20
25
26
26
28
29
32
34
34
34
36
36
39
40
41
45

49
60
76
76
76
78
81
84

فصل اول
مقدمه‌ای بر نانو فناوری و کاربردهای آن
1-1-چکیده
بررسی وتحلیل ارتعاشات آزاد و اجباری نانولوله کربنی چند جداره مستقر در یک محیط الاستیک به منظور دستیابی به درک ریاضی روشن از رفتار جداره های مختلف نانولوله تحت تاثیر نیروهای وان در والسی و ماده واسطه الاستیک یکی از مقوله های بسیار مهم در بررسی رفتار نانولوله کربنی جند جداره است.
تحلیل ارتعاشات خطی نانو لوله کربنی تحت مدل های تیر اویلر-برنولی و نیز مدل تیر تیموشنکو از موارد پر دامنه در مقالات سالهای اخیر بوده است،اما تحلیل ارتعاشات آزاد با در نظر گرفتن غیر خطی بودن هندسی نانولوله تاکنون یک بار در سال 2006 به منظور دستیابی به منحنی های جواب فرکانسی بر حسب دامنه ارتعاش نانولوله صورت گرفته است[14].این تحلیل بر اساس مدل تیر اویلر-برنولی مرکب و با استفاده از روش عددی”بالانس هارمونیک” انجام شده است.در تحلیل پیش رو سعی بر آن است که ابتدا به آنالیز ارتعاشات آزاد غیر خطی بر اساس مدل تیر اویلر-برنولی با استفاده از روش تحلیلی معدل گیری به منظور دستیابی به روابط فرکانس غیر خطی با دامنه پرداخته شود و سپس د رپایان با مقایسه نتایج ناشی از روش معدل گیری با نتایج روش هارمونیک بالانس به بررسی میزان دقت روش مورد استفاده می پردازیم.
1-2-مقدمه‌ای بر نانو فناوری
فناوری نانو از نظر لغوی به معنای هرگونه فناوری‌ای است که در مقیاس نانو قابل اجرا بوده و برای رفع نیازهای جهان واقعی به کار رود. این فناوری در برگیرنده تولید و کاربرد سیستمهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی- در محدوده وسیعی از اندازه‌ اتمهای جداگانه یا مولکولها گرفته تا ابعاد زیر مولکولی- و همچنین ترکیب سازه‌های ساده و تولید سازه‌های پیچیده‌تر می‌باشد.
نخستین بار در 29 دسامبر سال 1959 ریچارد فینمن1 برنده جایزه نوبل در نطق مشهورش تحت عنوان “آن پائین فضای بسیاری وجود دارد” در موسسه فناوری کالیفرنیا2 در نشست
‏1 Richard P. Feynman
2 California
سالانه انجمن فیزیک آمریکا در مورد این انقلاب و فناوری نوین سخنرانی کرد. وی سالها پیش از اینکه میکروچیپها اختراع شوند به تشریح فناوریی پرداخت که در آن می‌توان اجزایی با ابعاد مینیاتوری بسیار کوچک ایجاد کرد. او با این ایده که می‌توان در ابعاد بسیار کوچک هم سازه‌هایی را به صورت اتم به اتم و یا مولکول به مولکول ساخت. تحقیقات و اکتشافاتی که در زمینه تولید نانو ذرات از دهه هشتاد میلادی به بعد انجام شده، ادعاهای وی را تایید می‌کند[1].
یک سال بعد در سال 1960 ‏ راجر بیکن1 به تشریح خصوصیات نانو لوله پرداخت. تا اینکه در سال 1985 ریچارد اسمالی2 ساختار باکی بال را به کمک لیزر ساخت. یادآوری می‌شود که کربن خالص در ساختارهای گوناگونی ظاهر می‌شود که عبارتند از: ساختار الماس‌گونه3، به صورت صفحه‌ای از اتمهای کربن با فواصل معین4 ، به صورت کروی5 (با‏کی بال یا ساختار C60 ) ، ‏به صورت نانو لوله تک جداره6 یا چند جداره7، و به صورت رشته‌ای و دسته‌ای از نانو لوله‌ها در ‏کنار هم8 [1,2] .
‏در سال 1990 ‏در موسسه‌ی تحقیقاتی ماکس پلانک به وسیله تخلیه قوس الکتریکی، باکی بال ساخته شد و سرانجام در سال 1991 ‏سومیا ایجیما9 در موسسه NEC نانو لوله چند جداره را کشف کرد و آغازگر انقلاب فناوری نانو شد. ساخت نانو لوله‌های تک جداره مشکلتر از چند جداره است به همین دلیل این مساله از زمان کشف و تولید نانو لوله‌های چند جداره دو سال طول کشید تا اینکه در سال 1993 با همکاری دو موسسه IBM و NEC نانو لوله تک جداره ساخته شد.

