ננו-צינורית פחמן

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
(הופנה מהדף ננו שפופרת פחמנית)
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Kohlenstoffnanoroehre Animation.gif
Types of Carbon Nanotubes.png

ננו-צינורית פחמן (carbon nanotube) היא אלוטרופ (מבנה מרחבי מסוים) של פחמן, השייך למשפחת הפולרנים. במשפחה זו נכללים גם כדור באקי, סידור כדורי של אטומי הפחמן.

ננו צינוריות פחמן הן ננו-חומרים, אשר בהן יש תיחום קוונטי בשני ממדים, מה שמקשר אותן למשפחת הננו-חוטים. ניתן לתאר את הצינוריות כמשטחי גרפן שהסתדרו בצורת גליל, וסגרו על עצמם. אטומי הפחמן יוצרים צינוריות קצרות וקטנות ביותר; לעיתים באחד או בשני הקצוות יש כיפה בצורת חצי כדור.

שמן של הננו-צינוריות נעוץ בגודלן, מכיוון שקוטר הצינוריות הוא כמה ננומטרים (בערך 1 חלקי 50,000 מרוחב שערה אנושית) ואילו אורכן יכול להיות כמה מילימטרים. יש שני סוגים עיקריים של ננו-צינוריות: בעלות שכבה אחת (Single Walled Nanotube - SWNT), ובעלות שכבות רבות (Multi-Walled Nanotube - MWNT) - צינורית בתוך צינורית, וכן הלאה, למספר שכבות.

ננו-צינוריות מורכבות לגמרי מקשרי sp², דומים לאלה שבגרפיט. מבנה זה, החזק יותר מקשרי sp³ המאפיינים יהלומים, מספק למולקולות את חוזקן הרב.

ננו-צינוריות אנאורגניות נוצרו אף הן; כשמן, הן מבוססות על חומרים שונים מפחמן, דוגמת טונגסטן וגופרית.

תכונות ושימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הצינוריות מפגינות חוזק יוצא דופן, תכונות חשמליות ייחודיות ומוליכות חום גבוהה. תכונות אלה הופכות אותן לבעלות פוטנציאל רב בתחומים מגוונים כמו: ננוטכנולוגיה, אלקטרוניקה, אופטיקה והנדסת חומרים.

בשל המבנה שלהן, הן משמשות כקצה חוד של מיקרוסקופ מנהור סורק, על מנת להבטיח שלחוד לא יהיה יותר מקצה אחד.

מבנה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כל צינורית פחמן חד שכבתית אפשר להציג כדוגמה מדף גרפן, שניתן על ידי זוג מספרים, (m,n) שנקראים אינדקס קירילי. האינדקסים הקירילים נמצאים בתור קוארדינטות של רדיוס וקטור R במערכת הקוארדינטות האוביליקית שמגדירה את האוריינטציה של ציר הצינורית ביחס למישור הגרפן וקוטרו שניתנים על מישור הגרפן. הקוטר של הצינורית מחושב לפי קוטרו של צילינדר שהיקפו שווה לאורכו של וקטור R שמביע זאת במושגים של אינדקס קירילי כמו:

איפה ש d0=0.142 nm הוא המרחק בין אטומי פחמן שכנים על מישור הגרפן. שיטה אחרת לזיהוי קיריליות היא לזהות את זוויות α שנמצאת בין כיוונו של קיפול הצינורית לבין הכיוון שאליו המשושה של הצינורית הסמוכה וכך מתקבל משושה משותף בין שתי הצינוריות. 

במקרה זה נבחרת הזווית הכי קטנה, כך ש 30≤α≥ (אפס). למרות זאת במקרה זה בשביל פירוט מלא של גאומטרית הצינורית אנו מחויבים למצוא את קוטרה.

לצינוריות פחמן יש שני סוגים של קצוות:

  • פתוח
  • סגור

צינוריות פחמן יכולות להיות בעלות שכבה אחת (singled-walled) או בעלות מספר שכבות (multi- walled).

על בסיס האינדקסים הקירילים צינוריות חד שכבתיות מחולקות לשלושה סוגים:

