إستخدامات الأنابيب النانوية

إستخدامات الأنابيب النانوية هي أشد قساوة من الفولاذ، لكن الاستخدامات الأكثر أهمية لهذه الجزيئات تعليق الماكروية الشبيهة بالخيوط قد تكون في الأدوات (النبائط) الإلكترونية الأسرع والأكثر كفاءة وتحملاً. منذ نحو عشر سنوات، لاحظ S. إيجيما حين كان جالسًا أمام المجهر الإلكتروني في مختبر الأبحاث الأساسية التابع للشركة NEC في تسوكوبا باليابان، للمرة الأولى، خيوطًا غريبة نانوية الأبعاد(1) متمددة في لطخة من السناج (السخام). وسرعان ما صارت هذه الجزيئات الماكروية، الرفيعة البديعة والطويلة بشكل يثير الإعجاب، تعرف بالأنابيب النانوية nanotubes، وصارت هدفًا للدراسة العلمية المكثفة.

ربما تستفيد التطبيقات الأكثر أهمية، على المدى البعيد، من مزايا أخرى من الخواص الإلكترونية الفريدة للأنابيب النانوية. فأنابيب الكربون النانوية تستطيع، من حيث المبدأ، أن تقوم بالدور نفسه الذي يقوم به السيليكون في الدارات الإلكترونية ، إنما على مقياس جزيئي حيث يتوقف السيليكون و أشباه الموصلات الأخرى عن العمل. وعلى الرغم من أن الصناعة الإلكترونية تدفع نحو تقليل أبعاد الترانزستورات في الشيپات التجارية إلى ما دون 200 نانومتر - أي ما يعادل عرض نحو 400 ذرة - فإن المهندسين يواجهون عقبات كبيرة في الاستمرار بهذه النمنمة(التصغير). وخلال هذا العقد، ستبدأ المواد والسيرورات التي أقيمت عليها ثورة الحواسيب في مواجهة الحدود الفيزيائية الأساسية. ولا تزال هناك حوافز اقتصادية كبيرة لتقليص حجم الأدوات (النبائط) أكثر فأكثر، لأن سرعة أدوات الإلكترونيات الميكروية وكثافتها وكفاءتها ترتفع كلها بسرعة بتناقص حجم شكلها الأصغري minimum feature size. لقد أعطت التجارب في السنوات العديدة الماضية الباحثين أملاً بأنه يمكن صنع الأسلاك والأدوات الفعالة التي لا تتجاوز أبعادها عشرات النانومترات أو أقل من ذلك من الأنابيب النانوية ، وبدمجها في الدارات الإلكترونية التي تعمل عندئذ بسرعة أكبر كثيرًا وتستهلك طاقة أقل بكثير من تلك الأدوات الموجودة حاليًا. إن أنابيب الكربون النانوية الأولى التي شاهدها إيجيما في أواخر عام 1991 سميت الأنابيب المتعددة الجدران multiwalled tubes ، فقد احتوى كل منها على عدد من الأسطوانات الجوفاء من ذرات الكربون بعضها متداخل ضمن بعض مثل الدمى الروسية. وبعد سنتين صنع كل من إيجيما وDبيثيون [من الشركة IBM وبصورة مستقلة، أنابيب نانوية وحيدة الجدار single-walled nanotubes كانت مصنوعة من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون . إن كلا النوعين من الأنابيب مصنوع بطرائق متماثلة، كما أن لهما خواص متماثلة عديدة - أكثرها وضوحًا هي كونها ضيقة جدًّا وطويلة. فالتشكيلة الوحيدة الجدار، مثلاً، يبلغ قطرها نانومترًا واحدًا لكنها قد تبلغ مئات النانومترات في الطول.

