كتب أنواع الأنابيب النانوية الكربونية وهياكلها البنائية

أحادية الجدار

• أريكية المنظر (n,n)

• المتجه الدواني أو الكايرالي يكون مقوساً، في حين متجه الانزلاق يظل مستقيماً

• شريط نانوي غرافيني

• المتجه الدواني أو الكايرالي يكون مقوساً، في حين متجه الانزلاق يظل مستقيما

• متعرج (n,0)

• الدواني أو الكايرالي (n,m)

• n وm يمكن حسابهما في نهاية الأنبوب

• شريط نانوي غرافيني

يكون لغالبية الأنابيب النانوية أحادية الجّدار قطراً يقترب من النانومتر الواحد، مع طول أنبوب قد يصل إلى أطول من ذلك بملايين المرات. كما يمكن تصور بنية الأنبوب النانوي الكربوني أحادي الجدار من خلال لف طبقةٍ رقيقةٍ أحادية الذرة من الغرافيت يُطلق عليها غرافين لنحصل على شكل إسطوانةٍ سلسلةٍ بعد ذلك. ويتم التعبير عن الطريقة التي يتم بها لف الغرافين بزوجٍ من المؤشرات (n،m) واللتين يُطْلَقُ عليهما المتجه اليدواني، أو الكايرالي، (بالإنجليزية: Chiral vector)‏. حيث يشير الرقم الصحيح n وm إلى عدد متجهات الوحدة على طول اتجاهين في شبكة الغرافين البلورية والتي تكون على شكل قرص عسل النحل، فلو كانت m = صفر، يطلق على الأنبوب النانوي "زيغ زاغ" أو "الخط المتعرج". أما لو كانت n = m، فإن الأنبوب النانوي يطبلق عليه حينئذٍ "أريكي". وما دون ذلك، يُطلق علي باقي الأنابيب النانوية الكربونية " الدوانية أو الكايرالية". هذا ويمكن حساب قطر الأنبوب النانوي من خلال مؤشري (n,m) كما يلي:

حيث أن a = 0.246 nm.

وتمثل الأنابيب النانوية أحادية الجدار تنوعاً هاماً للأنابيب النانوية الكربونية بسبب أنها تعرض الخصائص الكهربائية التي لا تتوافر في تنوعات الأنابيب النانوية متعددة الجدران. وعلى الخصوص، تتراوح فجوة النطاق الخاصة بها من الصفر إلى ما يقارب 2 إلكترون فولت، كما تظهر قدرتها على التوصيل الكهربائي سماتها المعدنية الفلزية أو شبيهة التوصيل، في حين تكون الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران معادن صفرية الفجوة. مما يجعل الأنابيب النانوية الكربونية أحادية النطاق مرشحاً جيداً لتصغير الإلكترونات إلى ما وراء المقياس الإلكتروميكانيكي الدقيق والمستخدم حالياً في الإلكترونات. ولعل أكثر حزمة بنائية أساسية لهذه الأنظمة تتمثل في السلك الكهربائي، مما يجعل الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار قد تكون موصلة ممتازة. ولعل أحد التطبيقات المفيدة للأنابيب النانوية أحادية الجدار تمثل في تطوير أول المقاحل (ترانزستورات) المتأثرة بالحقل بين الجزيئية. كما أن إنتاج أول بوابة منطقية ضمن جزيئية باستخدام (مقاحل الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار المتأثرة بالحقل الضمن جزيئية) قد أصبحت متاحةً في الوقت الحاضر. فلكي تتمكن من إنشاء بوابة منطقية، يجب عليك أن يكون عندك كلٌ من (مقاحل أو ترانزستورات p المتأثرة بالحقل) p-FET و(مقاحل أو ترانزستورات n المتأثرة بالحقل) n-FET. ذلك بسبب أن الأنابيب النانوية أحادية الجدار هي p-FETs عندما تعرضت للأكسجين وn-FETs دون ذلك، ومن ثم فمن الممكن هنا حماية نصف الأنبوب النانوي أحادي الجدار من التعرض للأكسجين. وهذا يسفر عن أن الأنبوب النانوي أحادي الجدار يكون بمثابة عاكس مع كلٍ من نمطي p وn للترانزستورات المتأثرة بالمجال داخل نفس الجزيء.

ويُلاحظ الانخفاض الحاد المتزايد في أسعار الأنابيب النانوية أحادية الجدار، من قرابة 1500 دولاراً أمريكياً لكل جرام وذلك في عام 2000، إلى أسعار تجزئة قاربت 50 دولاراً أمريكياً لكل من الأنابيب النانوية أحادية الجدار المصنعة بنسبة 40 – 60% مع حلول مارس 2010.

متعددة الجدران

تتكون الأنابيب النانوية متعددة الجدران من طبقاتٍ عديدةٍ مطويةٍ أو ملفوفةٍ (أنابيب متراكزة) من الغرافيت. ويوجد هناك نموذجان يمكن استخدامهما لوصف هياكل وبنى الأنابيب النانوية متعددة الجدران. ففي نموذج الدمية الروسية (ماتريوشكا) ، تم ترتيب صفائح الغرافين على شكل أسطوانات متمركزة. على سبيل المثال أنبوب نانوي أحادي الجدار (0.8) داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار أكبر حجماً (0.17). أما في نموذج لفيفة الرق، يتم طي صفيحة من الغرافين حول بعضها البعض، ممثلةً شكل لفيفةٍ من الرق أو جريدةٍ ملفوفةٍ. مع ملاحظة أن المسافة تتقارب في ما بين الطبقات الداخلية للأنبوب النانوي متعدد الجدران من تلك المسافة الموجودة بين طبقات الغرافين في الغرافيت، تقريباً 3.4 Å.