  • n=m - "כורסא" α=30
  • n=0 - "זיגזג" α=0
  • n≠m - קיריליות

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • הזהות האמיתית של מגלי צינורות פחמן נתונה למחלוקת. מאמר מערכת משנת 2006 שנכתב על ידי מארק מרטיו ולדימיר קוזנצוב בכתב העת "פחמן", מתאר את המקור המעניין ולעיתים קרובות - מוטעה של צינור הפחמן. אחוז גדול מהספרות האקדמית והפופולרית מייחס את גילויו של צינורות חלולים, ננומטריים, המורכבים מפחמן גרפיטי לסומיו איג'ימה מ- NEC בשנת 1991. הוא פרסם מאמר המתאר את תגליתו, אשר עוררה פרץ של התרגשות וניתן לייחס לה השראה. מדענים רבים כיום לומדים יישומים של צינורות פחמן. בשנת 1952, פו0רסמו  תמונות ברורות של 50 צינורות קוטר ננומטר עשוי פחמן של העיתון הסובייטי לכימיה פיזיקלית. תגלית זו לא זכתה להתייחסות רבה, שכן המאמר פורסם ברוסית, וגישתם של מדענים מערביים לעיתונות הסובייטית הייתה מוגבלת בזמן המלחמה הקרה. Monthioux ו Kuznetsov המוזכרים במאמר הפחמן שלהם, היו זכאים לגילוי כי חוטים פחמן יכולים להיות חלולים ובעלי קוטר בגודל ננומטר, כלומר על גילוי של צינורות פחמן.
  • בשנת 1976, Morinobu Endo של CNRS צפו בצינורות חלולים של גיליונות גרפיט מגולגל מסונתז על ידי טכניקת אדים כימיים הצמיחה. הדגימות הראשונות שנצפו מאוחר יותר נקראו "צינורות פחמן חד-קירתיים" .  בביקורו המוקדם של סיבי פחמן (VPCF), הזכיר לנו אנדו כי הוא הבחין בצינור חלול, מורחב באופן ליניארי עם פרצופי שכבת פחמן מקבילים ליד ליבת הסיבים.זה נראה כמו תצפית של צינורות פחמן רב חומה במרכז הסיב. כיום, MWCNTs המיוצרים בייצור המוני קשורים מאוד ל- VPGCF שפיתחה אנדו. למעשה, הם מכנים אותו "תהליך האנדו", מתוך כבוד לעבודתו המוקדמת ולפטנטים שלו. בשנת 1979, ג'ון אברהמסון הציג ראיות של צינורות פחמן בכנס הבינלה ה -14 של פחמן באוניברסיטת מדינת פנסילבניה. נייר הכנס תיאר צינורות פחמן כמו סיבי פחמן שהופקו על אנודות פחמן במהלך פריקה קשת. אפיון של סיבים אלה ניתנה, כמו גם ההשערות על הצמיחה שלהם באווירה חנקן בלחצים נמוכים.
  • בשנת 1981, קבוצה של מדענים סובייטיים פרסמה את התוצאות של אפיון כימי ומבני של חלקיקי פחמן המיוצר על ידי פרופורציה של thermocatalyical של חד תחמוצת הפחמן. באמצעות תמונות TEM ודפוסי XRD, המחברים הציעו כי "פחמן רב שכבתי שלהם גבישים גבישיים" נוצרו על ידי גלגול שכבות גרפן לתוך צילינדרים. הם שיערו כי על ידי גלגול שכבות גרפן לתוך גליל, סידורים שונים רבים של רשתות גרפן משושה אפשריים. הם הציעו שתי אפשרויות לסידורים כאלה: סידור מעגלי (כורסת ננוטובה) וסידור ספירלי, סלילי (צינור כיראלי). בשנת 1987, הווארד ג 'טננט מ Hyperion קטליזה, הוציא פטנט בארצות הברית לייצור "סיבי פחמן גלילי" עם "קוטר קבוע בין כ - 3.5 ל 70 ננומטר. באורך 102 פעמים הקוטר, ואת האזור החיצוני של מספר רב של שכבות מתמשכות של אטומי פחמן מסודרים וליבה פנימית נפרדת ... "

בריאות ובטיחות[עריכת קוד מקור | עריכה]

המכון הלאומי לבטיחות ובריאות תעסוקתית (NIOSH) היא סוכנות פדרלית המובילה בארצות הברית מחקר והנחייה על השלכות בטיחות ובריאות תעסוקתית ויישומים של ננוטכנולוגיה. מחקרים מדעיים מוקדמים הראו כי חלק מהחלקיקים הננומטריים הללו עלולים להוות סיכון בריאותי גדול יותר בצורה בתפזורת הגדולה של חומרים אלה. בשנת 2013, NIOSH פרסמה עלון המודיעין נוכחי המפרט את הסיכונים האפשריים, מומלץ להגביל את החשיפה של צינוריות פחמן סיבי.

נכון לאוקטובר 2016, קיר פחמן יחיד נרשם על ידי האיחוד האירופי בארגון רישום, הערכה, הרשאת ההגבלה של כימיקלים (REACH) לתקנות, המבוסס על הערכה של הנכסים המסוכנים בפוטנציה של SWCNT. בהתבסס על רישום זה, מסחור SWCNT מותר באיחוד האירופי עד 10 טון. נכון לעכשיו, את סוג SWCNT רשום דרך REACH מוגבל לסוג מסוים של ננו-צינוריות פחמן קיר בודד מתוצרת OCSiAl, אשר הגיש את הבקשה.

פוטנציאל[עריכת קוד מקור | עריכה]

הכוח והגמישות של צינורות הפחמן נותן להם שימוש פוטנציאלי בשליטה על מבנים ננומטריים אחרים, מה שמרמז כי יהיה להם תפקיד חשוב בהנדסה וננוטכנולוגיה. חוזק מתיחה הגבוה ביותר של ננו-צינורית פחמן יחיד מרובה קירות נבדק להיות GPA צינורות פחמן נמצאו בדמשק מהמאה ה -17, וייתכן שסייעו להסביר את כוחם האגדי של החרבות העשויות ממנו. לאחרונה, כמה מחקרים הדגישו את האפשרות של שימוש צינורות פחמן כמו אבני הבניין כדי לפברק תלת ממדי מיקרוסקופי בכל שלושת הממדים כל התקנים פחמן. Lalwani et al. דיווחו על שיטה חדשנית לשיטת חשיבה תרמית ביוזמת רדיואקטיבית, קבלי על פיגומי מיקרוסקופים, חופשיים, נקבובי-פחמן, הכוללים צינורות פחמן בודדים ורב-קירות, כמו אבני בניין. אלה פיגומים להחזיק מאקרו, מיקרו, ו- ננו מובנים נקבוביות נקבוביות יכול להיות מותאם עבור יישומים ספציפיים. אלה תלת ממדי פיגומים פיגומים / ארכיטקטורות ניתן להשתמש עבור ייצור של הדור הבא של אחסון אנרגיה,

קבלי על, פליטת שדה טרנזיסטורים, ביצועים גבוהים קטליזה, פוטו-וולטאי, מכשירים ביו רפואיים ושתלים.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא ננו-צינורית פחמן בוויקישיתוף