إن ما يجعل هذه الأنابيب بهذا الاستقرار هو القوة التي ترتبط بها ذرات الكربون بعضها ببعض، وهي أيضًا ما يجعل الألماس بالقساوة التي هو عليها. ففي الألماس تتصل ذرات الكربون لتشكل رباعيات وجوه، أما في الأنابيب النانوية فترتب الذرات نفسها في حلقات سداسية الشكل مثل شبك بيوت الدجاج. ويرى المرء النمط نفسه في الگرافيت ، وفي الحقيقة فإن الأنبوب النانوي يشبه صفيحة (أو عدة صفائح مكدسة) من الگرافيت ملفوفة على هيئة أسطوانة بلا درزات seamlessوليس معروفًا على وجه اليقين الكيفية التي تتكثف بها الذرات لتشكل الأنابيب ، لكن يبدو أنها قد تنمو بإضافة ذرات إلى نهاياتها، تمامًا كما تفعل من تحبِكُ الصوف بالإبرة knitter عندما تضيف غرزًا stitches جديدة إلى كُمِّ القطعة التي تحبكها .


مقارنة بين أحجام رأس الدبوس , حبة لقاح ,كرية دم حمراء وأنبوب نانوى كربونى



. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

أنابيب ذات فَتْل

وكيفما كان تشكلها، فإن تركيب أنابيب الكربون النانوية وهندستها يولدان تعقيدًا إلكترونيًّا فريدًا. وذلك ببساطة نتيجة للحجم إلى حد ما، لأن الفيزياء الكمومية أو فيزياء الكم تسود عند المقياس النانومتري . لكن الگرافيت نفسه هو مادة غير عادية إلى حد بعيد. وفي الوقت الذي يمكن أن تصنف فيه معظم الموصلات الكهربائية إما معادن أو أشباه موصلات ، فإن الگرافيت هو أحد المواد النادرة المعروفة باسم أشباه المعادن semimetals، وهو متوازن توازنًا مرهفًا في المنطقة الانتقالية بين الاثنين. فإذا جمعنا الخواص شبه المعدنية للگرافيت مع القواعد الكمومية لمستويات الطاقة والموجات الإلكترونية، فإن أنابيب الكربون النانوية تبرز كموصلات غريبة حقًّا. تشبه الأنابيب النانوية المستقيمة قطعة مستوية مقطوعة من صفيحة من الگرافيت وملفوفة على هيئة أنبوب .إن هندسة الأنابيب النانوية تحصر الإلكترونات في عدد قليل من الشرائح المختارة للحالات الطاقية للگرافيت . واعتمادًا على قطر الأنبوب، يمكن لإحدى هذه الشرائح أن تحوي المسار الضيق الذي يصل الإلكترونات بحالات الموصلية. وتدعى هذه النقطة الخاصة نقطة فرمي Fermi point ، وهي تجعل ثلثي الأنبوب النانوي معدنيًّا. أما إذا كان الوضع غير ذلك وأخطأت الشرائح نقطة فرمي فإن الأنابيب النانوية تصبح شبه موصلة.

أنابيب نانوية مفتولة، مقطوعة بزاوية من الگرافيت (في اليمين). وتكون شرائح حالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات مقطوعة بالمثل بزاوية، والنتيجة هي أن نحو ثلثي الأنابيب المفتولة تخطيء نقطة فرمي، فهي أشباه موصلات .

وعلى سبيل المثال، فإن إحدى قواعد العالم الكمومي هي أن الإلكترونات تسلك سلوك الموجات ، كما تسلك سلوك الجسيمات ، وتستطيع الموجات الإلكترونية أن تقوي بعضها بعضًا أو أن تلغي بعضها بعضًا، ونتيجة لذلك، فإن إلكترونًا يمتد حول محيط أنبوب نانوي يستطيع أن يفني نفسه تمامًا؛ وعليه فإن الإلكترونات ذات الطول الموجي الصحيح فقط هي التي تبقى. فمن بين جميع الأطوال الموجية الإلكترونية الممكنة، أو الحالات الكمومية quantum states المتوفرة في صفيحة مسطحة من الگرافيت ، لا تبقى إلا مجموعة فرعية صغيرة subset عندما نلف تلك الصفيحة لنصنع منها أنبوبًا نانويًّا. وتعتمد تلك المجموعة الفرعية على محيط الأنبوب النانوي، كما تعتمد على ما إذا كان الأنبوب النانوي مفتولاً.

