDC)٬ زئوليت ها  كربن 

و ارزيابي  مورد  نانو ساختارهاي كربني٬  از  استفاده  با  زمينه ذخيره سازي گاز ها  را در  مختلف  محققان  نتايج كار  نهايت  و در  نانولوله هاي كربني  از  استفاده  با  متان  ذخيره سازي گاز 

مقايسه قرار مي دهيم.

مقدمه

جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليت ها٬ كربن فعال شده (AC) غربال هاي مولكولي٬ كربن اشتقاقي كربيد٬ بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولوله هاي كربني بخاطر

خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت٬ استقامت كششي زياد٬ هدايت الكتريكي٬ بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله  هاي کربني به دو صورت تک ديواره

(SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) مي باشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است٬ روي نانولوله هاي كربني تك ديواره صورت گرفته است.

روي مي رسد٬ خواص جذب گاز  نظر  به  انجام شده  بررسي هاي  در  اما  مي باشد.  محدود  ديواره  نانولوله هاي كربني چند  روي  متان  درباره جذب گاز  مطالعات  است كه  در حالي  اين 

SWCNTها و MWCNTها كامالً متفاوت مي باشد. 

مکانيزم جذب متان توسط نانولوله هاي کربني

در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد٬ اثر متقابل هيدروژن با فولرين ها ونانولوله هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن هاي هيبريد شده SP2 از هر دو

از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي  ٬ [Wenchuam 2]و  Xianren.ماده تشکيل کمپلکس مي دهد

جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند.

Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکول هاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد٬ که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي

يک مجموعه پيوند قوي تر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننت هاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيف تر در 70 تا 129 درجه کلوين است.

ANG شكل­1 سيستم ذخيره سازي گاز به روش

بنابراين٬ مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد مي باشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با

H­CNT) اين حالت در  و  آرمچير)   H­CNT)باشند آن خارجي  است که همه هيدروژن هاي  از CNT هيدروژني  پايداتر   eV (H­CNTزيگزاگي)0.55  داخلي/خارجي  متناوب  مرزي  هيدروژن 

زيگزاگي)٬ فرمر٬ مولكول هاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر مي گيرد. به طوري كه متان به طور قوي تري روي سطوح خارجي H­CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 9/15

داخلي H­CNT زيگزاگي و H­CNT آرمچير. 

از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه هاي پيوندي H­C­H در حدود 109.5 درجه است٬ کشيدکي الکترون هاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر مي گذارد

به صورتي که روي اتم هاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود مي آيد٬ به همين دليل٬ مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله هاي کربني به صورت شبه مايع و

شبه جامد مي باشد.[3] 

فاز گازي تا روي از توده  منافذ نانولوله  از داخل  قائم٬  متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا  مولکول  مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]٬  در مسير 

جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است٬ عبور مي کند. دراين حالت چون اتم هاي هيدروژن مولکول هاي متان به خاطر کشيده شدن الکترون ها به سمت کربن مرکزي

داراي کمبود جزئي الکترون هستند٬ يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل مي دهند. اين يون مي تواند بطور درون مولکولي٬ گروه SP2 C=C را

با يک پيوند SP3 C­C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنش هاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده٬ کوپل و يک نيروي انقباضي

روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C­C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان٬ وارد مي کند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند٬ اين امر منجر

کربوکاتيون روي  بيشتري  متان  مولکول هاي  بنابراين  ندارد٬  جذب  در  محدوديتي  نوع  هيچ   CNT خارجي سطح  ديگر  از طرف  مي شود.   CNT روزنه در  مايع  شبه  فاز  يک  تشکيل  به 

غيرپايدارحاضرجذب مي شوند. 

اين پديده مي تواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد

به فاز سيال٬ يک پديده متداول است. 

ANG ذخيره سازي گاز به روش

شكل 1 سيستم ذخيره سازي گاز به روش ANG را نشان مي دهد. به منظور كنترل دماي فرايند٬ سلول بارگيري(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطي در

يك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمايش بايستي ناخالصي هاي سلول جذب را توسط يك پمپ خالء زدود و وزن جاذب را در خالء كامل اندازه گيري كرد٬ زمانيكه دما در سلول هاي

موبايل و دما در سلول ها همانطور كه در شكل نشان داده شده است به يك ركوردر  فشار  ميزان  آزمايش شروع مي شود.  اوليه)  و جاذب به حد مطلوب رسيد (حالت تعادل  بارگيري 

گزارش مي شود و به اين صورت زمان تعادل واكنش در هنگاميكه فشار و دماي فرايند ثابت باقي ماند (حالت تعادل دوم) مشخص مي شود سپس با موازنه جرم (معادله 1) بر مبناي دما

و فشار اندازه گيري شده قبل و بعد از حالت تعادل مي توان ظرفيت جاذب را تعيين كرد.

وضعيت مولكول هاي جذب شده است. زيرنويس 1 نشان دهنده  و Nتعداد  مولكولي٬ ٬Z ضريب تراكم پذيري گاز  وزن   ٬M ٬ ثابت گاز٬R ٬ حجم٬V فشار٬ ٬T دما٬   ٬P فوق٬ معادله  كه در 

تعادلي اوليه و زيرنويس 2 نشان دهنده وضعيت تعادلي نهايي است.[4] 

مروري بر ذخيره سازي گاز متان در نانو ساختارها

شكل­2 جذب متان در شرايط آزمايشگاهي با دماي 303 درجه كلوين (■)روي SWNHs فشرده شده٬ و ايزوترم هاي شبيه سازي شده (­) در SWNTs آرايه مربعي و (­­­) آرايه مثلثي

Elena Bekyarova توسط اشتعال ليزري گرافيت٬ نانوهورن هاي (نانوشاخ) كربني تك ديواره اي (SWNH) را براي ذخيره سازي گاز متان٬ در دماي اتاق و بدون كاتاليست٬ توليد كرد (شكل

با سايز را  مي شوند. بخار كربن ذرات گرافيتي  آماده  تور  فشار760  با  آرگون  اين ساختارهاي كربني در  مي شود.  بافر در حفره٬ كنترل  فشار گاز  و  نوع  با  مجموعه  و شكل  2). سايز 

است شده  استفاده  متان  گاز  سازي  ذخيره  روش  اين  در  توده كه  دانسيته  شده اند.  تركيب  نانومتر   3 تا   2 قطر حدودا  SWNHsبا  از  كه  مي كند  توليد  نانومتر   80 در حدود  يكنواختي 

(SWNHs فشرده شده در فشار 50 مگا پاسكال زير خالء)0.97 ٬ گرم بر سانتيمتر مكعب مي باشد. همانطور كه در شكل 2 مشاهده مي شود ايزوترم هاي جذب متان با دماي 303 كلوين

آزمايش بر اساس طبقه بندي BDDT از نوع I مي باشند. داده هاي آزمايشگاهي جاذب SWNHs با داده هاي SWNTهاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي شبيه سازي شده٬ مقايسه اين  در 

GCMC از روش استفاده  مجاور) با  و لوله هاي  واندروالسي 0.34 نانومتر(فاصله بين ديواره ها  فاصله  مثلثي با  آرايه  و  مربعي  آرايه   (opened­end)ايزترم هاي نانولوله هاي سرباز شدند. 

