إستخدامات الأنابيب النانوية

إستخدامات الأنابيب النانوية هي أشد قساوة من الفولاذ، لكن الاستخدامات الأكثر أهمية لهذه الجزيئات الماكروية الشبيهة بالخيوط قد تكون في الأدوات (النبائط) الإلكترونية الأسرع والأكثر كفاءة وتحملاً. منذ نحوعشر 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، تعهد بالأنابيب النانوية nanotubes، وصارت هدفًا للدراسة الفهمية 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، حتى تقوم بالدور نفسه الذي يقوم به السيليكون في الدارات الإلكترونية ، إنما على مقياس جزيئي حيث يتوقف السيليكون وأشباه الموصلات الأخرى عن العمل. وعلى الرغم من حتى الصناعة الإلكترونية تدفع نحوتقليل أبعاد الترانزستورات في الشيپات التجارية إلى ما دون 200 نانومتر - أي ما يعادل عرض نحو400 ذرة - فإن المهندسين يقابلون عقبات كبيرة في الاستمرار بهذه النمنمة(التصغير). وخلال هذا العقد، ستبدأ المواد والسيرورات التي أقيمت عليها ثورة الحواسيب في لقاءة 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 الكثيرة الماضية الباحثين أملاً بأنه يمكن خلق الأسلاك والأدوات الفعالة التي لا تتجاوز أبعادها عشرات النانومترات أوأقل 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 جميع منها على عدد من الأسطوانات الجوفاء من ذرات الكربون بعضها متداخل ضمن بعض مثل الدمى الروسية. وبعد سنتين خلق جميع من إيجيما وDبيثيون [من الشركة IBM وبصورة مستقلة، أنابيب نانوية وحيدة الجدار single-walled nanotubes كانت مصنوعة من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون . إذا كلا النوعين من الأنابيب مصنوع بطرائق متماثلة، كما حتى 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 هوالقوة التي ترتبط بها ذرات الكربون بعضها ببعض، وهي أيضًا ما يجعل الألماس بالقساوة التي هوعليها. 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 (أوعدة صفائح مكدسة) من الگرافيت ملفوفة على هيئة أسطوانة بلا درزات seamlessوليس معروفًا على وجه اليقين الكيفية التي تتكثف بها الذرات لتشكل الأنابيب ، لكن يظهر أنها قد تنموبإضافة ذرات إلى نهاياتها، تمامًا كما تعمل من تحبِكُ الصوف بالإبرة knitter عندما تضيف غرزًا stitches جديدة إلى كُمِّ البترة التي تحبكها .

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

أنابيب ذات فَتْل

وكيفما كان تشكلها، فإن هجريب أنابيب الكربون النانوية وهندستها يولدان تعقيدًا إلكترونيًّا فريدًا. وذلك ببساطة نتيجة للحجم إلى حد ما، لأن الفيزياء الكمومية أوفيزياء الكم تسود عند المقياس النانومتري . لكن الگرافيت نفسه هومادة غير عادية إلى حد بعيد. وفي الوقت الذي يمكن حتى تصنف فيه معظم الموصلات الكهربائية إما معادن أوأشباه موصلات ، فإن الگرافيت هوأحد المواد النادرة المعروفة باسم أشباه المعادن semimetals، وهومتوازن توازنًا مرهفًا في المنطقة الانتنطقية 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 بترة 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 حتى 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 حتى نحوثلثي الأنابيب المفتولة تخطيء نقطة فرمي، فهي أشباه موصلات .

وعلى سبيل المثال، فإن إحدى قواعد العالم الكمومي هي حتى الإلكترونات تسلك سلوك الموجات ، كما تسلك سلوك الجسيمات ، وتستطيع الموجات الإلكترونية حتى تقوي بعضها بعضًا أوحتى تلغي بعضها بعضًا، ونتيجة لذلك، فإن إلكترونًا يمتد حول محيط أنبوب نانوي يستطيع حتى يفني نفسه تمامًا؛ وعليه فإن الإلكترونات ذات الطول الموجي السليم فقط هي التي تبقى. فمن بين جميع الأطوال الموجية الإلكترونية الممكنة، أوالحالات الكمومية quantum states المتوفرة في صفيحة مسطحة من الگرافيت ، لا تظل 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 حتى 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 أوالإيقاف)، 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، حتى إلكترود البوابة gate electrode يستطيع حتى يغير موصلية قناة الأنبوب النانوي في ترانزستورات المفعول المجالي FET بمعامل يبلغ مليونًا أوأكثر، مقارنة بترانزستورات المفعول المجالي FET السيليكونية. ونظرًا لحجمه البالغ الصغر، فإن ترانزستور FET المصنوع من الأنابيب النانوية يمكنه حتى 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 حتى تعمل بسرعات تقدر بالتيراهرتز Hz 1012 ) terahertz )أوأكثر - أي 1000 مرة أسرع من المعالِجات المتوفرة حاليًا.