الدارات النانوية

لقد تمكنت عدة مجموعات بحثية، بما فيها مجموعتنا، من أن تبني بنجاح أدوات إلكترونية عاملة مستخدمة أنابيب الكربون النانوية . فترانزستورات المفعول المجالي (field-effect transistors :FET) التي صنعناها تستخدم أنابيب نانوية شبه موصلة مفردة بين إلكترودين (مَسْرَيَيْن) electrodes معدنيين تقوم مقام قناة تتدفق خلالها الإلكترونات .ويمكن التحكم في تدفق التيار في هذه القناة (بالسماح أو الإيقاف)، وذلك بتطبيق ڤلطيات على إلكترود ثالث قريب منهما. تعمل الأدوات (النبائط) المبنية على الأنابيب النانوية في درجة حرارة الغرفة بمميزات كهربائية مماثلة بصورة رائعة لأدوات (نبائط) السيليكون المتوفرة تجاريًّا. لقد وجدنا نحن وآخرون، على سبيل المثال، أن إلكترود البوابة gate electrode يستطيع أن يغير موصلية قناة الأنبوب النانوي في ترانزستورات المفعول المجالي FET بمعامل يبلغ مليونًا أو أكثر، مقارنة بترانزستورات المفعول المجالي FET السيليكونية. ونظرًا لحجمه البالغ الصغر، فإن ترانزستور FET المصنوع من الأنابيب النانوية يمكنه أن يشكل قاطعة switch موثوقًا بها، مستخدمًا طاقة أقل بكثير من الطاقة التي تستهلكها أداة (نبيطة) قائمة على السيليكون. ويتنبأ النظريون بأن قاطعة نانوية المقياس حقًّا تستطيع أن تعمل بسرعات تقدر بالتيراهرتز Hz 1012 ) terahertz )أو أكثر - أي 1000 مرة أسرع من المعالِجات المتوفرة حاليًا.


ثلاث طرق لصنع الأنابيب النانوية

  • اصعق أو اخبز أو اقصف(*)

ربما كان سومينو إيجيما أول من رأى أنبوبًا نانويًّا، لكنه من دون شك لم يكن أول من صنعه. في الحقيقة، ربما يكون أناس نياندرتال القدماء قد صنعوا كميات صغيرة جدًّا من الأنابيب النانوية، من غير قصد، في النيران التي كانت تدفئ كهوفهم. إن ذرات الكربون التي انفصلت بالحرارة تجمعت ثانية بطريقة ما مشكّلة سخامًا ، بعضه على هيئة لطخ لابلورية amorphous blobs، وبعضه على هيئة كرات تدعى كرات باكي(1) bucky balls أو على هيئة كبسولات أسطوانية cylindrical capsules طويلة تسمى أنابيب باكي buckytubes أو أنابيب نانوية . لقد اكتشف العلماء ثلاث طرق لصنعسخام يعطي حصيلة عالية من الأنابيب النانوية . لكن الطرق الثلاث مازالت تعاني عجزًا وقيودًا خطيرة: فجميعها تنتج خلائط من أنابيب نانوية ذات أطوال مختلفة جدًّا، وفيها عيوب كثيرة، كما فيها فتلات (التواءات) twists متنوعة.

