مقدمه

عصر حاضر را شايد بتوان عصر كربن نام نهاد زيرا اين ماده كاربرد وسيعي در صنايع مختلف پيدا كرده است .در اين بين نانوتيوپ هاي كربن و فلورن ها توجه دانشمندان را بيشتر از ديگر شكلهاي كربن به خود جلب كرده اند . اگرچه مدت زمان زيادي از كشف نانوتيوپ هاي كربن و فلورن نمي گذرد ولي تحقيقات وسيعي در زمينه شناسايي ، ساخت و بكارگيري آنها در صنايع مختلف انجام شده و پيشرفتهاي زيادي نيز در اين رابطه صورت گرفته است.در اين بخش ابتدا به تاريخچه كشف انواع مختلف كربن مي پردازيم ، سپس انواع نانوتيوپ هاي كربن را مورد ارزيابي قرار مي دهيم .

تاريخچه

تا سال 1910 تنها 4 نوع كربن شناخته شده بود : گرافيت ، الماس ، لانسديلايت و كربن بدون شكل يا آمورف . كشف فلورن ها نيز مانند بسياري ديگر از اكتشافات به صورت اتفاقي رخ داده است . در حالي كه قبل از كشف فلورن ها توافق كلي بر روي ناپايداري اتمهاي كربن وجود داشت دانشمندان روسي با استفاده از محاسبات نشان داده بودند كه مولكول فلورن در حالت گازي مي تواند پايدار باشد . در سال 1985 كروتو و اسمالي در حين اسكپروسكوپي نمونه هاي بخار كربن به نتايج جالبي دست يافتند . در اينجا بود كه فلورن ها كشف شدند و با پديداري آنها در فاز گازي نيز به صورت علمي اثبات شد .

س از آن در سال 1991 كشف نانوتيوپ هاي كربن به وسيله يك متخصص ژاپين ميكروسكوپهاي الكتروني به نام سوميوايجيا در حالي كه مشغول مطالعه نشت مواد بر روي كاتد به هنگام ساخت فلورن ها به روش تبخير با قوس الكتريكي بود صورت گرفت . كمي بعد توماس ابزن و پيوليكل آجين از آزمايشگاه آقاي ايجيما نشان دادند كه چگونه مي توان نانوتيوپ هاي كربن را به وسيله تغيير در شرايط تبخير قوس الكتريكي به صورت انبوه توليد نمود . اين امر باعث گسترش امكان مطالعه خواص فيزيكي و شيميايي نانو تيوپيهاي كربن در آزمايشگاهها در سراسر جهان گشت .

سپس نانو تيوپهاي كربن تك ديواره اي به طور همزمان ولي جداگانه توسط گروه ايجيما در شركت NEC و شركت دونالد بثون در مركز تحقيقات آلمادن متعلق به شركت IBM واقع در كاليفرنيا كشف شدند .

طول نانولوله هاي كربني در حدود 100 ميكرومتر تا چندين ميكرومتر است و قطر نانولوله هاي كربني هم در حدود 1 تا 50 نانومتر است . نانولوله هاي كربني در صفحه هاي گرافيتي هستند كه به دور خود پيچيده شده و به صورت لوله در آمده اند . كه سطح استوانه شامل شش ضلعي هاي منظم با اتمهاي كربن در رئوس آنها است . دو سر لوله به كل مك هاي به شكل نيم فلورن منتهي مي شود . پس مولكولهاي فلورن حالت حدي يك نانولوله كربني هستند . كه دو كلاهك مستقيماً به يكديگر متصل شده اند .

نانولوله هاي كربني ساختاري شبيه به يك بعدي دارند . به واسطه اينكه طول آنها در مقابل قطر آنها بزرگتر است . نانولوله هاي كربني هم داراي خواص مولكولي و هم جامد هستند . در ميان ساختارهاي نانولوله هاي كربني كشف شده . دو ساختار از همه بيشتر مورد توجه قرار گرفته است . اين دو ساختار شامل نانولوله هاي كربني تك ديواره كه در سال 1991 كشف شدند و نانولوله هاي كربني چند ديواره كه در سال 1993 كشف شدند .