شبيه سازي شده اند. در فشارهاي كم٬ ظرفيت جاذب SWNHها مشابه با SWNTهاي آرايه مربعي مي باشد اما در فشارهاي باالتر از 4 مگا پاسكال نانولوله هاي تك ديواره آرايه مثلثي

متان باشد. ظرفيت ذخيره سازي جاذب هاي فاكتور مهمي در ذخيره سازي گاز  آرايش لوله  ها در SWNTها مي تواند  متان نشان مي دهند بنابراين  ظرفيت بيشتري را براي جذب گاز 

SWNHفشرده شده در دماي 303 كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال٬ حدود cm3/cm3 160 و ظرفيت ذخيره سازي جاذب هاي SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دماي اتاق و

فعال شده در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال در حدود 96 اين در حالي است كه ظرفيت ذخيره سازي كربن  و  متر مكعب مي باشد  مگا پاسكال 198گرم بر  فشار 4 

cm3/cm3 است.[6]

روي متان  وجذبي  فازي  رفتار  تنها  همكارانش  و   Murise است.  موجود   SWNT آرايه هاي  روي  متان  سازي  ذخيره  درباره  اندكي  تحقيقاتي  و  آزمايشگاهي  گزارش هاي  متاسفانه 

نانولوله هاي تك ديواره را در دماهاي پايين بررسي كردند.Talapatra [6] و همكارانش بطورآزمايشگاهي ميزان جذب گازهاي متان٬ گزنون و نئون را روي دسته هاي SWNTاندازه گيري

كردند و بطور غيرمنتظره اي مشاهده كردند كه هيچ گازي در فواصل بين آرايه اي SWNT جذب نشده است. [7]با اين وجود اين بدان معنا نيست كه فواصل بين آرايه هاي SWNT ديگر

نمي توانند گاز را جذب كنند. پس از مدتي٬ در يك مقاله ديگر از همان گروه مشاهده شد كه گاز متان مي تواند در دسته هاي SWNT سردسته (Closed­end)٬ جذب شود. [8]بنابر اين

SWNT مي توان به اين نتيجه رسيد كه فاصله واندروالس يك فاكتور اوليه موثر روي ميزان جذب متان در فواصل بين آرايه هاي Bekyarovaآنها با شبيه سازي هاي مشاهدات و مقايسه 

است (شكل3 ). در پي اين نتيجه٬ Cao و همكارانش تحقيقات خود را در راستاي بهينه سازي فاصله واندروالس بين لوله ها در آرايه هاي SWNT ادامه دادند. اين گروه با استفاده از روش

مونت كارلو جذب متان را روي SWNTهاي آرايه مثلثي در دماي اتاق بررسي كردند. در ديواره اين نانولوله ها اتم هاي كربن به صورت آرميچير قرار گرفته اند. از نتايج اين كار مشخص شد كه

واندروالسي 0.8 نانومتر بيشترين مقدار گاز متان را در دماي اتاق جذب مي كند. در فشار 4.1 مگا پاسكال ظرفيت حجمي و ظرفيت جرمي جذب متان آرايه مثلثي و فاصله  SWNT با 

روي آرايه هاي SWNT(15,15) با فاصله واندروالسي0.8 نانومترv/v 216 و215g CH4/Kg است.[9]

شكل­3 برش عرضي از آرايه هاي مثلثي نانولوله هاي تك ديواره

همانطور كه گفته شد مطالعات و تحقيقات جذب گاز متان روي نانولوله هاي كربني چند اليه نسبت به نانولوله هاي كربني تك اليه محدودتر مي باشد. از جمله كساني كه در اين زمينه

كار كرده است Sunny E.Iykenv از كشور مالزي است. وي توانست نانولوله هاي كربني چند ديواره را با تكنيك رسوبدهي بخار شيميايي كاتاليست شناور(FCCVD) توليد كند. اين تكنيك

SP2 داراي بزرگترين سايز روزنه هستند. سايز روزنه در SP2 مي تواند در توليد انبوه نانولوله هاي چند ديواره با هيبريدهاي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. نانولوله هاي كربني با هيبريد

44.4 نانومتر و در SP1 وSP3 وSP4 به ترتيب برابر 9.1و8.9و8.7 نانومتر است. گاز متان بصورت مايع و شبه جامد روي نانولوله هاي توليد شده جذب مي شود. ايزوترم هاي بدست آمده از

آناليزر BET در اين آزمايش در شكل 5 نشان داده شده است. همان طور كه مشاهده مي شود٬ ايزوترم هاي جذب براي كربن هاي SP1 و SP2از نوع III مي باشند در حاليكه ايزوترم هاي

مي باشد كه اوج  ايزوترم دماي 15 درجه سانتيگراد داراي دو نقطه  اين گذشته  از  مي باشند.  فاز  تغيير  به  مربوط  احتماال  است كه  اوج  SP3 داراي سه نقطه  براي كربن  متان  جذب 

نمايشگر نقاط تغيير فاز مي باشند. در اين آزمايش مشاهده مي شود كه جذب متان توسط نانولوله هاي كربني چنداليه نسبتا پايين است در حاليكه با افزايش فشار بر مقدار گاز جذب

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 10/15

شده اضافه مي شود. 

شكل­4 تصاويرTEM از پنج نمونه CNT(SP2F,SP1,SP1,SP3,SP4) كه نمونه آخر داراي متان جذب شده است.

قطر مشخص ساخته و  با طول يكنواخت   (CVD)با روش رسوب دهي بخار شيميايي نانولوله هاي كربني چند ديواره  انجام شد٬   Jae­Wook Leeآزمايش هايي كه توسط در  آن  از  پس 

و ميكرومتر  آنها در حدود 20 تا 30  و طول  مي دهد. ضخامت ديواره ها در حدود 15 تا 20 نانومتر  را نشان  نانولوله هاي چنداليه كربني ساخته شده   SEMوTEM شكل10 تصاوير شدند٬ 

دانسيته توده در حدود 0.005 تا 0.006 گرم بر سانتي متر مكعب است. در اين آزمايش گاز متان مورد استفاده داراي خلوص 99.9 درصد است. نتايج آزمايشگاهي كه در اين روش بدست

آمده است در دماهاي 301.15 و313.15 و323.15 كلوين و در فشاري تا 3 مگا پاسكال موجود مي باشد كه در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور كه از اين جدول پيداست ظرفيت

نانولوله هاي چند ديوارهكربني در فشارهاي پايين تر از 1.5 مگا پاسكال بسيار كم مي باشد در حاليكه در فشار هاي باالتر نيز ميعان موئينگي رخ مي دهد. به عالوه فشار ميعان موئينگي

با دما افزايش مي يابد. [10]در شكل 6 ايزوترم هاي جذب متان نشان داده شده اندكه مشاهده مي شود ايزوترم هاي جذب متان در گستره دمايي اين آزمايش٬ از نوعIV مي باشند.[4]

SP3(در دماهاي مختلف) و SP1,SP2 جذب متان روي (b) .در دماهاي مختلف SP2 دفع متان از (a) ها٬CNT شكل­5 ايزوترم هاي جذب/دفع متان در

شكل­6 ايزوترم هاي جذب متان روي نانولوله هاي كربني چند ديواره

نتيجه گيري

بررسي جذب گاز درنانو ساختارها نشان مي دهد كه پارامترهاي روزنه و دانسيته جادب مي تواند در ميزان جذب گاز بسيار موثر باشد به طوري كه خواص روزنه ها در SWNHهاي فشرده

شده به گونه اي است كه در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال٬ ظرفيت ذخيره سازي گاز متان اين نوع جاذب v/v 160 مي باشد. در ارتباط با SWNTها مي توان گفت كه

ميزان جذب گاز در مي باشد. همانطور كه در نمودار شكل 2 نشان داده شده است٬  ميزان ذخيره سازي گاز طبيعي  مهم در  پارامترهاي  از  آنها  واندروالسي در  فاصله  و  آنها  آرايش 

از 4 مگا پاسكال در SWNTهاي آرايه مثلثي افزايش مي يابد. همچنين اين ميزان در فشارهاي باالتر  و  آرايه مثلثي در فشارهاي پايين تقريبا يكسان است  و  آرايه مربعي  SWNTهاي 

SWNTهاي آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر در فشار 4.11 مگاپاسكال ظرفيتي در حدود v/v 170 براي ذخيره سازي گاز متان دارند در حاليكه اين ظرفيت در SWNTهاي بهينه

.(v/v 200)در فشارهاي 20 تا 30 مي باشدCNG مي رسد كه حتي بيشتر از ظرفيت ذخيره سازي v/v 216 شده با فاصله واندروالسي 0.8 نانومتردر شرايط يكسان به

جدول ­2 ميزان جذب گاز روي نانوساختارها و ساير جاذب هاي متداول [4]

(MPa)فشار (K)دما gCH4/kgC V/V جاذب

كربن فعال شده 0.95 298 144

كربن فعال شده پودر شده 4.0 298 165 168

كربن فعال شده مرطوب 10 273 200

CNG 200 30­20 مخازن

SWNHs 160 303 3.5

SWNTs(آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي0.34 نانومتر) 4.11 303 170

SWNTs(آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.8 نانومتر) 4.11 303 216 215

MWCNT 14 303.15 1.55

جدول­1 نتايج آزمايشي جذب متان در نانولوله هاي چند اليه كربني

T )=303.15 K (T )=313.15 K (T )=323.15 K)

(P (MPa) N (mmol.g­1) P (MPa) N (mmol.g­1) P (MPa) N (mmol.g­1

0.043 0.038 0.033 0.041 0.019 0.032

0.064 0.092 0.154 0.113 0.136 0.081

0.091 0.169 0.185 0.227 0.227 0.156

0.175 0.292 0.263 0.388 0.256 0.255

0.224 0.441 0.416 0.598 0.403 0.367

0.244 0.627 0.438 0.862 0.438 0.559

0.341 0.878 0.523 1.196 0.518 0.798

0.336 1.189 0.611 1.570 0.698 1.114

0.378 1.551 1.084 1.979 0.862 1.546

0.684 1.968 1.498 2.408 1.481 1.948

1.252 2.507 1.698 2.838 1.818 2.376

1.350 2.836 1.886 2.745

در بررسي MWCNTها با توجه به جدول 2 مشاهده مي شود كه ظرفيت اين نانوساختارها در فشارهاي پايين٬ بسيار كم و در حدود g/Kg 14 است و در فشارهاي باالتر ميعان موئينگي

رخ مي دهد. بعالوه فشار مناسب براي ميعان موئينگي با افزايش دما٬ افزايش مي يابد. 