  • شرارة كبيرة

في عام 1992 نشر T. إيبيسين و M .. أجايان [من مختبر الأبحاث الأساسية التابع للشركة NEC في تسوكوبا باليابان أول طريقة لصنع كميات ماكروية (كبرية، عيانية) macroscopic من الأنابيب النانوية . وهي طريقة تكاد تكون فرانكِنشتاينية في تصميمها: اربط بالأسلاك قضيبين من الگرافيت بمنبع تغذية، ضع أحدهما على بعد مليمترات من الآخر ثم صل القاطعة. عندما تقدح بينهما شرارة لدى مرور تيار كهربائي يبلغ 100 أمپير، يتبخر الكربون متحولاً إلى پلازما حارة , ويتكثف جزء من الكربون على هيئة أنابيب نانوية .

المردود النموذجي: يصل إلى 30 في المئة وزنًا.

المميزات: يمكن لدرجات الحرارة العالية والمحفزات المعدنية المضافة إلى القضبان أن تنتج كلا النوعين من الأنابيب النانوية: وحيدة الجدار ومتعددة الجدران بعيوب بنيوية قليلة أو معدومة.

القيود: تميل الأنابيب إلى أن تكون قصيرة (50 ميكرونًا أو أقل) وأن تترسب بحجوم واتجاهات عشوائية.

  • غاز حار

كان M. إندو من جامعة شينشو في ناگانوباليابان أول من صنع أنابيب نانوية بهذه الطريقة، التي تدعى الترسيب من البخار الكيميائي CVD chemical vapor deposition. هذه الوصفة بسيطة أيضًا إلى حدٍ ما. ضع ركازة substrate في فرن، سخن إلى الدرجة 600 سيلزية ثم أضف ببطء غازًا محملاً بالكربون، مثل غاز الميثان. عندما يتفكك الغاز، فإنه يحرر ذرات الكربون التي تستطيع أن تتحد ثانية على هيئة أنابيب نانوية.

وحديثا اخترع . ليو وزملاؤه [من جامعة ديوك محفزًا مساميًّا يدَّعون بأنه يستطيع أن يحول كل الكربون تقريبًا في غاز التلقيم إلى أنابيب نانوية . وبطباعة أشكال (نقوش) من جسيمات المحفز على الركازة، تمكن <H. داي> وزملاؤه [من جامعة ستانفورد] من التحكم في مكان تشكل الأنابيب (في اليمين)، وكانوا يعملون على ضم هذا الإنماء المتحكم فيه إلى تقانة السيليكون العادية.

المردود النموذجي: من 20 إلى نحو 100 في المئة تقريبًا.

المميزات: الترسيب من البخار الكيميائي (CVD) هي الطريقة الأسهل من بين الطرق الثلاث لزيادة الإنتاج الصناعي. ومن الممكن صنع أنابيب نانوية بطول كبير، وهي تعد ضرورية للألياف التي تستخدم في صناعة المواد المركبة.

القيود: إن الأنابيب النانوية المصنوعة بهذه الطريقة هي في العادة متعددة الجدران، وهي غالبًا ما تكون مليئة بالعيوب. وفي النتيجة، فإن لهذه الأنابيب عُشْر قوة الشد فقط التي للأنابيب المصنوعة بطريقة التفريغ القوسي arc discharge.

  • قصف ليزري A LASER BLAST

كان R. سمولي وزملاؤه [ن جامعة رايس يقصفون blasting معدنًا بنبضات ليزر كثيفة لإنتاج جزيئات معدنية من نوع فاخر، عندما نقلت الأخبار نبأ اكتشاف الأنابيب النانوية. فاستعاضوا عن المعدن في جهازهم بقضبان الگرافيت، وفي الحال أنتجوا أنابيب كربون نانوية باستعمال نبضات ليزرية، بدلاً من الكهرباء، لتوليد غاز الكربون الحار الذي تتشكل منه الأنابيب النانوية .وجربت المجموعة محفزات عديدة حتى توصلت إلى الشروط التي تنتج كميات هائلة من الأنابيب النانوية الوحيدة الجدار.

المردود النموذجي: حتى 70 في المئة

المميزات: تنتج في المقام الأول أنابيب نانوية وحيدة الجدار، بقطر يراوح في مجال يمكن التحكم فيه بتغيير درجة حرارة التفاعل.