1 Roger Bacon
2 Richard E. Smalley
3 Diamond
4 Graphite
5 Buckyball / Fullerene / C60
6 Single-walled carbon nanotubes (SWNT)

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

7 Multi-walled carbon nanotubes (mWNT)
8 Bundle or Rope
9 S. Iijima
خصوصیات الکتریکی، مکانیکی، نوری، مغناطیسی، شیمیایی، کاتالیستی و بیولوژیکی هر یک، از نقاط قابل تأمل در این فناوری نوین است .
‏در بسیاری از موارد مایل هستیم رفتار مواد را در مقیاس نانو پیش بینی کنیم اما در این مسیر مشکلاتی وجود دارد. یکی از مشکلات تغییر خواص فیزیکی و در نتیجه تغییر قوانین فیزیکی است، چرا که در مقیاس اتمی کاربرد قوانین فیزیکی نیوتونی نتایج دقیقی را به دست نمی دهد و بایستی از قوانین فیزیک مولکولی یا فیزیک کوانتومی برای توجیه پدیده‌هایی که در این مقیاس روی می دهد استفاده کرد. به علاوه در این مقیاس دیگر نمی‌توان مواد و ساختار آنان را پیوسته فرض کرد. از آنجایی که فرمولها و روابط فیزیک مولکولی بسیار پیچیده‌اند و علاوه بر آن زمان محاسبه بسیاری طلب می‌کنند و به اصطلاح گران تمام می شوند، در سالهای اخیر روند حرکت به سمت استفاده از روابط موجود در مهندسی برای بررسی رفتار نانو سازه‌ها با در نظر گرفتن این نکته است که این روابط از نظر کیفی در بسیاری موارد مسیر فرآیند را به خوبی توصیف می کنند؟ اما با توجه به اینکه دقت استفاده از این روابط به اندازه دقت قوانین دقیق فیزیک مولکولی برای توجیه پدیده‌ها و محاسبه کمی متغیرها نیست مسلماً خطاهایی وجود دارد که ممکن است حتی صحت نتایج را زیر سوال ببرند، اما برای حل این مساله می‌توان در برخی موارد روابط موجود را تصحیح کرد تا به واقعیت نزدیکتر باشند. البته حتی در مورد دقت کاربرد قوانین فیزیک مولکولی- که هر یک توصیف ریاضی مدل فیزیکی برای توجیه رفتار ذرات در مقیاس بسیار ریز است- تا زمانی که آزمایشهای عملی و دقیق انجام نشوند نمی‌توان اظهار نظر کرد.
‏مساله دیگری که وجود دارد این است که ما در علوم مهندسی کنونی در بسیاری از موارد به تفکیک پدیده‌ها ‏پرداخته و جداگانه پیرامون هر یک به بحث می پردازیم و برای ساده‌سازی روابط در بسیاری از موارد از اثر متغیرها و پدیده‌هایی که به گمان ما تأثیر چندانی بر روی پدیده مورد نظر ندارند چشم می پوشیم، در حالیکه این جداسازی در مقیاس نانو چندان امکان پذیر و درست نیست چرا که نتایج را به کلی تغییر می‌دهد به عبارت دقیقتر در این مقیاس بسیار ریز، غالباً خصوصیات مختلف روی هم تاثیر می‌گذارند و همین مساله ضرورت ایجاد دانشهای جدید، روابط دقیقتر و مدلسازی هوشمندانه‌تر از فرآیندهای مورد نظر را ایجاب می کند.
با توجه به مطالبی که تاکنون بیان شد، در اینجا لزوم ارتباط میان مقیاسهای نانو تا میکرو و همچنین میکرو تا ماکرو مطرح می شود. همچنین لزوم ساخت دستگاههای منحصر بفردی برای اندازه‌گیری نیروهایی در اندازه پیکونیوتن و دیدن و محاسبه روی موادی به ابعاد نانومتر به خوبی احساس می‌شود. در ادامه به شرح مختصری از روشهای تولید و کاربردهای نانو پرداخته خواهد شد.

