پیشرفت غیر منتظره در تهیه الیاف نانولوله های کربنی در مقیاس صنعتی

از زمان کشف نانولوله های کربنی در سال ۱۹۹۱، این مواد توجه زیادی را در کاربردهای مختلف از درمان سرطان تا راه حلی برای بحران انرژی جهانی به خود جلب کرده اند.

نانولوله های کربن بسیار قابل توجه هستند، درحالی که این مواد از لحاظ اندازه شبیه برخی از مولکول های پلیمرهای میله ای شکل هستند، نانولوله های کربن می توانند الکتریسیته را به خوبی مس عبور دهند و یا می توانند نیمه رسانا باشند. نانولوله ها می توانند به آنتی بادی ها چسبانده شوند و برای رفع بیماری ها یا حرارت دهی با موج های رادیویی برای تخریب سرطان استفاده شوند. این مواد در ساخت ترانزیستورهایی بسیار کوچک تر از آنچه امروزه در بهترین ریزتراشه ها وجود دارد، استفاده می شوند. نانولوله ها همچنین وزنی به اندازه یک ششم فولاد و قدرتی ۱۰۰ برابر فولاد دارند.

کولار، یک لیف پلیمری است که درجلیقه های ضدگلوله استفاده می شود و درحدود ۵ تا ۱۰ بارقوی تر از قوی ترین الیاف نانولوله ای است که امروزه استفاده می شوند. اما در حقیقت الیاف تهیه شده از نانولوله ها بایستی حدود ۱۰۰ مرتبه قوی تر از کولار باشد. دلیل این مشکل، ضعف فرایندهای تهیه الیاف از نانولوله ها است.

معمول ترین فرآیند تبدیل نانولوله ها به الیاف منظم، جدا از روش های خشک که در آن الیاف مستقیماً به صورت نخ ریسیده می شود، روش های تر می باشد. در این روش ها نانولوله های کربن در یک مایع پخش شده و محلول به صورت الیاف ریسیده می شود. هم اکنون این فرآیند ها الیافی به وجود می آورند که خواص آنها به اندازه کافی به حالت بهینه نزدیک نیستند.

دانشمندان دانشگاه Rice روشی برای تهیه الیاف نانولوله های کربن ارائه دادند که منجر به یک پیشرفت انقلابی درعلم مواد، توزیع انرژی و نانوالکترونیک می شود.

این روش که نتیجه یک برنامه نه ساله است، براساس روش های عملی که شرکت های مواد شیمیایی ده ها سال برای تولید پلاستیک ها به کاربرده اند، بناشده است.

Matteo Pasquali ، پروفسور مهندسی شیمی و زیست مولکولی می گوید:”صنعت پلاستیک یک صنعت ۳۰۰ میلیون دلاری در آمریکا است. این امر به دلیل حجم عظیمی از تولید است که به واسطه روش های شکل دهی مایعات امکان پذیر شده است.”

دلیل اینکه فروشگاه ها کیسه های پلاستیکی را به جای کیسه های کاغذی استفاده می کنند و لباس های پلی استر از لباس های پنبه ای ارزان تر هستند، این است که پلیمرها می توانند حل یا ذوب شوند و به عنوان سیال فرآیند شوند. فرآیندکردن نانولوله ها به عنوان سیال، استفاده از تمامی تکنولوژی های فرآیند سیال را که تاکنون برای پلیمرها توسعه داده شده است، ممکن می سازد.

درحالی که خواص حرارتی، الکتریکی، و مکانیکی نانولوله های کربنی بی نظیر هستند، اما مهندسان مواد چالش های فراوانی در کنار هم قرار دادن نانولوله های کربنی برای ایجاد ساختارهای ماکروسکوپیک که خواص نانولوله های سازنده را حفظ کند، درپیش رو دارند. به دلیل اینکه محققان روش های خوبی را برای کنار هم قرار دادن نانولوله ها پیدا نکرده اند، ماده به وجود آمده تنها بخش کوچکی از خواص نانولوله های منفرد را دارا می باشد.

فرایند جدید بر پایه کشفی که توسط همین تیم در سال ۲۰۰۳ اتفاق افتاد، بنا شده است. در آن سال روشی برای حل نمودن مقدار زیادی از نانو لوله های کربن خالص در حلال های اسیدی قوی مانند سولفوریک اسید یافت شد. تیم تحقیقاتی متعاقباً دریافتند که نانو لوله ها در این محلول ها خود را در یک صف و هم تراز قرار می دهند (شبیه رشته های ماکارونی نپخته) ، تا یک کریستال مایع تشکیل دهند که می تواند به صورت یک لیف تک رشته ای در حدود اندازه تار موی انسان ریسیده شود. Wade Adams می گوید: “این تحقیق یک فرآیند صنعتی برای نانولوله ها ایجاد کرده است که شبیه به روش های ساخت کولار از پلیمرهای میله ای است.” تحقیقات انجام شده در سال ۲۰۰۳ نشان داد که یک حلال خوب برای نانو لوله های کربن “کلروسولفونیک اسید” است.