امكان ابررسانايي دماي اتاق در نانو لوله هاي كربني

از كشف ترانزيستور باالتر پنداشتند. جايزه نوبل سال 1987 نيز به آن را حتي  ارزش  و  قرن بيستم نام نهادند  انقالب علمي  ابررساناهاي سراميكي گرم در سال 1986[1] را٬  كشف 

فعاليتي شبانه روزي فيزيك را به  ابررسانا باشد٬ دنياي  اتاق  اميد به رسيدن به تركيبي كه بتواند در دماي  و  ابررساناهاي گرم٬  آن تعلق گرفت. پيشرفتهاي زياد٬ در ساخت  كاشفان 

واداشت. طي 5 سال بعد از كشف ابررساناهاي گرم٬ دماي بحراني ابررسانايي در تركيبات جيوه دار به K134 رسيد[2] دمايي كه 5 سال قبل از آن در تصور هيچ فيزيكداني نمي گنجيد.

متاسفانه اين دماي بحراني هنوز به صورت يك ركورد باقي مانده است و تركيب جديدي با دماي بحراني باالتر كشف نگرديده است. اين ركود قدري فعاليت فيزيكدانان را در اين زمينه

كمتر كرد و كم كم اين سوال پيش آمد كه آيا براي رسيدن به ابررسانايي دماي اتاق بايد سيستمهاي سراميكي را كنار گذاشت و به سراغ سيستمهاي ديگري رفت؟

با كشف ابررسانايي در فولرنها و نانو لوله هاي كربني حوضه جديدي در فيزيك گشوده شد.

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 11/15

از كشف كربن 60 در سال 1985 توسط Kroto و همكارانش از دانشگاه ساسكس و با توجه به كاربردهايي كه براي آن متصور شدند مجددا ٌ آن را انقالب علمي جديدي پنداشتند. پس 

آالييدن كربن 60 با فلزات قليايي خاكي٬ ابررسانايي را به دنبال داشت. در تركيبات A3C60 (Aفلزات قليايي خاكي) ابررسانايي تا K 33 در تركيب RbCs2C60 كشف گرديد[3]. در كربن 60

دوپ شده با حفره  ٬ ابررسانايي در K52 بدست آمد [4]. همچنين در تركيب C60/CHCl3 و C60/CHBr3 ابررسانايي به ترتيب در K70 و K117 مشاهده گرديد [5].

آن را در سيستمهاي سراميكي دنبال مي فيزيكدانان  اتاق كه  ابررسانايي دماي  اتاق در نانو لوله هاي كربني است.  ابررسانايي دماي  امكان بروز  آنچه كه موضوع را مهيج مي كند 

كردند و افق روشني براي آن نمی ديدند آنان را واداشته تا ابررسانايي دماي اتاق را در نانو لوله هاي كربني دنبال كنند. به همين منظور فعاليتهاي وسيعي در اين زمينه شروع شده

است كه آن را با كشف ابررسانايي گرم مقايسه مي كنند.

در سال 1991 محققين ژاپني در حين ساختC60 اشياء سوزني شكلي بر روي الكترود منفي دستگاه ايجاد كننده قوس الكتريكي يافتند. آزمايشهاي متعدد نشان داد كه اين اشياء

سوزني شكل٬ صفحات گرافيتي لوله شده اي هستند كه داراي قطري در محدوده nm 1 وطولي در حدود ميكرومتر هستند. اين نانو لوله ها كه مي توانند تك جداره (SWNT) و يا چند

جداره (MWNT) باشند داراي نوك مخروطي شكل وبسته اي هستند و اين امكان را دارند تا به روشهاي شيميايي باز شده وبا ذخيره كردن مواد خاصي در آنها مثل ئيدروژن٬ Ni و يا Liاز

آنها به عنوان پيلهاي سوختي با عمر طوالني ويا كاربردهاي متعدد ديگر استفاده كرد. مطالعه فيزيكي اين نانو لوله ها با ضخامتهاي بسيار كم به عنوان يك سيستم شبه يك بعدي٬

بروز عامل  دارد.  وجود   K500 تا  حتی  ابررسانايي  بروز  امكان  بعدي  يك  شبه  سيستم  دريک  كه  دهد  می  نشان  نظري  مطالعه  يك  است.  گرفته  قرار  فيزيكدانان  شديد  توجه  مورد 

الکترونيکی چند اليه به ابررسانايی دمای باال می تواند در يک سيستم  اين  ميرا در سيستم شبه يك بعدي مي باشد[6].عالوه بر  غير  آكوستيكی  ابررسانايي مدهاي پالسموني 

واسطه جاذبه حاملهای بار در يک اليه رسانا از طريق تعويض پالسمونهای مجازي در اليه مجاور رخ دهد[7].

با توجه به اين تئوريها٬ نانولوله های کربنی تک جداره(SWNT)و چند جداره (MWNT) با توجه به ضخامت آنها (nm 1) كه به طور منحصر به فردي شبه يك بعدي اند براي بروز ابررسانايي

دماي باال با واسطه پالسموني ايده آل به نظر مي رسند. ضمن اينكه نانو لوله هاي چند جداره هم يك بعدي اند و هم داراي ساختار الكترونيكي چند اليه مي باشند. مطالعات ديگر

نشان مي دهد[8] كه نانو لوله هاي كربني بستر مناسبي براي حركت زوج كوپر فراهم مي آورند و به عبارتي رساناي زوج كوپر ميباشند(در ابررساناها٬ حاملهاي بار زوج الكترونهايي

هستند كه توسط عوامل مختلف همديگر را به جاي دفع٬ جذب مي كنند و همين جاذبه عامل ابررسانايي است. اين زوج الكترون را زوج كوپر مي نامند). كشف ابررسانايي K 15 در نانو

لوله هاي كربني خالص [9٬10] نه تنها حيرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضايايي را كه حدود 40 سال پيش انتقال فاز را در سيستمهاي يك و يا دو بعدي ممنوع مي دانستند رد

كرده است.

Zhao و همکارانش [11] داليل متعددي را ارائه كرده اند كه مي توان ابررسانايي دماي اتاق را در نانو لوله های کربنی يافت. آنها بيش از 20 دليل ارائه كرده اند كه اين نانو لوله ها ي

كربني از خود خواصي را نشان مي دهند كه بيانگر ابررسانايي دماي اتاق در آنها است. 

اينكه ماده اي در ابعاد آنچه كه جالب است تالقي دو انقالب علمی يعني ابررسانايي و نانو تكنولوژي است. بي شك ابررسانايي دماي اتاق رويايي در ذهن فيزيكدانان است. خصوصاٌ 

و صنعتي داشته باشد. كشف علمي  قابل تصوري را در شاخه هاي مختلف  غير  و  متعدد  اتالف حمل نمايد مي تواند كاربردهاي  الكتريسيته را بدون  اتاق بتواند جريان  نانو در دماي 

ابررسانايي دماي اتاق جايزه نوبل را نصيب كاشفان آن مي كند و به نظر مي رسد كه اين كاشفان بايد اميدهاي خود را در نانو لوله هاي كربني جستجو كنند.

استفاده از نانولوله هاي کربني در پيل هاي خورشيدي

فوتون (ذرات نور) از نانولوله هاي کربني در سيستم هاي جمع آوري  اين مسير استفاده  ابداعات جديدي مورد نياز است. در  و  انرژي نور خورشيد٬ روش ها  افزايش بازدهي تبديل  براي 

مسيري جديد در طراحي اين سيستم ها به وجود آورده است. اين مقاله به بحث دربارةروش هاي استفاده از نانولوله هاي کربني به عنوان الکترودهاي حساس به فوتون و نقش آنها در

تبديل انرژي خورشيدي به جريان الکتريسيته مي پردازد.