1-3- ‏دسته بندی و روشهای معمول تولید نانو مواد
‏از زمان کشف نانو لوله‌های کربنی در سال 1991 ‏پیشرفت زیادی در جهت تولید و کاربرد این مواد حاصل شده که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
* ‏ مواد
o ‏جدا سازی شیمیایی و بیولوژیکی، خالص سازی مواد و ‏کاتالسیت‌ها
o ذخیره سازهای انرژی نظیر ذخیره سازهای هیدروژن، پیلهای ‏سوختی و باتریهای لیتیومی
o مواد کامپوزیتی جهت پوشش دادن، پرکردن و نیز به عنوان ‏مواد تشکیل دهنده سازه ها
* وسایل
o پرابها، سنسورها و عملگرها برای تصویر برداری، حس کردن و ‏دستکاری ذرات در مقیاس مولکولی
o ترانزیستورها، حافظه‌های رایانه‌ها و دیگر وسایل نانو الکترونیک
o وسایل نانو الکترونیکی که در خلأ کار می‌کنند نظیر ‏صفحه‌های نمایش تخت.
‏از مزایای این نانو ساختارها می‌توان به اندازه‌ی کوچک، مصرف کم انرژی، وزن کم و عملکرد فوق العاده خوب اشاره کرد.
‏مهمترین گروه‌های نانو مواد عبارتند از: فیلمهای نازک، نانو کامپوزیتها، نانو خوشه‌ها، نانو لوله‌ها و نانو ذرات. فیلمهای نازک معمولاً فلزی یا سرامیکی هستند و معمولاً خود از نانو ذرات به شکل رسوب شده به دست آمده و به منظور محافظت و افزایش کارایی سطوح به کار می‌روند.
بررسی خواص الکتریکی و حرارتی این نانو لایه‌ها از زمینه‌های مهم تحقیقاتی در این دسته از مواد است. نانو پوشش‌ها از زمینه‌های مهم عملی در زمینه‌ی کاربرد فناوری نانو می‌باشد که در انواع صنایع مثل اتومبیل، رنگرزی، لوازم خانگی، صنایع الکترونیکی، انرژی، محیط زیست، نظامی و… کاربرد دارد. در این عرصه سعی بر ساختن نوعی روکش برای تقویت سطوح مختلف، جلوگیری از هدر رفتن گرما و جذب و بازتابش پرتوهای ناشی از تشعشع می‌باشد . کاربردهای مهم آن امروزه در صنایع حفاری، نفت و گاز و صنایع هوایی می باشد.
‏کشف و مشاهده نانو خوشه‌ها یا نانو کریستالها به دهه نود بر می‌گردد. دانشمندان مشاهده کردند که اتمهای گازی به شکل خوشه‌هایی با اندازه‌های آنگستروم روی سطوح به همدیگر می‌چسبند. مهمترین خواص این مواد اثر چسبندگی آنها به یکدیگر است که در مقیاس ‏ریز اهمیت این مساله بیشتر است. از کاربردهای ساخت آنها ساخت نانو بلورهاست که سازگار با محیط زیست هستند.
مطالعه رفتار نانو لوله‌ها به همراه نانو سیم‌ها و نانو میله‌ها از مهمترین بخشهای فناوری نانو است که به دلیل خواص فوق العاده‌ی مکانیکی، الکتریکی و حرارتی توجه ویژه‌ای را به خود معطوف داشته‌اند.
‏امروزه می‌توان کاربرد نانو ذرات را در صیقل دهنده‌ها، رنگها، کاشیها، صفحات خورشیدی و انواع چسبها دید. هدف در این پایان نامه بررسی روابط حاکم بر نانو لوله‌های یک و دو جداره است که البته قابل تعمیم به نانو لوله‌های چند جداره نیز می‌باشد. بنابراین قبل از پرداختن به روابط آن در بخشهای بعدی، ابتدا اندکی به ویژگیها و نظریه‌هایی که در مورد تشکیل نانو لوله ها مطرح شده خواهیم پرداخت.
‏نانو لوله‌های تک جداره معمولاً قطری بین 1 ‏تا 5/1 ‏نانومتر و نانو لوله‌های چند جداره قطری بین 5 ‏تا 30 ‏نانومتر دارند. طول نانو لوله‌ها نیز بین 10 ‏نانومتر تا 10 ‏میکرومتر متغیر است (نسبت طول به قطر آنان می‌تواند بسیار زیاد باشد). سه روش مرسوم برای سنتز و ساختن نانو لوله‌ها وجود دارد که عبارتند از:
* روش تخلیه قوس الکتریکی
* تابش لیزری
* رسوب شیمیایی در فاز بخار
‏در روش تخلیه قوس الکتریکی، جریان زیادی از میان دو الکترود گرافیتی مخالف داخل یک گاز بی اثر مثل هلیم عبور می‌کند، که در نتیجه اتمهای کربن از آند تبخیر می‌شود و روی کاتد شروع به رشد می‌کند. از آنجایی که این رشد کنترل شده نیست، می‌تواند نامنظم باشد بنابراین این روش در عمل زیاد به کار برده نمی شود زیرا “نظم در آرایش” از نکات بسیار مهم در فرآیند تولید نانو مواد می‌باشد.
روش تابش لیزر نیز مشابه قوس الکتریکی است. در اثر تابش لیزر خوشه‌های کربنی جدا شده از این نمونه را در کوره و دماهای بسیار بالا حرارت می‌دهند. سپس در معرض گاز خنثی قرار می‌دهند تا در قسمت خنکتر محفظه نانو لوله ایجاد شود که این روش طولانی و پرهزینه می‌باشد.
‏روش رسوب شیمیایی در فاز بخار (CVD) معمولاً بهترین و به صرفه‌ترین روش برای تولید نانو لوله کامل و بی نقص است. در این روش یک هیدروکربن ( معمولاً متان) را در دمای 500 ‏تا 1000 ‏درجه سانتیگراد و در حضور یک کاتالیست حاوی فلزات واسطه، تجزیه حرارتی می‌کنند. اگرچه در این روش دما و مصرف انرژی بالاست اما به دلیل دقت بالاتر و صرفه اقتصادی بهتر (بازده بالاتر)، روشی معمول می باشد.