به دنبال پیشرفت های بدست آمده درسال ۲۰۰۳ ، تیم تحقیقاتی مطالعه ای روی چگونگی رفتار نانولوله ها در انواع مختلف و غلظت های متفاوت از اسیدها انجام داد. با مقایسه رفتار نانولوله های کربن در اسید با مقالات در موضوع پلیمرها و کلوییدهای میله ای شکل، تیم تحقیقاتی ابزارهای تئوری و عملی را که شرکت های تولید مواد شیمیایی برای فرآیندکردن نانولوله ها در حالت توده نیازدارند، توسعه داد.

Pasquali می گوید:”Ishi Talmon و همکارانش در Technion-Israel Institute of Technology تحقیق اصلی برای کمک به اثبات اینکه نانولوله های کربن به طور خود به خود در “کلروسولفونیک اسید” حل می شود، انجام داده است. برای این کار آن ها یک تکنیک آزمایشگاهی جدید را برای تصویرسازی مستقیم از محلول های اسیدی که به سرعت منجمد و شیشه ای شده اند، توسعه دادند.”

Talmon می گوید:” این یک مطالعه بسیار سخت بود. تیم فقط مجبور نبود که یک تکنیک جدید آزمایشگاهی را برای رسیدن به این نکته، ایجادکند، بلکه ناچار بود بسط های قابل توجهی به تئوری های کلاسیک که برای توضیح انحلال میله ها به کار می روند، بدهد. تیم Technion ناچاربود یک روش جدید توسعه دهد که به ما این توانایی را می دهدکه یک تصویر با تفکیک بالا از نانولوله های کربن پخش شده درکلروسولفونیک اسید که یک سیال بسیارخورنده است، با استفاده از یک روش میکروسکوپ الکترونی در دماهای بسیار پایین، به دست آوریم.”

Pasquali یکی ازمحققان می گوید:”آرایش و کنار هم قرار دادن موفقیت آمیز نانولوله های کربنی با کنترل پراکندگی و رفتارهای فازی آغاز می شود و به فهم علمی ازجریان سیال، فعل و انفعالات کلوییدی و حلال مناسب احتیاج دارد. ما به تازگی نشان دادیم که نانولوله های کربنی تک دیواره (SWCNTs) ترمودینامیک مناسبی در اسیدهای قوی به وجود می آورند و ما نمودار فازی کامل راگزارش داده ایم. این مورد این امکان را به ما می دهد که یک طراحی از فرآیند در سیال داشته باشیم.”

تحقیق جدید درست زمانی معرفی شد که موسسه Smalley ، خود را برای برگزاری دهمین جشن سالانه ساخت رآکتور “HIPco” که اولین سیستم قادر به تولید نانولوله ها درتوده با کیفیت بالا است، آماده می کرد.

Pasquali به همراه یک تیم ۱۸ نفره از دانشمندان از موسسات Richard Rice, E.Smalley, Technion-Israel Institute of technology سرانجام یک حلال مناسب برای نانولوله های کربنی یافتند. با این پیشرفت آنها اکنون می توانند به فن آوری هایی برای نانولوله های کربنی دست پیدا کنند که برای فرآیند پلیمرها از طریق فاز محلول، در مقیاس صنعتی توسعه داده شده اند.

این تیم نتایج یافته هایشان رادرمجله Nature Nanotechnology درتاریخ ۱ نوامبر ۲۰۰۹ باعنوان زیرگزارش داده اند:

“True solutions of single-walled carbon nanotubes for assembly into macroscopic materials”

دانشمندان خاطرنشان کردند که اکنون مقادیر عددی نمودار فازی SWCNTs در اسید قوی را می دانیم. این نمودار فازی ما را به شناختن ترکیب بهینه سیال ابتدایی راهنمایی می کند. همچنین دیدی را ایجاد می کندکه چگونه حلال الیاف را حذف کنیم، یعنی مرحله انعقاد. لخته شدن نقش کلیدی در تعیین ریز ساختار و درشت ساختار الیاف و فیلم ها بازی می کند.

دو مزیت قابل توجه در این روش وجود دارد:

1. به دلیل اینکه نانولوله ها به صورت شیمیایی اصلاح نمی شوند، خواص الکتریکی آن ها درطول فرآیند حفظ می شود.
2. با وجود خطرناک بودن اسیدها، این مواد در فرآیندهای صنعتی نسبتاً کم خطر محسوب می شوند.

ریزساختار فاز کریستال مایع و به دنبال آن الیاف و فیلم های ماکروسکوپی به کیفیت حلال بستگی دارد. اسیدهای قوی تر نواحی بلور مایع بزرگتر و الیاف و فیلم های یکنواخت تری ایجاد می کنند.

امروزه رآکتورهای صنعتی چندین تن نانولوله کربنی باکیفیت پایین تولید می کنند. این رآکتورها نانولوله ها با قطر، طول و ساختار متفاوت و پراکنده تولید می کنند. دانشمندان سراسر دنیا در تلاش هستند تا فرآیندی که فقط یک نوع از نانولوله ها را در توده تولید می کنند، ایجادکنند.

——————-

Rice University