سازمان ملل متحد٬ آيين نامه اي را تحت عنوان تثبيت ميزان غلظت گازهاي گلخانه اي اتمسفر در حدي که بتواند از خطر تداخل آنتروپوژنيک (anthropogenic) با سيستم آب و هوايي

جلوگيري کند٬ به عنوان يکي از پيمان نامه هاي زيرساختاري قرار داده است؛ اين در حالي است که تا سال 2050 ميالدي ده تريليون وات (TW) انرژي بدون انتشار كربن بايد توليد شود

که تقريباً معادل همة منابع انرژي هاي موجود تا به امروز است. 

براي مواجه شدن با افزايش تقاضاي انرژي در آينده اي نزديک٬ چاره اي جز جستجوي منابع انرژي پاک که از نظر پسماند نيز مشکلي نداشته باشند٬ وجود ندارد. سوخت هاي فسيلي

و مشتقات آنها٬ سوخت هسته اي و سوخت هاي تجديد پذير از اصلي ترين منابع تأمين کنندة ده تريليون وات انرژي در سال هاي آتي هستند. 

در ميان انرژي هاي تجديدپذير (مثل باد٬ آب٬ زمين گرمايي (hydrogeothermal) ٬ خورشيد)٬ انرژي خورشيدي به عنوان يک منبع انرژي تمام ناشدني يکي از قابل قبول ترين منابع براي

انرژي توليدشده از نور خورشيد کمتر از 01/0 درصد از تقاضاي انرژي در جهان است. اگر چه انرژي خورشيدي و تشعشعات آن در دستيابي به اين تقاضاي انرژي در آينده است. فعالً 

مقاالت و تحقيقات زيادي مورد بررسي قرار گرفته است ولي به منظور دستيابي به روش هاي اقتصادي تر و داراي راندمان باال براي جمع آوري فوتون ها نوآوري هايي الزم است. 

طي دهة اخير نانومواد به عنوان سيستم هايي جديد براي جمع آوري انرژي نور مطرح شده اند. خواص کم نظير الکتريکي و الکتروني٬ پايداري باالي الکتروشيميايي و سطح بااليي که

اين گونه مواد ايجاد کرده اند انگيزة بسياري از محققان را در به خدمت گرفتن نانوساختارهاي کربني (مثل نانولوله هاي تك ديواره) براي تبديل انرژي هاي مختلف برانگيخته است٬ به طور

مثال فولرين ها خواص فوتوشيميايي بااليي از خود نشان مي دهند و به عنوان پرتابه الکترون (electron shattle) در پيل هاي خورشيدي فوتوشيميايي عمل مي کنند. اين مواد در بهبود

بازده پيل هاي فوتوولتائيک (photo voltaic) آلي نقش مهمي را ايفا مي کنند. 

از يکي  مي کنند.  ايجاد  حفره  الکترون­  جفت  مرئي٬  نور  تحريک  با  که  مي کند  عمل  فوتواکتيو  الکترودهاي  عنوان  به  نيمه هادي  الية  فوتوشيميايي٬  معمول  خورشيدي  پيل هاي  در 

حامل هاي بار (مانند الکترون) به سمت الکترود شمارنده رانده مي شود؛ در حالي که عامل بار ديگر (حفره) به وسيلة جفت اكسايش ­ كاهش موجود در الکتروليت حذف مي شود و به

اين ترتيب جرياني از فوتون ايجاد مي شود. 

انرژي خورشيدي در مقاالت معرفي شده اند. از بهترين نانولوله هاي کربني در تبديل  و نانولـــــــوله هاي ٬stacked­ cup (SCCNT) به عنوان دو نوع   (SWNT) نانولوله هاي تــــــک ديواره

نانولوله ها به صورت معمول از شبکه هاي شش ضلعي کربني تشکيل شده اند كه مورفولوژي خاص آنها و در دسترس بودن سطوح داخلي و خارجي آنها براي افزودن عوامل شيميايي و

اصالح اين سطوح٬ کاربردهاي جديدي را براي اين مواد در فرايندهاي کاتاليستي و الکترونيکي به وجود آورده است. 

تابع کار (work function) نانولوله هاي تک ديواره حدود ­8/4 متفاوت هستند.  با کايراليتي  نانولوله هاي نيمه هادي  و  فلزي  نانولوله هاي  موجود شامل هر دو نوع  نانولوله هاي تک ديوارة 

دارد. لوله ها بستگي  قطر  و  به کايراليتي  البته کامالً  ولت هستند که  الکترون  تا 1/1  بازة صفر  باندگپي در  نانولوله ها داراي  است.   (AVS) مطلق ميزان خالء  اساس  بر  ولت  الکترون 

هنگامي که باند گپ نانولوله هاي نيمه هادي تحريک مي شود٬ دچار جداسازي بار مي شوند. 

از نانولوله هاي کربني در سلول هاي خورشيدي به دو صورت استفاده مي کنند (شکل 1) : 

1 ­ تحريک مستقيم باند گپ نانولوله هاي نيمه هادي؛

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 12/15

2 ­ استفاده از نانولوله هاي رسانا به عنوان مجرايي براي عبور حامل هاي بار از نانوساختارهاي جمع کنندة نور. 

در بخش بعد روشي که نانولوله ها را به صورت اليه اي متراکم درآورده و به عنوان الکترود حساس به فوتون روي سطح رساناي پيل هاي خورشيدي مي نشانند توضيح داده شده است.

شمايي از دو روش موجود در شکل (1) آمده  است. 

رسوب الکتريکي نانولوله هاي کربني تک ديواره روي الکترود شيشه اي رسانا 

قدم اول در ساخت پيل هاي خورشيدي٬ سوار کردن نانولوله ها به صورت فيلم نازک روي سطح الکترود است که در اين زمينه روش هاي مختلفي وجود دارد. در اين آزمايش از روش بسيار

مؤثر رسوب الکترو فورتيک (electrophoretich) در نشاندن نانولوله هاي کربني روي سطح الکترود٬ استفاده شده است. 

ابتدانانولوله هاي کربني به همراه نمک آمونيوم (تترا ُاکتيل آمونيوم برمايد يا TOAB) در تتراهيدروفوران (THF) حل مي شوند. سپس اين سوسپانسيون به پيل الکترو فورتيک شامل دو

الکترود موازي شفاف به نور (OTE) به ضخامت پنج نانومتر٬ انتقال مي يابد. بعد از برقراري ولتاژ 40 ولت مستقيم (dc) نانولوله ها به سمت الکترود مثبت رفته٬ بعد از دو تا سه دقيقه

فيلم نازکي از نانولوله هاي تک ديواره روي سطح الکترود رسوب مي کند (شکل 2) با افزايش زمان اعمال ولتاژ٬ ضخامت فيلم نانولوله هاي تک ديواره افزايش مي  يابد. اليه تشکيل شده

کامالً قوي و براي اندازه گيري هاي الکتروشيميايي نيز مناسب است. 

هنگامي که ميدان مستقيم بين دو الکترود شيشه اي بيشتر از 100V/Cm باشد نانولوله ها به جاي رسوب روي سطح در عرض فضاي بين دو الکترود و به صورت صفوف هم خط و موازي

روي هم  رسوب مي کنند. اين تجمع نانولوله هاي کربني کامالً از هم جدا بوده و به صورت بسيار جالب و مناسب در يک خط و به صورت عمود بر سطح الکترود قرار مي گيرند. نمونه اي از

آن چه در ولتاژهاي باال ايجاد شده در شکل (2) آورده شده است. 

بنابراين به سادگي مي توان جهت گيري و رسوب دهي اليه هاي نانولوله هاي تک ديواره را با کنترل ولتاژ تغيير داد. به روشي مشابه مي توان فيلم نانولوله هاي تک ديواره و SCCNT ٬ را روي

سطح الکترودهاي ديگري مثل صفحات بسيار نازک کربني رسوب داد. براي تعيين مورفولوژي الکترودهاي متشکل از نانولوله هاي تک ديواره و SCCNT از ميکروسکوپ الکتروني روبشي

SEM استفاده شده که تصاوير آن در شکل (3) آورده شده است. 