1-4-ساختارها و خواص نانو لوله های کربنی
1-4-1- ساختار
* پیوندها: اربیتالهای هیبریدی sp2 به اتمهای کربن اجازه می‌دهند که با تشکیل پیوندهای درون صفحه ای ? و برون صفحه ای ? ساختارهای شش وجهی و پنج وجهی ایجاد کنند (شکل 1-1 و 1-2 )

شکل 1-1 نمایش ساختار شش وجهی پیوندهای تشکیل دهنده نانو لوله ها [3]
شکل 1-2 نمایش پیوند بین اتمهای کربن و تشکیل اجتماع مرتبی از نانو لوله های کربنی تک جداره [4]
* نانو لوله‌های بدون نقص: ساختارهای استوانه ای شکل متشکل از شبکه‌ای از شش وجهی‌ها هستند که قطر آنان حتی به 4/0 نانومتر نیز می‌رسد. (شکل 1-3)

‏ شکل 1-3- تصویرهایی از نانو لوله های چند جداره بدون نقص [1]
* نانو لوله های دارای نقص: گاهی پنج و هفت وجهی‌ها در ایجاد ساختار نانو لوله‌های خمیده، چند شاخه ای، مارپیچ و … را ایجاد می‌نمایند. (شکل 1-4)
‏ شکل 1-4- شرکت ساختارهای پنج و هفت ضلعی در تشکیل نانو لوله های ناقص نظیر
خمیده، چند شاخه ای و مارپیچ می انجامد [1]
1-4-2- خواص نانولوله کربنی:
* ‏الکتریکی: چگونگی قرارگیری الکترونها در امتداد محیط نانو لوله باعث نیمه هادی شدن یا هدایت الکتریکی می‌گردد و این در حالیست که پنج و هفت وجهی‌ها اثرات موقعیتی (local‏) بر روی این مساله دارند.
* ‏اپتیکال و اپتو الکترونیکی: نانو لوله‌ها برای ساختن تجهیزاتی که طول موج مورد نیاز در آنها ‏بین 300 تا 3000 ‏نانومتر است، ایده آل هستند.
* مکانیکی و الکترومکانیکی: ری هیبرید شدن پیوند ?-? به نانو ‏لوله‌ها قابلیتهایی نظیر بالاترین مدول یانگ ممکن در حد یک تراپاسکال (1012 پاسکال) و مقاومت کششی در حد 100 ‏گیگاپاسکال و بیشتر و نیز پاسخ الکترونیکی قابل توجهی در مقابل کرنش می‌دهد.
* مغناطیسی و الکترومغناطیسی: چرخش الکترون حول نانو لوله ‏باعث به وجود آمدن پدیده‌های شگفت انگیزی نظیر نوسان کوانتومی و گذر از فلز به عایق1 می شود.
* گرمایی و گرمایی-الکتریکی: نانو لوله‌ها این ویژگی را از گرافیت ‏به ارث برده‏اند و از نظر هدایت گرمایی بسیار خوب عمل می‌کنند و اثر کوانتومی در آنها تنها در دماهای پایین ظاهر می‌گردد. در ادامه توضیحاتی در مورد پیوند اتمهای کربن خواهد آمد.
1-5-پیوند های کربنی ونقایص ساختاری
1-5-1-پیوند اتمهای کربن
یک اتم کربن شش الکترون دارد که دوتای آنها اربیتال 1s ‏ را پر می‌کنند. بقیه چهار الکترون برای پر کردن اربیتال‌های sp3 ‏ یا اربیتال‌های sp2 ‏ ‏به اضافه یک اربیتال هیبریدی sp ‏باقی می‌مانند که بسته به آرایش پرشدن این اربیتال‌ها از الکترون، ساختارهایی نظیر الماس، نانولوله، گرافیت و پرکننده‌ها ایجاد می‌گردد.
‏در الماس چهار الکترون والانس در هر کربن، اربیتالهای هیبریدی sp3 ‏ ‏را پر کرده و چهار پیوند کووالانسی یکسان ? ‏ برای اتصال به چهار اتم کربن دیگر در یک ساختار چهار وجهی ایجاد می کنند (شکل 1-5). این ساختار سه بعدی سبب به وجود آمدن سخت‌ترین و مقاومترین ماده موجود در طبیعت می شود. از آنجایی که الکترونها در الماس تنها پیوندهای ? ایجاد می‌کنند، الماس از نظر الکتریکی عایق است. الکترونها در ساختار الماس به سختی بین پیوندهای اتمهای کربن نگه داشته می شوند. این الکترونها نور را در ناحیه ماوراء بنفش جذب کرده ولی در ناحیه مرئی یا مادون قرمز جذب نمی کنند بنابراین الماس خالص در چشم انسان شفاف به نظر می‌رسد. به علاوه الماس ضریب شکست نور بالا و هدایت گرمایی فوق العاده‌ای دارد.
1 Metal-insultor transition
‏ شکل 1-5- ساختار هرمی شکل پیوند اتمهای کربن در ساختار الماس [1]
در گرافیت سه الکترون لایه بیرونی هر اتم کربن، اربیتالهای هیبریدی صفحه ای sp2 را جهت تشکیل سه پیوند صفحه ای ? و یک پیوند برون صفحه ای ? پر می‌کنند (شکل 1-6). این عمل سبب پیدایش شبکه‌ی شش ضلعی های صفحه‌ای می‌گردد. نیروی واندروالس، این صفحات را با فاصله‌ای حدود 34/0 نانومتر موازی یکدیگر نگاه می‌دارد. در اربیتالهای sp2 طول پیوند ? برابر 14/0 نانومتر و انرژی پیوند برابر 420 کیلو کالری بر مول می‌باشد. این در حالیست که در اربیتالهای sp3 طول پیوند 15/0 نانومتر و انرژی آن 360 کیلو کالری بر مول است. بنابراین گرافیت در امتداد صفحه‌ی خود از الماس قویتر است. به علاوه الکترون موجود در خارج از صفحه گرافیت باعث هدایت گرمایی و الکتریکی بهتر می‌شود. بر همکنش بین الکترون موجود در اربیتال ? و نور باعث می‌شود که گرافیت تیره به نظر برسد. نیروی واندروالس ضعیف بین صفحه‌های گرافیت، به آن خاصیت نرمی می‌دهد، از همین رو از گرافیت به عنوان یکی از روان کننده‌های بسیار خوب در صنعت استفاده می‌شود چرا که صفحات گرافیت به آسانی می توانند بر روی یکدیگر بلغزند.
شکل 1-6- ساختار صفحه ای شکل پیوند اتمهای کربن در ساختار گرافیت [1]