القيود: إن هذه الطريقة هي الأكثر كلفة، لأنها تتطلب ليزرات غالية جدًّا.

استعمالات أخرى للأنابيب النانوية

  • المسابير الكيميائية والجينية

شريط موسوم من الدنا DNA يستطيع مجهر القوة الذريةأو المجهر الإليكترونى المجهز برأس من الأنابيب النانوية أن يقتفي أثر شريط من الدنا DNA، ويتعرف واسمات كيميائية تبين أيا من البدائل الممكنة العديدة موجود في الشريط. هذه هي الطريقة الوحيدة المخترعة حتى الآن لتصوير كيمياء سطح ما، لكنها لم تستخدم بعد على نطاق واسع. ولم تجرب حتى الآن إلا على قطع صغيرة نسبيًّا من الدنا DNA


  • الذاكرة الميكانيكية

RAM غير متطايرة لقد اختبرت شاشة من الأنابيب النانوية ممدودة على قوالب داعمة كأداة لذاكرة ثنائية، وطبقت ڤلطيات تجبر بعض الأنابيب على التّماس (حالة الوصل on) وبعضها الآخر على الانفصال (حالة الفصل off). لم يجر قياس سرعة التبديل، لكن حد السرعة لذاكرة ميكانيكية ربما يكون في حدود ميگاهرتز واحد، وهو أبطأ بكثير من شيپات الذواكر العادية.

  • المجهر الماسح الأكثر حدة

تستطيع الأنابيب النانوية إذا ما وُصلت برأس مجهر ذي مسبار ماسح أن تعزز الميز الجانبي للجهاز بمعامل يبلغ 10 أو أكثر، مما يسمح برؤية صور أوضح للبروتين والجزيئات الكبيرة الأخرى. مازال كل رأس مستدق يصنع بصورة إفرادية على الرغم من أنها متوفرة تجاريا. فرؤوس الأنابيب النانوية لا تحسن الميز الشاقولي، لكنها تسمح بتصوير حفر عميقة في البنى النانوية كانت خافية من قبل.

  • المواد الفائقة القوة

اختبار إجهاد الأنابيب النانوية إذا ما دفنت الأنابيب النانوية في مادة مركبة، أمكن الاستفادة من رجوعيتها قابليتها للثنى resilience الهائلة ومقاومة الشد الكبيرة التي تتمتع بها في صنع سيارات تستطيع أن ترتد بدلاً من أن تتحطم أو بنايات تتمايل بدلا من أن تتصدع أثناء الزلازل. ما زالت تكلفة الأنابيب النانوية تزيد من 10 أضعاف إلى 1000 ضعف على تكلفة ألياف الكربون المستخدمة حاليًا في المواد المركبة. كما أن الأنابيب النانوية ناعمة جدًّا لدرجة أنها تنساب من المصفوفة matrix، مما يؤدي إلى انكسارها بسهولة.

من الوجهة النظرية، يمكن للأنابيب النانوية أن تحل هاتين المشكلتين معًا. فقد تنبأ العلماء بأن أنابيب الكربون النانوية ستنقل الحرارة بجودة لا تقل تقريبًا عن الألماس أو الياقوت الأزرق أو (الصفير) sapphire ، ويبدو أن التجارب الأولية تؤكد هذه النبوءة. وعليه فإن الأنابيب النانوية تستطيع بكفاءة أن تبرد صفيفات من الأدوات (النبائط) الشديدة الكثافة. ونظرًا لأن الروابط بين ذرات الكربون أقوى بكثير من الروابط في أي معدن، فإن الأنابيب النانوية تستطيع أن تنقل كميات هائلة من التيار الكهربائي ـ تبين أحدث القياسات أن حزمة من أنابيب نانوية مقطعها سنتيمتر مربع واحد تستطيع أن تنقل نحو بليون أمپير. إن تيارًا بهذه الضخامة يستطيع أن يبخر النحاس أو الذهب.