جداسازي بارهاي القاء شدة فوتوني در فيلم نانولوله هاي تک ديواره

موازي نانولوله هاي االستيک كالف هاي  از پاسخ  استفاده  اخير با  مثال در سالهاي  عنوان  آنها در پاسخ دهي به نور است. به  از خواص جالب نانولوله  هاي کربني نيمه هادي٬ توانايي 

قرار گرفته بودند٬ خاصيت تحريک پذيري فوتوني فيلم هاي نانولوله هاي کربني مشخص شده است. آوريس و همکارانش (Avouris) پديده لومينسانس کربني که بين دو الکترود فلزي 

حامل هاي تابش کنندة بار را به وسيلة ترانزيستورهاي اثر­ ميداني (FET) نانولوله هاي کربني دو قطبي مشاهده کردند. الکترون­ حفره ها به يک مدار خارجي تزريق مي شوند و با ترکيب

مجدد آنها نور توليد مي شود. 

گزارش هاي اخير در مورد اثر فلوئورسانسي باند گپ از نمونه هاي نانولوله هاي نيمه هادي تك ديوارة منفرد٬ نشان مي دهد که امکان تصحيح خواص اپتيکي نانولوله  به كمك نانولوله هاي

ون هو (van Hove) در ساختار فوتوني  القاي  از  فمتوثانيه بعد  اليه حدود صد  الکترون­ حفره در لبة  ماندن جفت  اسپکتروسکپي نشان مي دهند که زمان  مطالعات  وجود دارد.  منفرد 

لوله اي است. مطالعات اخير نشان دهندة توانايي ساختار اليه اي نانولوله ها در جداسازي جفت الکترون­ حفره به وسيلة القاي نورمرئي است.

به منظور استفاده از حامل هاي بار توليدشده به وسيلة فوتون براي ايجاد جريان الکتريسيته٬ ترکيب مجدد حامل هاي بار محدود شده فضايي در نانولوله به وسيلة برهم کنش هاي کولمبي

با پيوندهاي دوگانه که اکسايتون نام دارند٬ جفت مي شوند. اغلب اين اکسايتون ها از سطوح باالي C 2 و V 2 ٬ از طريق گذارهاي بين باندي به ترازهاي C 1 و V 1 زير گپ افت کرده٬ و

بدين ترتيب يک اکسايتون زير باندگپ ثانويه (Second Sub­bandgap) را مي سازند. 

ايجاد حالت بارهاي تفکيکي نقش مهمي در الکترون­ حفره هاي جفت نشده هستند. جداسازي اكسايتون ها به دليل  و تشکيل  قادر به تجزيه شدن  از اكسايتون  ها  تنها کسر کوچکي 

توليد جريان فوتوني دارد. 

جداسازي بارها در نانولوله ها به وسيلة طيف سنجي با پروب پمپ ليزر فمتوثانيه اي (Femtosecond laser pump­probe spectroscopy) به خوبي مورد تحليل و بررسي قرار مي گيرد. اين

روش براي تحقيق در مورد فرايندهاي بسيار سريع که بر اثر تحريک نانولوله هاي کربني يا مواد نيمه هادي اتفاق مي افتند٬بسيار مفيد است. در يک آزمايش واقعي٬ تغييرات جذب در

نانولوله هاي تحريک سوسپانسيون  با  مختلف  زمان هاي گذار  در  مختلف  ثبت شده است. طيف هاي جذبي  ليزري کوتاه  پالس  يک  با  تحريک  از طريق  متفاوت  زمان هاي گذار  در  نمونه 

تک ديواره در HTF با پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 130 فمتوثانيه ثبت شده است. در شکل (5) نمونه اي از طيف جذب انتقالي و از بين رفتن جذب در پالس 700 نانومتر نشان داده

و توده شدن و زاويه کايرال  قرمز طيف مي شود. پهناي باند بي رنگ با تغيير قطر نانولوله ها  فوتوني باعث رنگبري (bleaching) جذب نانولوله هاي تک ديواره در ناحية  القاي  شده است. 

ذرات تغيير مي کند و بي رنگ شدن در ناحية مرئي که مطابق انتقال V2­C2 است در کمتر از يک پيکوثانيه تجديد مي شود که از اين بابت شبيه به ايجاد باند الکترون­ حفره و يا انتقال

الکترون­ حفره در باند گپ اصلي V1­C1 و طول عمرشان (10­100 پيكوثانيه) به شدت به برانگيختگي برانگيختگي به باند C1­ V1 است. محققان مشاهده کردند که جمع آوري جفت 

انداختن بار٬ معتقدند كه پيچيدگي هاي حالت هاي مختلف به دام  وجود دارد  از بين رفتن گسيل ها  و  انتقالي  اين دانشمندان براساس تفاوت هايي که بين بازيافت جذب  بستگي دارد. 

فاکتور مهمي در انتقال الکترونيکي محسوب مي شود. 

به طور کلي حضور چنين حالت هاي سطحي٬ در تثبيت حامل هاي بار توليدي و شرکت در توليد جريان فوتوني بسيار مؤثر است و با افزايش احتمال جمع آوري در سطح الکترود٬ افزايش

نانولوله هاي روي  بار  از حامل هاي  قبولي  قابل  تعداد  تجمع  نشان دهندة  مي شود  ايجاد  ليزري  پالس  القاي  دنبال  به  که  انتقالي  شدن  بي رنگ  مي شود.  قطعي  نيز  بارها  جداسازي 

الکتريکي توليد جريان  براي  نانولوله هاي تک ديواره  روي  توليدشده  فوتوالقايي  بار  مناسب حامل هاي  مي شود چگونگي جمع آوري  مطرح  اينجا  است. سؤالي که در  موجود  تک ديوارة 

است٬ مانند آنچه در نيمه هادي هاي ديگر و پيل هاي فوتوولتائيک ديگر اتفاق مي افتد. 

سلول هاي خورشيدي فوتوالکتروشيميايي 

با استفاده از نانولوله هاي تک ديواره و SCCNTهاي رسوب داده شده به روش الکتروفورتيک٬ به عنوان الکترودهاي حساس در مقابل ذره هاي فوتون٬ مي توان سلول  هاي فوتوالکتروشيمي

ساخت. با توليد زوج اكسايش­ كاهش مانند (­I2/I3) در حالل استونيتريل مي توان الکتروليت رسانايي بين فيلم نانولوله  و الکترود شمارنده پالتين به وجود آورد. شکل هاي (6) و (7)

نشان دهندة پاسخ فيلم نانولوله هاي تک ديواره در برخورد با نور گسيل شده است. نور برخوردي (با طول موج بزرگتر از 400 نانومتر) باعث برانگيخته شدن نانولوله هاي تک ديواره ها و توليد

12mV 8 وµA/Cm2 حامل هاي بار مي شود. ايجاد آني جريان فوتوني را بعد از برانگيخته شدن در شکل (6) مشاهده مي کنيم. بيشترين جريان و ولتاژ ايجاد شده در اين آزمايش به ترتيب

است. بازدهي تبديل فوتوني به صورت نسبت فوتون هاي گسيل شده به حامل هاي بار (IPCE) تعريف مي شود که با اندازه گيري جريان فوتوني در طول موج هاي القائي متفاوت به وجود

پيل هاي خورشيدي براي  مقدار  اين  مي رفت  انتظار  که  است  حالي  در  اين  آمده است٬  به دست  نانومتر   400 موج  در طول  درصد   15/0 در حدود   IPCE مقدار  بيشترين  آمده است. 

فوتوشيميايي در بازة 80­90 درصد باشد. گرچه مقدار IPCE به دست آمده براي پيل هاي خورشيدي ايجادشده به وسيلة نانولوله ها نسبتاً کم است ولي قابليت تكرار و تجديدپذيري اثر

فوتوالکتروشيميايي مي تواند باعث ايجاد جريان پايدار در زوج اكسايش­ كاهش موجود (­I2/I3) شود. 

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 13/15

و در يک گردش خارجي به فوتون در سطح OTE جمع مي شوند  آن حفره هاي توليدشده به وسيلة  فيلم نانولوله هاي تک ديواره سازوكاري را نشان مي دهد که در  توليد جريان کاتدي 

فوتوني به حالت پايدار نقش از بارها مي شود که خود در رساندن جريان  الکترود  اكسايش­ كاهش (­I2/I3)٬ باعث پاک شدن سطح  ايجاد مجدد زوج  انتقال مي يابد.  الكترود شمارنده 

بسزايي دارد. مشاهدة جريان فوتوني کاتد باعث تقويت اين نظريه مي شود که نانولوله هاي تک ديواره استفاده شده در اين تحقيق داراي خواص نيمه هادي نوع p هستند. 