می توان تجسم کرد که یک نانو لوله کربنی از خم کردن یک صفحه گرافیتی درست شده است. پیوندها در این نانوساختار الزاماً از نوع sp2 است. اگرچه انحنای دایروی شکل باعث هیبرید شدن مجدد ?-? و در نتیجه منجر به خروج اندک پیوندها از حالت صفحه‌ای می‌گردد (شکل 1-7) برای جبران، پیوند برون صفحه ای ? به میزان بیشتری در خارج از نانو لوله جابجا می‌شود. این پدیده باعث تقویت مکانیکی بیشتر می‌گردد به این معنا که نانو لوله‌ها از بوجود آورنده‌های خود یعنی صفحات گرافیت مستحکمتر هستند. به علاوه نانو لوله‌ها از نظر هدایت گرمایی و الکتریکی قویتر از گرافیت بوده و همچنین از دیدگاه بیولوژیکی و شیمیایی فعالتر از آن می‌باشند و نیز به ساختارهای پنج و هفت ضلعی اجازه مشارکت در ساختار نانو لوله را داده و امکان تولید ساختارهای خمیده، شاخه ای و … را فراهم می سازند.
شکل 1-7- پیوندهای اتمهای کربن در نانو لوله ها کمی از حالت صفحه ای خارج می شود [1]
به منظور ساده سازی مفاهیم، به ساختاری که تنها از شبکه‌ای از شش ضلعی‌ها ساخته شده باشد “ساختار بدون نقص” و به ساختارهایی که علاوه بر شش ضلعی‌ها، پنج و هفت ضلعی‌ها نیز در آن مشارکت داشته و یا دارای دیگر نقایص ساختاری و شیمیایی باشند “ساختار دارای نقص” گوییم.
پر کننده‌ها (C60) از 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی ساخته شده اند. پیوند در آنها sp2 است. اگرچه در این مورد هم به دلیل انحنای زیاد با پیوندهای sp3 مخلوط می شوند (شکل 1-8). ساختار پیوند ویژه پر کننده‌ها باعث بوجود آمدن رفتارهای شگفت انگیزی نظیر گذر رسانا-عایق، خواص مغناطیسی غیر عادی، خواص الکترونیکی و نوری بسیار منحصر به فرد و … است. به همین دلیل از آنها در ساختن تجهیزات و ابزارهای مغناطیسی، شیمیایی، بیولوژیکی، نوری و دارویی و … استفاده می‌شود.
شکل 1-8- پیوند اتمهای کربن در پرکننده ها [1]
1-5-2-نانو لوله های بدون نقص
‏تاکنون مطالعات بسیار زیادی بر روی نانو لوله‌های بدون نقص یک یا چند جداره انجام شده است. یک نانو لوله تک جداره (SWNT) استوانه‌ای توخالی از صفحه‌ای گرافیتی است در حالیکه یک نانو لوله چند جداره (MWNT) گروهی از SWNT های هم مرکز است. با استفاده از فناوریهای نظیر 1TEM و 2SEM و 3AFM و 4STM نانو لوله های تک جداره معمولاً به صورت ساختارهایی مستقیم یا خمیده الاستیک و یا به صورت طناب5 دیده می‌شوند. به علاوه از روشهای نوری نظیر پراش اشعه X ، پراش الکترون، رامان6 و دیگر روشهای طیف نگاری جهت مطالعه نانو لوله‌ها استفاده می‌شود (شکل 1-9)

1 Transmission Electron Microscopy
2 Scanning Electron Microscopy
3 Atomic Force Microscopy
4 Scanning Tunneling Microscopy
5 Rope
6 RAMAN
شکل 1-9- تصویر بالا، ساختار یک نانو لوله تک جداره را نشان می دهد که توسط روش TEM از آن
عکسبرداری شده است. با نگاه دقیق می توان ساختار شش ضلعی را در آن مشاهده کرد. [5]
همانگونه که قبلاً نیز اشاره شد می‌توان فرض کرد که نانو لوله تک جداره، استوانه‌ای توخالی است که با خم کردن یک صفحه گرافیتی ایجاد شده است (شکل 1-10).
شکل 1-10- نمایش چگونگی ایجاد یک نانو لوله از یک صفحه گرافیتی [6]
می توان این ساختار ار توسط بردار C به صورت مجموعه ای از دو عدد صحیح (n,m) که منطبق بر دو بردار گرافیتی a1 و a2 است، توصیف نمود: (شکل 1-11)
C = na1 + na2