أين تسطع الأنابيب النانوية؟

تتمتع أنابيب الكربون النانوية بصفة إلكترونية مهمة أخرى يضعها المهندسون الآن قيد الاستخدام. ففي عام 1995 بينت إحدى مجموعات البحث من جامعة رايس أن أنابيب الكربون النانوية، عندما توقَفُ على نهايتها وتكهرب ، ستفعل ما تفعله مانعات الصواعق من تركيزها للحقل الكهربائي عند رؤوسها المدببة. لكن في حين توصل مانعة الصواعق قوسًا arc إلى الأرض، فإن الأنبوب النانوي يصدر إلكترونات من رأسه المدبب بمعدل هائل. ونظرًا لكونها حادة جدًّا، فإن الأنابيب النانوية تصدر إلكترونات عند ڤلطيات أخفض كثيرًا مما تصدره الإلكترودات المصنوعة من معظم المواد الأخرى، وتسمح الروابط الكربونية القوية للأنابيب النانوية أن تعمل مددًا زمنية أطول من دون أن يصيبها التلف.

خواص أنابيب الكربون النانوية

  • الحجم

القطر من 0.6 إلى 1.8 نانومتر تستطيع طريقة الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية (الليثوگرافيا) أن تشكل خطوطًا بعرض 50 نانومترًا، وثخن بضعة نانومترات.

  • الكثافة

من 1.33 إلى 1.40 غرام/سم3 كثافة الألمونيوم 2.7 غرام/سم3

  • قوة الشد

4 بليون پاسكال تنكسر سبائك الفولاذ العالي القوة عند نحو بليوني پاسكال

  • الرجوعية (الإنثناء)

يمكن أن تُثْنى بزوايا كبيرة ثم تُقَوم من دون عطب المعادن وألياف الكربون تنكسر عند حدود الحبات

  • أقصى قدرة على حمل التيار

قدرت ببليون أمپير في السنتيمتر المربع الواحد تحترق أسلاك النحاس تمامًا عند نحو مليون أمپير/سم2

  • التكلفة

1500 دولار لكل غرام من الشركةBucky USA في هيوستن كان الذهب يباع بنحو 10دولارات لكل غرام في الشهر10/20


المؤلفان

Philip G. Collins - Phaedon Avouris

عالمان يعملان في مركز أبحاث توماسJ. وطسون التابع للشركة IBM ،حيث يقومان بدراسة الخواص الكهربائية لأنواع مختلفة من الأنابيب النانوية. حصل كولينز على شهادتين في الفيزياء والهندسة الكهربائية من معهد ماساتشوستس للتقانة وجامعة كاليفورنيا في بركلي. وفضلاً عن كونه فيزيائيًّا فقد أمضى سنتين مدرسًا في المدارس الثانوية، وهو مرشد محترف لرياضة الطوف في المياه البيضاء (المنحدرات النهرية وأمواج الشاطئ). أما أڤوريس، الذي يدير مجموعة العلوم النانوية والتقانة النانوية لأبحاث الشركة IBM ، فقد منح جائزة فاينمان للتقانة النانوية الجزيئية. كما أنه عالم بالطيور المدارية شديد التعلق بها.

(1) كرة باكي: جزيء مكون من 60 ذرة كربون، يشبه قبة جيوديسية (قبلة مثلثات)، وهي قباب نصف كروية مكونة من مثلثات. ويعتبر هذا الجزيء ثالث أنواع الكربون النقي (بعد الألماس و الگرافيت). واشتق الاسم من اسم المخترع الأمريكي باكِمنْستر فولر(1885-1983) الذي صمم القباب الجيوديسية.


روابط خارجية

مشاع المعرفة فيه ميديا متعلقة بموضوع Carbon nanotube.
  • المصدر

Scientific American, December 2000

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=إستخدامات_الأنابيب_النانوية&oldid=2236176"