از SnO2 روي OTE ٬ سطح وي ژه را براي جمع آوري بارهاي توليدشدة فوتوني افزايش مي دهد و همان طور که از نتايج نيز برمي آيد اين افزايش سطح الکترود باعث قرار دادن اليه اي 

سه برابر شدن جريان فوتوني در سيستم مي شود. نانولوله هاي کربني تك ديواره و يا چندديواره اغلب حالت توده شدن و تجمعي به خود مي گيرند؛ اما نانوذرات SCCNT هنگامي که

روي سطح الکترود رسوب مي کنند به صورت ذرات مجزا هستند. 

تفاوت در شکل (مورفولوژي) اين دو فيلم در تصاوير SEM (شکل 3) قابل مشاهده است. همان طور که در مطالعات قبلي نيز خاطر نشان شده است اين لوله هاي توخالي داراي بخش

فوتو هاي  پيل  در   SCCNT فيلم هاي  کلي  طور  به  مي رساند.  خود  مقدار  کمترين  به  را  لوله ها  بين  واندروالس  نيروي  که  هستند  روباز  و  خارجي  لبه هاي  توجهي  قابل  و  عمده 

الکتروشيميايي عملکرد بهتري نسبت به نانولوله هاي تک ديواره نشان مي دهند. 

الکترود OTE/SnO2/SCCNT به محض قرار گرفتن در معرض القاي نورمرئي جريان فوتوني ايجاد مي کند (فيلم SCCNT روي الکترود شيشه اي رسانايي ساخته شده است که روي آن

ذرات SnO2 قرار گرفته است) . 

n هاي به وجودآمده بيشتر شبيه نيمه هادي هاي نوعSCCNT جمع مي شود. رفتار SnO2 به وسيلة نانوکريستال هاي SCCNTفوتوني در الکترون هاي توليدشدة  آندي٬  ايجاد جريان  براي 

ايجاد خواص عوامل شيميايي در  تأثير  يا  و  آنها  نانولوله ها (dopant) در طول سنتز  آاليش ذاتي  اثر  مي كنند. بررسي  عمل  نانولوله هاي تک ديواره  فيلم  رفتار  مخالف  است که درست 

نيمه هادي  نوع n يا p در نانولوله هاي کربني بسيار مؤثر است. مقدار بازده تبديل فوتون ها در طول موج هاي القايي متفاوت٬ در شکل (8) نشان داده شده است که بيشترين آن در چهار

از دوباره ترکيب شدن بارها در حرکت فرايند جلوگيري  اعمال باياس خارجي به  وسيلة بار پتانسيل٬  اتفاق مي افتند.  ولت  و در 17 درصد تحت باياس 2/0  باياس  بدون هيچ گونه  درصد 

به سمت سطح الکترود را تسهيل مي کند. 

در شرايط يکسان آزمايشگاهي٬ مقدار IPCE ثبت شده براي الکترود SCCNT نسبت به الکترود نانولوله هاي تک ديواره يك مرتبه بزرگتر است. هدف ما باال بردن کارايي سيستم نسبت

SCCNT به پيل هاي خورشيدي ديگر و رساندن اين بازده به صد درصد٬ چيزي نزديک به مدل هاي تئوري است که به وسيلة تصحيح خواص سطحي و مورفولوژي نانولوله هاي تک ديواره و

در حال انجام است. 

هيبريدهاي نانولوله  تک ديواره­ نيمه هادي 

قابليت كاهش بازترکيب مجدد در الکترون در عرض ذرات٬  انتقال  مزوسکوپيک شکل گرفته اند  فيلم هاي نيمه هادي  و يا  فوتوالکتروشيميايي که بر اساس نانوساختارها  در سلول  هاي 

دادن همة سيستم هاي قرار  نفوذ  تحت  براي  مناسبي  و  مؤثر  بسيار  راه  نيمه هادي ها)  (مانند  نور  در سيستم هاي جمع آوري  نانولوله هاي کربني  از  استفاده  دارد.  را  ذرات  مرزدانة 

جمع آوري فوتون است. در شکل (9) اين دو روش قابل مشاهده هستند. نانولوله هاي تک ديواره کانديداي ايده آلي براي مجراي جمع آوري و انتقال بار سيستم هاي جمع آوري نور است.

نانولوله هاي كند.  ايجاد  باال  بسيار  راندمان  با  فوتوني  مرئي جرياني  نور  به وسيلة  مي تواند  است که  تک ديواره)  سولفيد/نانولولة  (کادميوم   CdS/SWNT کامپوزيت توجه  مورد  موارد  از 

تک ديواره از روشنايي و درخشندگي کادميوم جلوگيري مي کند و درخشندگي آن به وسيلة نانولوله هاي تک ديواره فرو نشانده مي شود. 

انتقال٬ غيرفعال شدن سريع برانگيختگي کادميوم سولفيد (CdS) را روي سطح نانولوله هاي تک ديواره تأييد مي کند همان طور که بي رنگ شدن انتقالي آن در حدود آزمايش هاي جذب 

200 پيکوثانيه تجديد مي شود. 

به منظور آزمايش فرضيات مربوط به انتقال الکترون بين CdS برانگيخته شده و نانولوله هاي تک ديواره در الية کامپوزيت٬ بايد ذرات کادميوم سولفيد را روي الکترود نانولوله هاي تک ديواره

فيلم نانولوله هاي تک ديواره را روي OTE رسوب مي دهيم و بافروبردن الکترودها در محلولي شامل الکتروفورتيک  ابتدا به وسيلة رسوب دهي  رسوب دهيم (مثل OTE/SWNT/CdS) ؛ 

واکنش  ­S2 با   +Cd2 يون هاي جذب شدة  تنها  كه  به طوري  مي شوند٬  شسته  کامالً  ديونيزه شده  آب  به وسيلة  الکترودها  مي گيرند٬ سپس  CdS شکل  نانوکريستال هاي   ­S2و+Cd2

فلزات فلزات كالكوژني بر روي اکسيد  از  فيلم هاي نانوساختار  اين روش هاي رسوب دهي جذب يوني شبيه به روش هايي است که براي ساخت  از  اينكه بعضي  قابل توجه  مي دهد. 

استفاده مي شود. همچنين يون Cd2+ به آساني روي نانولوله هاي تک ديواره جذب و با ­S2 واکنش داده و نانوکريستال هاي CdS را با ضخامت 500 نانومتر تشکيل مي دهد. 

استفاده از بين رونده است  الکترون  دهندة  عنوان  به  که  آمين  اتانول  تري  درصد   1/0 با  استونيتريل  محلول  شامل  فوتوالکتروشيميايي  سلول   OTE/SWNT/CdS الکترود  از  جا  اين  در 

شده است. تري اتانول آمين در از بين بردن حفره هاي فوتوني ايجادشده در سطح الکترود٬ دچار اکسيداسيون غيرقابل برگشت مي شود. با تحريك فيلم نانولوله هاي تک ديواره بهبود يافته

با CdS به وسيلة نور مرئي (λ> 380 نانومتر) جريان فوتوني در آن مشاهده مي شود. 

القايي در شکل (10) نشان داده شده است. کم شدن IPCE در500 آمپر است٬ تابعيت IPCE با طول موج  ميكرو  مدار کوتاه 6/2  و جريان   200mV مدار باز حدود ولتاژ  براي حالتي که 

نانومتر و به دنبال آن جذب اختصاصي CdS مشاهده مي شود (نمودار ضميمه شده در شکل 10) . همان طور که در طيف هاي فعال جريان فوتوني مشخص است جريان ايجادشده٬ تحت

نانولوله هاي است که به وسيلة شبکة  الکترود جمع آوري  از CdS به  فيلم ٬SWNT/CdS نشان دهندة جهت جريان  آندي  مشاهدة جريان  عالوه  مي گيرد. به  قرار   CdS اوليه القاي  تأثير 

تک ديواره پوشانده شده است. به هر حال قابليت سيستم هاي نانوکامپوزيتي CdS/SWNT در جداسازي بارهاي فوتوالقايي موجب ايجاد روند جديدي در طراحي ساختارهاي جمع آوري

نور شده است. 

 + (+NT­H4P2++hv   SWNT­1 (H4P2 (1

 +SWNT­1 (H4P2+) +   SWNT­ (H4P) (2

ساختار نانولولة تک ديواره­ پورفيرين 

نانولوله هاي تک ديواره داراي سطح منحني شکل ويژه اي هستند که اتصال آنها را به مولکول هاي آلي بزرگ به وسيلة برهم کنش هاي غيرکوواالنسي يا نيروهاي آب گريز٬ آسان مي کند.