شکل 1-11- نمایش بردار گرافیتی a1 و a2 در ساختار صفحه ای گرافیت [7]
‏بنابراین یک نانو لوله تک جداره را می‏توان از خم کردن یک صفحه گرافیتی به گونه‌ای که دو انتهای بردار C بر هم منطبق شوند ساخت، این نانو لوله تک جداره توسط زوج (n,m) نمایش داده می شود که قطر آن توسط رابطه زیر داده می شود:
a= |a1| = |a2| و
در اینجا مقدار a مقدار “ثابت شبکه گرافیت” است.
در صورتی که در ساختار نانو لوله های کربنی، m=n باشدبه این ساختار “صندلی دسته دار1 ” و اگر m=0 “زیگزاگ2” گویند. به بقیه آنها لوله های چیرال3 گویند (شکل 1-12). زاویه چیرال q که بین بردار C و جهت a1 است به صورت زیر تعریف می شود:

1 Armchair
2 Zigzag
3 Chiral
? از 0? به ازای m=0 تا 30? برای m=n تغییر می‌کند. برای سادگی فرض می شود: n ? m
شکل 1-12- بسته به آرایش ساختاری اتمهای کربن، نانو لوله هایی با خواص متفاوت فیزیکی و شیمیایی
ایجاد می شوند. [1]

ثابت شبکه و فاصله بین نانو لوله‌ها جهت ایجاد کردن نانو لوله تک جداره، دسته‌های نانو لوله تک جداره و نیز نانو لوله چند جداره لازم هستند. این دو متغیر با تغییر قطر لوله و نیز جهت شعاعی تغییر می‌کنند. آزمایشهای تجربی نشان می‌دهند که طول متوسط پیوند C-C برابر dcc = 0.142 nm یا به عبارتی a = |a1| = |a2| = 0.246 nm و فاصله بین لوله ها برابر dtt = 0.142 nm می باشد. بنابراین معادله‌های بالا را می‌توان جهت مدل سازی ساختارهای متفاوت از نانو لوله‌ها و تحلیل و توجیه نتایج و مشاهدات تجربی به کار برد.
حال به بررسی انرژی و پایداری نانو لوله‌ها می پردازیم. انرژی کرنشی که به واسطه تشکیل یک نانو لوله کربنی در اثر خم کردن یک صفحه گرافیتی به وجود می آید متناسب با 1/D به ازای هر لوله و به عبارتی متناسب با 1/D2 به ازای هر اتم است. پیشنهاد شده است که طول یک نانو لوله تک جداره بایستی دست کم 4/0 نانومتر باشد تا بتواند انرژی کرنشی را تحمل کند و ‏حداکثر 3 ‏نانومتر باشد تا بتواند ساختار استوانه‌ای خود را حفظ کرده و از فروپاشی آن جلوگیری شود. دانشمندان در تحقیقات و آزمایشهای زیادی وجود نانو لوله‌های تک جداره به طول 6/0 ‏تا 2 ‏نانومتر را مشاهده کرده‌اند. این در حالیست که نانو لوله‌های تک جداره کوچکتر از 4/0 ‏نانومتر و یا بزرگتر از 3 ‏نانومتر نیز گزارش شده‌اند. یک نانو لوله تک جداره طویل تمایل به فروپاشیدن دارد مگر اینکه توسط نیروهایی به آن اعمال شده و یا اینکه لوله‌های مجاور، آن را محافظت و پشتیبانی کنند. برای نمونه وجود لایه‌های چندگانه در نانو لوله‌های چند جداره باعث محافظت لایه‌های مختلف از فروپاشی می‌شود چرا که در اثر برهمکنش بین اتمهای کربن در لایه های مختلف نیرویی به نام نیروی واندروالس ایجاد می‌شود که همانند یک نیروی پشتیبان عمل کرده و ضمن جلوگیری از فروپاشی به نانو لوله‌های چند جداره این امکان را می‌دهد که در ابعاد بسیار بزرگتر وجود داشته باشند. پژوهشگران در تحقیقات مختلف دریافته‌اند که قطر درونی ترین لوله در نانو لوله‌های چند جداره می‌تواند به کوچکی 4/0 نانومتر و بیرونی ترین لایه می‌تواند صدها نانومتر باشد. همانگونه که یک طناب از به هم بافتن رشته های تکی نخ ایجاد می شود یک نانو طناب کربنی نیز از کنار هم قرار گرفتن نانو لوله‌های کربنی ایجاد می‌شود که نیروی واندروالس، نیروی لازم جهت کنار هم نگاه داشته شدن این لوله‌ها را تأمین می کند. ثابت شبکه برای این دسته از نانو مواد 34/0 ‏نانومتر است.
‏بررسی ساختار نانو لوله‌ها برای به دست آوردن زوج (n,m) از اهمیت به سزایی برخوردار است چرا که خواص مهم نانو لوله‌ها تابعی از این دو ویژگی هندسی آنان است. برای مثال، ممکن است بخواهیم وجود همه نانو لوله های زیگزاگی را از روابط ساختاری حذف کنیم. فاصله بین هر دو لوله زیگزاگ هم محور مجاور (n,0) و (m,0) برابر است با:
a= 0.246 nm و
‏این فاصله نمی تواند بدون توجه به مقادیر n و m به مقدار 34/0 ‏نانومتر که فاصله لازم برای تشکیل نانو لوله چند جداره ‏است نزدیک باشد اگرچه یک نانو لوله چند جداره ‏می تواند از تمامی نانو لوله‌های به شکل صندلی دسته دار به معادله (5m,5n) که در آن m= 1,2,3,… ‏است، تشکیل شود. فاصله بین دو لوله هم مرکز مجاور در یک ساختار نانو لوله چند جداره تشکیل ‏شده ‏از نانو لوله‌های دسته صندلی برابر ‏است که به میزان n وm برابر با 34/0 خیلی نزدیک می باشد. بد نیست بدانید اهمیت زوج (n,m) در نسبت مستقیم آن با خواص الکتریکی نانو لوله‌ها است. توسط روشهایی نظیر STM می‌توان مقدار (n,m) را محاسبه کرد. همانگونه که در پیش بدان اشاره ‏شد، نانو لوله‌ها ‏می‌توانند سرباز یا سربسته باشند. به علاوه ‏بسته به (n,m) می‌توانند به صورت زیگزاگ، صندلی دسته دار و یا ‏مارپیچی1 باشند که هر یک ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند. مثلاً مدول یانگ یک نانو لوله‌ی کربنی زیگزاگ از حالت صندلی دسته دار بیشتر است.
‏از نظر خواص مکانیکی نیز نانو لوله‌ها مستحکمترین و در عین حال انعطاف پذیرترین مواد هستند. مدول یانگ یک نانو لوله تک جداره حدود تراپاسکال (TPa‏) و مقاومت کششی آن حدود چند ده گیگاپاسکال (GPa) است. نانو لوله‌های فلزی دارای هدایت الکتریکی 1000 ‏برابر فلزات مس و نقره هستند. نکته جالب توجه اینکه هر نانو لوله در جهت محورش مانند یک هادی قوی و در جهت عمود بر محورش مثل یک عایق خوب عمل می کند. هدایت حرارتی آن نیز بیش از دو برابر الماس است.