انواع كربن و ساختارهاي آن

در الماس هر اتم كربن با چهار اتم ديگر در يك شبكه فضايي قرار گرفته كه اين امر خود دليل استحكام بالاي الماس مي باشد . گرافيت ماده اي است كه از شبكه هاي شش ضلعي كربن تشكيل شده است . و همانطور كه در شكل پايين ملاحظه مي شود اين ساختار لايه لايه اي بوده و در آن لايه هاي مختلف مي توانند بر روي يكديگر بلغزند . هر اتم كربن در واقع در يك لايه با سه اتم كربن ديگر پيوند دارد . اين پيوندها حتي از پيوند موجود در الماس نيز قوي تر مي باشند . با توجه به ساختار اتمي كربن ، يك پيوند ديگر نيز بايد وجود داشته باشد كه اين پيوند در خارج از صفحه قرار دارد . ولي ثبت به پيوندي كه در داخل صفحه وجود دارد از استحكام كمتري برخوردار مي باشد . به همين دليل صفحه هاي گرافيت مي توانند بر روي يكديگر بلغزند و به گرافيت نقش روغني بودن را مي دهند كه در نتيجه از آن به صورت يك ماده براي روغنكاري استفاده مي شود . بعلاوه اين نوع پيوند باعث خواهد شد تا گرافيت به شكل يك ماده ناهمسانگرد باشد . در حالي كه الماس به صورت يك ماده همسانگرد عمل مي نمايد.

امروزه اشكال ديگري از كربن نيز شناخته شده است كه اولين آنها فلورن  بوده كه به آن توپ فوتبال نيز مي گويند . امروزه بيش از 30 نوع از اين فلورن ها وجود دارند ، بعلاوه يك خانواده بزرگ از برادرهاي فلورن ها بنام نانوتيوپ هاي كربن نيز شناخته شده اند كه كاربردهاي زيادي در نانوتكنولوژي دارند . در شكلهاي زير نمونه هايي از يك مولكول فلورن و نمونه هايي از نانوتيوپ كربن ديده مي شود.

فلورن  اولين مولكول كربن به شكل كروي مي باشد كه اتمهاي كربن در آن به صورتي قرار گرفته اند كه شكلي مشابه يك توپ فوتبال را مي سازند . در ساختار اين مولكول شصت اتم كربن وجود دارد كه در آن تعدادي از كربنها تشكيل حلقه هايي با پنج اتم را داده كه به وسيله حلقه هاي با شش اتم كربن احاطه شده اند . از اين مولكول مي توان به عنوان يك ياتاقان كروي در ماشينهاي مولكولي استفاده نمود . البته انواع ديگري از فلورن با تعداد اتم كربن بيشتر نيز وجود دارد كه در زير به آنها نيز اشاره خواهيم كرد . اما  از انواع ديگر ناپايدارتر بوده و نيز داراي بيشترين تقارن مي باشد . به همين دليل نيز فراواني آن نسبت به ديگر انواع فلورن بيشتر است . قطر اين مولكول توپي شكل برابر با 17/0 نانومتر مي باشد . در اينجا به علت فراواني و نيز اهميتي كه مولكول  دارد ساختار آن مورد بررسي قرار مي گيرد . در ساختار  اتمهاي كربن در رئوس يك سي و دو وجهي قرار گرتفه اند . مكان اين اتمها مشابه يكديگر هستند و متوسط كمترين فاصله بين دو اتم كربن مجاور در اين مولكول برابر است با 142/0 نانومتر مي باشد و تقريباً باآن برابر است . در اين مولكول هر اتم كربن با سه اتم كربن ديگر پيوند دارد و بيست وجه از سي و دو وجه اين مولكول شش وجهي و دوازده وجه باقي مانده به صورت پنج وجهي مي باشند ذكر تئوري اولر نيز در اينجا خالي از لطف نيست . بر اساس اين تئوري هر سطح بسته اي كه بخواهد از پنج ضلعي و شش ضلعي تشكيل شده باشد حتماً بايد تنها دوازده پنج ضلعي داشته و بقيه وجوه آن از شش ضلعي تشكيل شده باشد . وجود پنج ضلعي ها باعث افزايش انحنا در تشكيل يك سطح بسته مي شود . البته براي اينكه مولكولهاي بدست آمده پايدار باشند بايد يك قانون ديگر را نيز رعايت كرد و آن عبارتست از قانون مجزا كردن پنج وجهي ها كه بنابراين قانون براي كاهش انحنا موضعي بايد آنرا رعايت نمود . 

فهرست مطالب