تک ديواره نانولوله هاي  و  پورفيرين  بين  برهم کنش  دارند.   π­π برهم کنش  از طريق  تک ديواره  نانولوله هاي  با  غيرکوواالنسي  تركيب  به  زيادي  ميل  پورفيرين  مولکول   مانند  مولکول هايي 

مي تواند براي رسيدن به ساختار سوپرمولکوالر تنظيم شود. براي رسيدن به ساختار مورد نظر مي توان با استفاده از چنين خواصي٬ ترکيب پورفيرين­ پروتونه (H4P2+) نوع H و J را به

صورت توده شده روي سطح نانولولة تک ديواره جايگزين کرد. همچنين اين پديدة غيرمعمول ٬ يعني توده شدن روي نانولولة تک ديواره٬ مي تواند کامپوزيت ها را به صورت باندهاي خطي در

کنار هم قرار دهد. پورفيرين يک مولکول فوتوني فعال است که اغلب به منظور ايجاد (تقليد) فرايند فوتوسنتز طبيعي در آزمايشگاه مورد استفاده قرار مي گيرد. انتقال بار بين پورفيرين و

پيل سطح  در  جمع آوري  و  سطح  به  فوتوني  توليدشدة  الکترون هاي  انتقال  در  تک ديواره  نانولوله هاي  همچنين  مي شود.  انجام  نورمرئي  القاي  به وسيلة  تک ديواره  نانولوله هاي 

فوتوالکتروشيميايي نقش بسزايي دارند و موجب تسهيل اين امر مي شوند. الية هدايت نانولوله هاي نيمه هادي در بازة صفر تا نيم ولت بر حسب الکترود هيدروژني نرمال (NHE) قرار

مي گيرد. انتقال بار از پورفيرين برانگيخته شده به مرزهاي نانولوله هاي تک ديواره به صورت زير است: 

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 14/15

آرايه هاي سه بعدي روي اليه هاي نانوساختاري SnO2 آرايش يابند. الکتروفورتيک به صورت  و پورفيرين پروتونه مي توانند به وسيلة رسوب  سيستم هاي مولکولي نانولوله هاي تک ديواره 

الية کامپوزيتي SWNT­H4P2+ که روي سطح الکترود قرار گرفته٬ با اعمال پتانسيل 2/0 ولت بر حسب ٬SCE بازدهي (IPCE) سيزده درصد نشان مي دهد. 

الکترودهاي تهيه شده از نانولوله هاي تک ديواره از طريق تقويت انتقال بار در اثر تعامل با پورفيرين القايي و ايجاد مجرايي براي انتقال الکترون هاي تزريق شده به الکتروِد جمع آوري٬ ايفاي

نقش مي کنند. با توجه به اين مطالب٬ طراحي دقيق ساختمان نانولوله ها و توجه به خواص سطحي آنها در بهبود بازدهي پيل هاي خورشيدي الکتروشيميايي نقش بسزايي دارد. 

نتيجه گيري 

ايجاد ارائه مي دهد. بهبود جداسازي بارها در نانوساختارهاي کربني باعث  فوتوالکتروشيميايي نانولوله هاي کربني  موارد جالبي را در زمينة خواص  مقاله  اين  مورد بحث در  مثال هاي 

از عوامل کليدي در بهبود الکترود٬  و راهبردهاي مناسب براي نشاندن دو يا چند جزء روي سطح  ايجاد روش ها  و توليد پيل هاي خورشيدي مي شود.  پيشرفت هاي زيادي در طراحي 

کارايي پيل هاي خورشيدي به شمار مي رود که در همين مسير براي ايجاد و تکميل سيستم هاي هيبريدي با توانايي و کارايي مضاعف در زمينة طراح هاي تبديلي انرژي خورشيدي

احتياج به تالش ها و فعاليت هاي زيادي است. 

شکل 1. روش هاي استفاده از نانولوله هاي کربني در پيل هاي خورشيدي فوتوشيميايي به وسيلة: (چپ) برانگيختگي مستقيم نانولوله هاي کربني و (راست) برانگيختگي ساختارهاي

از حامل هاي بار روي سطح فوتوني به صورت h وe نشان داده شده است. يکي  القاء  ايجادشده به وسيلة  الکترون­ حفره هاي  آنها ثابت شده اند.  تجمع نور که نانولوله هاي کربني روي 

الکترود جمع مي شود و ديگري با اکسيد شدن (O) يا احيا شدن (R) توسط زوج اکسايش­ کاهش موجود در الکتروليت٬ از سطح الکترود پاک مي شود

شکل 2. سوسپانسيون نانولوله هاي تک ديواره در THF به صورت رسوب فيلمي نازک روي الکترود رساناي شيشه اي OTE در ميدان dc پايين (کمتر از  100V/Cm) و يا رسوب نانولوله هاي

تک ديواره به صورت كالف هاي خطي بر سطح الکترود در ميدان dc باال قابل رؤيت است.

stacked ­ cup نانولوله هاي :(b) نانولوله هاي تک ديواره :(a) از فيلم رسوب داده شدة الکتروفورتيک SEM شکل 3. تصاوير

شکل4. نمايي از چگالي حالت ها در يک نانولوله کربني. حفره هاي ايجادشده به وسيله فوتون در سطح الکترود محصور مي شوند که خود باعث ايجاد جريان در پيل فوتوالکترو شيميايي

مي شود. C1 و C2 مربوط به الية هدايت و V1 وV2 مربوط به الية ظرفيت هستند. h وe نيز حفره و الکترون ايجادشده در اثر تحريک نوري نانولوله هاي تک ديواره هستند.

.∆t=0 با استفاده از پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 150 فمتوثانيه و THF شکل 5. طيف جذب انتقالي زمان ثابت براي سوسپانسيون نانولوله هاي تک ديواره در

شکل 6. جريان فوتوني (a) و ولتاژ فوتوني (b) سيکل هاي قطع­ وصل براي فيلم برانگيخته شدة OTE/SWNT به وسيلة نورمرئي (P~100mW/Cm2 و 400nm< ) الکتروليت شامل 5/0

مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونيتريل است و الکترود شمارنده (CE) از پالتين تشکيل شده است.

از الکترود شمارنده  القايي متفاوت است.  الکترود (a) OTE/SWNT و OTE/SnO2/SWNT که نشان دهندة ميزان بازده IPCE در طول موج هاي  فوتون ها در  شکل 7. طيف حرکتي جريان 

روي رسوب  به وسيلة  که  تک ديواره  نانولوله هاي  فيلم  جذبي  نمودار ضميمه شده طيف  در  است.  استونيتريل  در   I2 از  مول   0.01 و   LiI مول   5/0 شامل  الكتروليت  و  پالتين  جنس 

Isc که = / isc/Iinc) 100:از فرمول زير استفاده شده است IPCE است. براي تعيين OTE فقط الکترود (c) به وجود آمده است نشان داده شده است. خط OTE/SnO2 و OTE الکترودهاي

جريان فوتوني مدار کوتاه و Iinc شدت نور گسيل شده است.

و b) بدون هيچ پتانسيلي. نمودار ضميمه شده نشان دهندة  SCE ولت بر اساس الکترود OTE/SnO2/SCCNT a) تحت پتانسيل باياس 2/0  فوتوني براي  شکل 8. طيف حرکتي جريان 

OTE/TiO2/SCCNT بدون هيچ پتانسيلي و OTE/SnO2/SCCNT و SCE تحت پتانسيل با ياس 2/0 ولت بر حسب OTE/SnO2/SCCNT :براي الکترودهاي (ISC) فوتوني مدار کوتاه جريان 

فيلم SCCNT نشان داده از   SEM است. همچنين تصوير الکترود  الکترون به سطح  انتقال  و   SCCNT فيلم در  بارها  راست نشان دهندة جداسازي  پتانسيلي. شکل سمت  بدون هيچ 

شده است (توان ورودي معادل78mW/Cm­2 و 400nm< است).