1-5-3-نانو لوله های دارای نقص:
‏علاوه بر نانو لوله‌های بدون نقص، نانو سازه‌هایی که از طریق آزمایش بررسی شده‌اند وجود نانو لوله‌های چند جداره کلاه دار2 و خمیده3، چند شاخه ای4، و مارپیچ5 و نیز نانو لوله‌های تک جداره خمیده، کلاه دار و چنبره ای6 را ثابت می‌کنند. شکلهای 1-4 ‏و 1-13، تصاویر برداشته شده از این دسته از ساختارها توسط روش TEM را نشان می‌دهند.

1 Helical
2 Capped
3 Bent
4 Branched
5 Helical
6 Toroidal
تصور بر این است که بیشتر این سازه‌ها دارای نقصهای هندسی نظیر شرکت پنج و هفت ضلعی‌ها در ساختار شش ضلعی آنان است. به علاوه نانو لوله‌های چند جداره شامل ساختارهای غیر استوانه‌ای نظیر نانو فیبرها و ساختارهای بامبویی شکل نیز می شوند (شکل 1-13‏). ساختار بامبویی شکل را می‌توان به صورت مجموعه‌ای متوالی از نانو لوله‌های تک جداره کلاه دار تصور کرد. در عمل، بیشتر نانو لوله‌های تک جداره بدون نقص هستند در حالی که نانو لوله‌های چند جداره بیشتر از نانو لوله‌های تک جداره دارای نواقص هندسی (پنج ضلعی- هفت ضلعی) و ساختاری ( دیواره‌های ناپیوسته یا مخروطی شکل، ساختار بامبویی شکل) هستند.
شکل 1-13- نانو لوله‌های چند جداره کلاه دار و بامبویی شکل [1]
1-6-کاربردهای عملی نانو مواد و نانو فناوری در دنیای امروز:
1-6-1-هوای پاک با فناوری نانو
‏ ‏افزایش مشکل دی اکسید کربن در هوا یکی از مشکلات اساسی در سطح جهان است. امید می‌رود که با استفاده از کشف منابع جدید روزی برسد که از مصرف سوخت‌های فسیلی بی نیاز شویم و در هوایی عاری از دی اکسید کربن و انواع آلودگی‌ها تنفس کنیم. فناوری نانو از جمله فناوری‌هایی است که به کمک حل این مسئله آمده است و این امکان را به وجود آورده است تا ‏به سوی ساخت انرژیی ارزانتر و پاکیزه‌تر از سوخت‌های فسیلی نزدیک شویم.
‏از میان فرآورده‌های هوایی فناوری نانو، نانو کریستال‌ها می‌توانند به ایجاد هوای پاکتر کمک کنند. نانو کریستال درست مانند یک کاتالیزور عمل می‌کند. هنگامی که دی اکسیدکربن هوا بر روی نانو کریستال حاوی کادمیوم، سیلینیوم و ایدیوم می‌نشیند، یک الکترون به دی اکسیدکربن می‌دهد تا در مجاورت سایر اجزای دود واکنش نشان دهد و بی ضرر شود. اگر فیلترهای متشکل از این نانو کریستال‌ها را بتوان با قیمت مناسبتری ساخت و آنها را در دودکشها نصب کرد می‌توان تا حد زیادی از انتشار و خروج دی اکسید کربن در هوا جلوگیری کرد.
ذره معلق دیگری که دانشمندان امیدوارند تا با استفاده از نانو کریستال بتوانند آن را خنثی و یا از بین ببرند، بخار جیوه است. تجهیزاتی که با زغال سنگ کار می‌کنند از مهمترین ‏عوامل تولید بخار جیوه و انتشار آن در هوا هستند. یک روش جلوگیری از انتشار جیوه، استفاده از نانوکریستال‌های اکسید تیتانیوم است که می توانند بخار جیوه را به اکسید جیوه جامد تبدیل نمایند.
‏افرادی که در ترافیک در مجاورت اگزوز و یا دود اتوبوس و یا یک کامیون قرار گرفته باشند حتماً اکسید نیتروژن را استشمام کرده‌اند. موتورهای دیزلی (گازوئیل سوز) از جمله مهمترین منابع آلوده کننده هوا با اکسیدهای نیتروژن می باشند.
‏شرکت بیوفرندلی1با کمک آژانس حفاظت محیط زیست و دریافت کمک مالی از ایالت تگزاس، موفق به ساخت نانوکریستالی شده است که با افزودن آن به گازوئیل می‌تواند از تولید اکسید نیتروژن جلوگیری کند و سبب شود تا سوخت کامل بسوزد.
‏شاید بسیاری تصور کنند که صنایع تولید تمیز مانند صنایع تولید تراشه‌های رایانه‌ای به عنوان آلوده کننده‌های محیط زیست به شمار نمی‌آیند در حالی که برعکس این صنایع به علت استفاده از مواد شیمیایی آلی در فرایندهای تولید، منشأ تولید بخارات آلی هستند که خود مضر می‌باشند.