ثلاث طرق لصنع الأنابيب النانوية

اصعق أواخبز أواقصف(*)

ربما كان سومينوإيجيما أول من رأى أنبوبًا نانويًّا، لكنه من دون شك لم يكن أول من صنعه. في الحقيقة، من الممكنقد يكون أناس نياندرتال القدماء قد صنعوا كميات صغيرة جدًّا من الأنابيب النانوية، من غير قصد، في النيران التي كانت تدفئ كهوفهم. إذا 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 أوعلى هيئة كبسولات أسطوانية cylindrical capsules طويلة تسمى أنابيب باكي buckytubes أوأنابيب نانوية . لقد اكتشف الفهماء 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 وM .. أجايان [من مختبر الأبحاث الأساسية التابع للشركة NEC في تسوكوبا باليابان أول طريقة لصنع كميات ماكروية (كبرية، عيانية) macroscopic من الأنابيب النانوية . وهي كيفية 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 حتى تنتج كلا النوعين من الأنابيب النانوية: وحيدة الجدار ومتعددة الجدران بعيوب بنيوية قليلة أومعدومة.

القيود: تميل الأنابيب إلى حتى تكون قصيرة (50 ميكرونًا أوأقل) وأن تترسب بحجوم واتجاهات عشوائية.

غاز حار

كان M. إندومن جامعة شينشوفي ناگانوباليابان أول من خلق 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 حتى تتحد ثانية على هيئة أنابيب نانوية.

وحديثا اخترع . ليووزملاؤه [من جامعة ديوك محفزًا مساميًّا يدَّعون بأنه يستطيع حتى يحول جميع 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 نحو100 في المئة تقريبًا.

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

القيود: إذا 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 بكيفية 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: إذا 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 الذريةأوالمجهر الإليكترونى المجهز برأس من الأنابيب النانوية حتى يقتفي أثر شريط من الدنا DNA، ويتعهد واسمات كيميائية تبين أيا من البدائل الممكنة الكثيرة 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 بتر 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 من الممكنقد يكون في حدود ميگاهرتز واحد، وهوأبطأ بكثير من شيپات الذواكر العادية.

المجهر الماسح الأكثر حدة

تستطيع الأنابيب النانوية إذا ما وُصلت برأس مجهر ذي مسبار ماسح حتى تعزز الميز الجانبي للجهاز بمعامل يبلغعشرة أوأكثر، مما يسمح برؤية صور أوضح للبروتين والجزيئات الكبيرة الأخرى. مازال جميع 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 خلق سيارات تستطيع حتى ترتد بدلاً من حتى تتحطم أوبنايات تتمايل بدلا من حتى تتصدع أثناء الزلازل. ما زالت تكلفة الأنابيب النانوية تزيد منعشرة أضعاف إلى 1000 ضعف على تكلفة ألياف الكربون المستخدمة حاليًا في المواد المركبة. كما حتى الأنابيب النانوية ناعمة جدًّا لدرجة أنها تنساب من المصفوفة matrix، مما يؤدي إلى انكسارها بسهولة.

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

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 حتى أنابيب الكربون النانوية، عندما توقَفُ على نهايتها وتكهرب ، ستعمل ما تعمله مانعات الصواعق من هجريزها 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 حتى تعمل مددًا زمنية أطول من دون حتى يصيبها التلف.

خواص أنابيب الكربون النانوية

الحجم

القطر من 0.6 إلى 1.8 نانومتر تستطيع طريقة الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية (الليثوگرافيا) حتى 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 نحوبليوني پاسكال

الرجوعية (الإنثناء)

يمكن حتى 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 نحومليون أمپير/سم2

التكلفة

1500 دولار لكل غرام من الشركةBucky USA في هيوستن كان المضى يباع بنحو10دولارات 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، وهومرشد 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 والگرافيت). واشتق الاسم من اسم المخترع الأمريكي باكِمنْستر فولر(1885-1983) الذي صمم القباب الجيوديسية.

روابط خارجية

Nanohedron.com image gallery with carbon nanotubes
New Scientist Special Report: a collection of nanotechnology articles, most on nanotubes
Applications and Markets of Carbon Nanotubes: from issueستة of Nano Magazine which focused solely on Carbon Nanotubes
The stuff of dreams, CNET
The Nanotube site. Last updated 2009.05.03
Carbon nanotech may have given swords of Damascus their edge, Nature 2006.
EU Marie Curie Network CARBIO: Multifunctional carbon nanotubes for biomedical applications
Nanowire Computing Made Practical
Medical applications of carbon nanotubes
Carbon nanotube on arxiv.org
Applications of Carbon Nanotubes
Forming carbon nanotube composites by directly coating forests with inorganic materials using low pressure chemical vapor deposition
C60 and Carbon Nanotubes a short video explaining how nanotubes can be made from modified graphite sheets and the three different types of nanotubes that are formed
Carbon Nanotubes & Buckyballs.