شکل 9. تشريح انتقال تصادفي حامل هاي بار در فيلم هاي نيمه هادي مزوپور بر حسب جهت انتقال بار در نانولوله ها در ساختارهاي هيبريدي تشکيل شده

شکل 10. ميزان بازده IPCE براي الکترود OTE/SWNT/CdS. نمودار ضميمه شده نشان دهندة تفاوت جذب بين OTE/SWNT/CdS و فيلم نانولوله هاي تک ديواره خالص است.

a) ساختار مولکولي پوفيرين­ پروتونه نانولوله هاي تک ديواره با برهم کنش هاي π ­π؛

b) تصاوير TEM ساختارهاي ميله مانند؛

(+OTE/SnO2/SWNT­ H4P2) طيف حرکتي جريان فوتوني براي الکترود (c

a) با کاربرد پتانسيل باياس 1/0 ولت برحسب SCE ؛

b) با کاربرد پتانسيل باياس 2/0 ولت بر حسب SCE ؛

c) بدون به کارگيري پتانسيل باياس 

الکتروليت هم شامل 5/0 مول Nal و 01/0 مول I2 در استونيتريل است.

الکترود مورد نظر (OTE/SnO2/SWNTS­H4P2+) شامل يک ميلي گرم SWNT و 2/0 ميلي مول H4P2+ است.

اثر نشر ميداني الکتروني در فيلم نانولوله هاي کربني

براي آمده  به دست  تجربي  نتايج  و  فلزات  در نشرميداني  تئوري  نتايج  به  توجه  با  و  بررسي شده  الکترون  ناشر  نانولوله کربني  فيلم  يک  ويژگي هاي  به طور خالصه  اين گزارش٬  در 

نانولوله هاي کربني در مقاالت و گزارش هاي اخير٬ عناصر مؤثر در يک فيلم مورد ارزيابي قرار مي گيرد. در انتها خصوصيات يک فيلم نانولوله اي بهينه براي کاربرد در صنعت ارائه مي شود

ا. تئوري مسئله 

اثر نشر ميداني الکترون ها از سطح يک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات مي شود٬ عبارت است از تونل زني الکترون از سطح فرمي فلز به درون ناحيه ديگر که معموالً خالء است. اين

يک پديده کامالً کوانتومي است و الکترون ها از حاالت محدود شده فلزي با غلبه بر يک سد پتانسيلي در فصل مشترک فلز با محيط اطرافش٬ به يک ذره آزاد تغييرحالت مي دهند. 

اين اثر همان طور که از اسمش پيداست در اثر بر همکنش ميدان الکتريکي با فلز٬ روي مي دهد پس در زمره کوانتوم الکترو ديناميک بررسي مي شود. تقريب هاي نظري در مورد يک

جريان نشري الکتروني از يک فلز٬ به طور معمول در يک مدل نيمه کالسيک صورت مي پذيرد٬ که به نظريه فـولر­ ناردهيم [1] (Fowler­Nardheim) مشهور است. (شکل 1) 

ميدان اطراف الکترود فلزي تخت به صورت تابعي از فاصله و پتانسيل الکتريکي به صورت زيرتعريف مي شود. 

ما همين مطالعات٬ تک ديواره (SWNTs) بودن يا چند ديواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملي مؤثر مورد بررسي قرار داده اند [5]. 

رفتار و  قطر  نانولوله ها که به  فرد  به  منحصر  ويژگي هاي شيميايي  و  اول٬ ساختار ذاتي  مي شود؛  نانولوله هاي کربني به دو دسته تقسيم  ميداني  مؤثر در نشر  عوامل  به طور کلي 

سطحي آنها و نيز باز و بسته بودن انتهاي آنها برمي گردد. دوم٬ چگالي و نيز نوع جهت گيري آنها بر روي سطح فيلمي که رشد داده شده اند. اين زيراليه مي تواند با توجه به نوع کاربرد٬

آستانه ميدان  الکتروني در  و نرمال است٬ نشر  متوسط  آنها  فيلم هايي که چگالي نانولوله ها روي  فراوان نشان مي دهد که در  و. . . باشد. بررسي روي نمونه هاي  و طال  سيليکون 

4/26/2016 مبحثی در مورد نانولوله هاي کربني

https://rasekhoon.net/Article/Print­23352.aspx 15/15

کمتري صورت مي گيرد[6]. شکل (3) به خوبي نشان مي دهد که فيلم با چگالي متوسط٬ نشر يکنواخت و واضحي را نشان مي دهد که در آن٬ خطوط٬ پل ها و نقاط بر روي فيلم ساخته

شده قابل تمايز هستند 

تعيين الکتريکي  ميدان  يک  براي  را  الکتروني که جريان نشرشده  نشرکننده  يک  ميداني  تقويت  است.  الکترون  ناشران  در  و هندسه  فيلم  مهم چگالي  نقش  اثبات کننده  نتايج  اين 

مي کند٬ تنها به هندسه نشرکننده يعني شعاع انحناي نوک و ارتفاع نانولوله ها از زيراليه بستگي دارد. اما وجود يک چگالي بهينه نانولوله اي روي فيلم که در چگالي هاي متوسط روي

مي دهد نشان دهنده فاصله اي بهينه بين نانولوله هاي ناشر الکتروني است که ما را به الگوي پخش نانولوله ها روي زيراليه ها براي کارايي بهتر راهنمايي مي کند. اين فاصله تقريباً يک تا

دو برابر ارتفاع نانولوله هاي کاربردي است که امروزه موضوع تحقيقاتي مهمي براي شرکت هاي توليد کننده پانل هاي نمايشي (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبيه سازي

شده اين مسئله را مي توان ديد و به مقايسه آنها پرداخت. 

اما عاملي که روي کاربرد آنها تأثير بسزايي دارد٬ ثابت باقي ماندن اين يکنواختي و شدت نشر الکتروني در طول زمان است که روي طول عمر فيلم ها­ در مقياس تجاري­ مؤثر است. با

از نانولوله هاي تک ديواره و چند ديواره و آزمايش در شرايط يکسان٬ اين نتيجه حاصل شده است که افت در نشرالکتروني در فيلم هاي تک ديواره ده مقايسه فيلم هاي ساخته شده 

برابر سريع تر از فيلم چند ديواره رخ مي دهد. [5] اين پديده را شايد بتوان به حساسيت نانولوله هاي تک ديواره نسبت به بمباران يوني و پرتويي نسبت داد که چند ديواره بودن٬ اين ضعف

از متوسطي  فيلمي است با چگالي  فيلم نانولوله اي٬  از بين برود. با توجه به توضيحات داده شده بهترين  و نمي گذارد که تعادل ساختاري  را با پوشش ديوارهاي ديگر حذف مي کند 

نانولوله هاي چند ديواره با انتهاي بسته که به طور يکنواخت روي زيراليه اي توزيع شده اند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتريکي٬ نشر يکنواختي را ايجاد کنند که آخري در صرفه جويي انرژي

مؤثر است. 

در شکل (5)٬ طرح ساده اي از يک نمايشگر نانوتيوپي نشان داده شده است(5) ٬ نانولوله کربني که انتهاي آن بر روي يک زيراليه سيليکوني قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتريکي

تحريک ميشود تا به گسيل الکتروني بپردازد دقيقا همان کاري را که تفنگ الکتروني در نمايشگرهاي عادي انجام ميدهد. الکترونهاي منتشر شده در فاصله بين اليه فسفري و نانولوله

شتاب داده مي شوند تا در هنگام جذب بتوانند اين اليه را برانگيخته کنند تا در انتها با ايجاد نورهاي رنگي که ما برروي نمايشگر مي بينيم کار به پايان برسد .

3. نتيجه

پارامترهاي موثر در ساختمان يک فيلم نانو لوله اي گسيل ميداني غالبا از نوع هندسي هستند و ما با کنترل شرايط فيزيکي محيط در هنگام رشد نانولوله ها برروي زيراليه 

مي توانيم کيفيت کاربردي و تجاري آن را بهبود ببخشيم .

منابع :

www. nanoeurope. Org

www. impart­nanotox. Org

www. semi. Org

www. msel. nist. gov/Nanotube2/2nd_Joint_Workshop. Htm

www. compositesworld. com/ct/issues/2005/April/802

 .www. dke. de/DKE/Aktuelles/Veranstaltungen/ShowEvent

http://www.mrs.org/publications/bulletin/2004/apr/apr04_intro.pdf

/http://nano.ir

http://www.irche.com

 /http://www.nanotechnology.com

/الف

http://rasekhoon.net/article/show/128476/مبحثی­در­مورد­نانولوله هاي­کربني/تمامی حقوق این پایگاه متعلق به موسسه فرهنگی و هنری نور راسخون وابسته به سازمان اوقاف و امور خيریه می باشد.