1 Biofriendly محققان آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام در حال بررسی نانو موادی هستند که با استفاده از آن در فیلترها بتوانند از انتشار ین دسته از کارخانجات جلوگیری کنند.

1-6-2-فناوری نانو و خودروهای امروزی:
‏مواد کامپوزیتی مواد مهندسیی هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده‌اند به گونه‌ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس(زمینه) و تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده است. ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌گردد.
‏یکی از گسترده‌ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو، تا‏کنون ساخت نانوکامپوزیتها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیتها، ذرات بسیار ریز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزین را بسیار بالا می برند، جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شده‌اند. اما علاوه بر ویژگی‌های فیزیکی بهتر، این کامپوزیتها دارای دو برتری دیگر نیز می باشند. نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریس (زمینه) یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم می‌کنند و بنابراین نانو کامپوزیتها سطح زیباتر و رنگهای شفافتری دارند. دیگر اینکه نانوکامپوزیتها به دلیل نیاز به مواد تقویت کننده کمتر، تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیتهای رایج سبکترند.
‏اثر نیلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تمیز شونده ‏نیز یکی از شناخته شده‏ترین مزیتهای فناوری نانو است که تولید سطوح خود تمیز شونده ‏را امکان پذیر می‌سازد. به سبب ساختار بسیار صاف و یکنواخت سطح گل نیلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند. به همین صورت اگر سطوح اجسام، دارای ساختار بسیار صاف و صیقلی (در مقیاس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنین آب روی آنها باقی نخواهد ماند. رنگها و پوششهای سقف خودرو که این اصل طبیعی را به کار می برند امروزه ‏در بازار موجود می‌باشند. ساختار نانویی این سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسیار ریز آب نیز جلوگیری می‌کند. همچنین رینگهای خود تمیز شونده ‏نیز با استفاده ‏از این ویژگی در حال تولید هستند.
‏به علاوه ‏پوشش نانویی در حال تولید است که با اضافه کردن آن به سطح شیشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)، فرورفتگی‌های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده ‏و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ایجاد می‌کند و در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شیشه باقی نمی‌ماند و بنابراین موجب افزایش دید راننده، استهلاک کمتر برف پاکنها و نیاز کمتر به شستشوی شیشه و همچنین بهبود دید در شب در نتیجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.
‏نمونه ای دیگر از کاربردهای نانو فناوری در صنعت شیشه خودرو، شیشه هایی با قابلیت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشید می‌باشد. به این گونه که یک لایه بسیار نازک از نانوذرات بین دو لایه شیشه قرار گرفته‌اند که وظیفه آنها بازتاباندن پرتو فروسرخ نور خورشید و در نتیجه جلوگیری از گرم شدن زیاد داخل خودرو می باشد.

1-6-3-خطرات نانو ذرات
‏نانوذرات همانند یک شمشیر دولبه دارای اثرات مفید و مضر می باشند و بی شک اگر به روشهای صحیح کار با نانوذرات توجه شود از خطرات آن کاسته خواهد شد.
* اثرات مضر بر سلامتی
‏نانوذرات به دو دلیل می‌توانند برای سلامتی مضر باشند. اول اینکه می‌توانند خیلی سریع از طریق پوست و سلولهای مخاطی جذب بدن شوند و دوم اینکه به دلیل جدید بودن این مواد مسمومیتهای جدید و ناشناخته‌ای را به وجود بیاورند.
* منابع نانو ذرات
‏نانو ذرات به لحاظ منشا می‌توانند به سه دسته تقسیم بندی شوند.
الف) نانوذرات طبیعی
‏ب) نانوذرات انسانی
‏ج) نانو ذرات ممنوعی ( ساخته دست بشر)

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید