أنابيب كربون نانوية موزعة بانتظام بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية

حقائق جديرة بالمعرفة

ما هي أنابيب الكربون النانوية

تنتمي أنابيب الكربون النانوية (CNTs) إلى فئة خاصة من المواد الكربونية أحادية البعد، وتتميز بخصائص ميكانيكية وكهربائية وحرارية وبصرية استثنائية. وهي مكوّن رئيسي يُستخدم في تطوير وإنتاج مواد نانوية متقدمة، مثل المركبات النانوية والبوليمرات المقوّاة وغيرها، ولذلك تُستخدم في أحدث التقنيات. وتتميز أنابيب الكربون النانوية بمقاومة شد عالية جدًا، وخصائص متفوقة لنقل الحرارة، وفجوات نطاق صغيرة، وثبات كيميائي وفيزيائي أمثل، مما يجعلها مادة مضافة واعدة لمواد متنوعة.
تُصنَّف CNTS بحسب بنيتها إلى أنابيب كربون نانوية أحادية الجدار (SWNTs)، وأنابيب كربون نانوية مزدوجة الجدار (DWCNTs)، وأنابيب كربون نانوية متعددة الجدران (MWNTs).
الأنابيب أحادية الجدار هي أنابيب أسطوانية طويلة ومجوفة، تتكون من جدار كربوني بسماكة ذرة واحدة. وتنتظم الصفيحة الذرية للكربون في شبكة تشبه قرص العسل. وغالبًا ما تُقارَن تصوريًا بصفائح ملفوفة من الغرافيت أحادي الطبقة أو الغرافين.
تتكون الأنابيب مزدوجة الجدار من أنبوبين نانويين أحاديي الجدار، يكون أحدهما داخل الآخر.
الأنابيب متعددة الجدران هي شكل من أشكال أنابيب الكربون النانوية، تتداخل فيه عدة أنابيب كربون نانوية أحادية الجدار داخل بعضها بعضًا. ونظرًا إلى أن قطرها يتراوح بين 3–30 nm، وأن طولها قد يصل إلى عدة cm، فإن نسبة طولها إلى قطرها قد تتراوح بين 10 وعشرة ملايين. وبالمقارنة مع ألياف الكربون النانوية، تتميز الأنابيب متعددة الجدران ببنية جدار مختلفة وقطر خارجي أصغر وتجويف داخلي. ومن الأنواع المتاحة صناعيًا والشائعة الاستخدام من الأنابيب متعددة الجدران، على سبيل المثال، Baytubes® C150P وNanocyl® NC7000 وArkema Graphistrength® C100 وFutureCarbon CNT-MW.
تخليق أنابيب الكربون النانوية: يمكن إنتاج أنابيب الكربون النانوية بطريقة التخليق القائمة على البلازما، أو بطريقة التبخير بالتفريغ القوسي، أو بطريقة الاستئصال بالليزر، أو بعملية التخليق الحراري، أو بترسيب البخار الكيميائي (CVD)، أو بترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما.
تعديل أنابيب الكربون النانوية وظيفيًا: لتحسين خصائص أنابيب الكربون النانوية وجعلها أكثر ملاءمة لتطبيق محدد، غالبًا ما تُعدَّل وظيفيًا، مثلًا بإضافة مجموعات حمض الكربوكسيل (-COOH) أو الهيدروكسيل (-OH).

إضافات تشتيت أنابيب الكربون النانوية

يمكن لعدد قليل من المذيبات، مثل الأحماض الفائقة والسوائل الأيونية وN-cyclohexyl-2-pyrrolidnone، أن يُستخدم لتحضير مشتتات من أنابيب الكربون النانوية بتركيزات مرتفعة نسبيًا، في حين أن المذيبات الأكثر شيوعًا للأنابيب النانوية، مثل N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP) وثنائي ميثيل فورماميد (DMF) و1,2-dichrolobenzene، لا تستطيع تشتيت الأنابيب النانوية إلا بتركيزات منخفضة جدًا (مثلًا، عادةً <0.02 wt% من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار). وأكثر عوامل التشتيت شيوعًا هي بولي فينيل بيروليدون (PVP)، أو دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم (SDBS)، أو Triton 100، أو دوديسيل سلفونات الصوديوم (SDS).
الكريزولات مجموعة من المواد الكيميائية الصناعية التي تتيح معالجة أنابيب الكربون النانوية بتركيزات تصل إلى عشرات النسب المئوية الوزنية، مما يؤدي إلى انتقال متواصل من المشتتات المخففة إلى المعاجين الكثيفة والهلاميات القائمة بذاتها، ثم إلى حالة غير مسبوقة تشبه عجينة اللعب، مع زيادة محتوى أنابيب الكربون النانوية. وتُظهر هذه الحالات خصائص ريولوجية ولزوجية مرنة شبيهة بالبوليمرات، لا يمكن بلوغها باستخدام المذيبات الشائعة الأخرى، مما يشير إلى أن الأنابيب النانوية تكون بالفعل مفككة التجمعات ومشتتة بدقة في الكريزولات. ويمكن إزالة الكريزولات بعد المعالجة بالتسخين أو الغسل، دون تغيير سطح أنابيب الكربون النانوية. [Chiou et al. 2018]

تطبيقات مشتتات أنابيب الكربون النانوية

للاستفادة من مزايا أنابيب الكربون النانوية، يجب تشتيتها في سائل مثل البوليمرات. وتُستخدم أنابيب الكربون النانوية الموزعة بالتساوي في تصنيع اللدائن الموصلة، وشاشات البلورات السائلة، والثنائيات العضوية الباعثة للضوء، وشاشات اللمس، والشاشات المرنة، والخلايا الشمسية، والأحبار الموصلة، ومواد التحكم في الكهرباء الساكنة، بما فيها الأغشية والرغاوي والألياف والأقمشة، وطلاءات البوليمرات والمواد اللاصقة، والمركبات البوليمرية عالية الأداء ذات المقاومة الميكانيكية والمتانة الاستثنائيتين، والألياف المركبة من البوليمرات وأنابيب الكربون النانوية، وكذلك المواد خفيفة الوزن والمضادة للكهرباء الساكنة.

ما هي أشكال الكربون؟
يوجد الكربون في عدة صور تآصلية، منها:

• الأشكال البلورية: الألماس، والغرافيت، والغرافين، وأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، والفوليرينات (مثل، C₆₀).
• الأشكال اللابلورية: الفحم النباتي، والسخام، وأسود الكربون، والكربون الزجاجي، والكربون الشبيه بالألماس (DLC)، الكربون اللابلوري أحادي الطبقة (MAC).
• البنى النانوية الهجينة: الألماس النانوي، وبصلات الكربون، والهلاميات الهوائية الكربونية، والمركبات مثل هجائن الكربون النانوي والمعادن.

يُظهر كل شكل خصائص فيزيائية كيميائية متميزة ذات صلة بالتطبيقات في علوم المواد والإلكترونيات وتخزين الطاقة.