وهنا يجب التأكيد على مكان أنابيب النانو الكربونية مزدوجة الجدران الخاص بسبب تركيبها وخواصها الشبيهة بالأنابيب النانوية أحادية الجدران، إلا أن مقاومتها للمواد الكيميائية تم تحسينها بصورةٍ كبيرة. ويصبح هذا من الضرورة عندما تكون الوظيفية مطلوبة (وهذا يعني تطعيم وتحين الوظائف الكيميائية على سكح الأنابيب النانوية) بهدف إضافة خصائص جديدةٍ للأنابيب النانوية الكربونية. وفي حالة الأنابيب النانوية أحادية الجدار، تقوم الوظيفية التساهمية بكسر بعضاً من الروابط التساهمية (المزدوجة) C=C، مخلفةً ورائها "ثقوباً" في تركيب على سطح الأنبوب النانوي ومن ثم تعديل كلاً من خصائصها الميكانيكية والكهربائية. أما في حالة الأنابيب النانوية مزدوجة الجدران، يتم تعديل الجدار الخارجي فقط. هذا وقد اُقْتُرِحَ تركيب الأنبوب النانوي مزدوج الجدران على مقياس الغرام لأول مرةٍ في عام 2003 بواسطة تقنية الترسيب الكيميائي للبخار بالاشتعال (بالإنجليزية: Combustion Chemical Vapor Deposition CCVD)‏، وذلك بالاختزال الانتقائي لمحاليل الأكسيد في كلٍ من الميثان والهيدروجين.

الطارة أو الطوق

يوصف البرعم النانوي الكربوني نظرياً على أنه أنبوب نانوي كربوني مطويّ داخل طارةٍ أو طوقٍ (حيث يأخذ شكل الدونوت أو الكعكة المحلاة). ومن المتوقع أن يكون للأطواق النانوية العديد من الخصائص الفريدة، ومنها يكون العزم المغناطيسي أكبر 1000 مرةً عما كان متوقعاً مسبقاً لأنصاف أقطارٍ خاصةٍ معينةٍ. كما تتنوع بعضاً من الخصائص ومنها العزم المغناطيسي، الثباتية الحرارية، إلخ وفقاً لنصف قطر الطوق أو الطارة وطارات الأنبوب جميعها.

البرعم النانوي

تُعَدُ البراعم النانوية الكربونية موادً مُنْتَجَةً حديثاً، حيث تجمع متآصلات الكربون المكتشفة مسبقاً: وهي أنابيب النانو الكربونية والفولرينات. يتم ربط "البراعم" الشبيهة بالفوليرين بصورةٍ تساهميةٍ مع الجدران الجانبية الخارجية للأنبوب النانوي الكربوني الداخلي. وتتسم تلك المادة المهجنة بأنها تجمع خصائصاً مفيدةً لكلٍ من الفوليرينات والأنابيب النانوية الكربونية. وعلى الأخص، وُجِدَ أنها بواعثٌ استثنائيةٌ جيدةٌ للمواد. كما قد تلعب جزيئات الفوليرين، في المواد المركبة، وظيفة المثبتات الجزيئية والتي تمنع وتقي من انزلاق الأنابيب النانوية، ومن ثم تساعد في تحسين الخصائص الميكانيكية للمركب.

الأنابيب النانوية الكربونية مكدسة الكأس

تختلف الأنابيب النانوية الكربونية مكدسة الكأس (بالإنجليزية: Cup-stacked carbon nanotubes)‏ عن الهياكل الكربونية الأخرى شبيهة أحادية البعد (بالإنجليزية: quasi-1D carbon structure)‏ والتي تلعب دور موصل معدني للإلكترونات. حيث تُظْهِر الأنابيب النانوية الكربونية مكدسة الكأس سلوكاً شبه توصيلياً بسبب البنية الدقيقة المكدسة لطبقات الغرافين.

أمثلة لأنابيب نانوية كربونية مميزة ومتطرفة

أفادت التقارير أن أطول أنابيب نانوية كربونية (بطول وصل إلى 18.5 سنتيمتراً) ظهرت عام 2009. حيث تم تنميتها على ركائز السيليكون (بالإنجليزية: Si substrates)‏ بواسطة استخدام طريقة ترسب كيميائي للبخار بالإضافة إلى تقديم حزم منتظمة متجانسة إلكترونياً من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار.

في حين كان أقصر أنبوب نانوي كربوني مركبًا حلقيًّا من البارافينيلين العضوي والذي تم تركيبه في أوائل سنة 2009.

كما أن أرفع أنبوب نانوب كربوني هو على شكل (ذراع الكرسي أو الأريكي الشكل) (2.2) سنتيمتراً، حيث يصل قطره إلى 3 Å. وقد نما هذا الأنبوب النانوي الكربوني داخل أنبوب نانوي كربوني متعدد الجدران. وتم تطبيق نموذج الأنبوب النانوي الكربوني من خلال دمج حسابات كلٍ من المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (بالإنجليزية: high-resolution transmission electron microscopy)‏، مطيافية رامان (بالإنجليزية: Raman spectroscopy)‏، والنظرية الدالية للكثافة (بالإنجليزية: density functional theory)‏.

كما أن أكثر الأنابيب النانوية الكربونية نحافةً وقائمةً بذاتها يقارب قطرها 4.3 Å. وقد اقترح الباحثون أنه قد يكون أنبوباً نانوياً أحادي الجدار بأقطار (5.1) أو (4.2)، إلا أن النوع المحدد للأنبوب النانوي الكربوني ما زال محط تساؤلٍ واستفهامٍ. هذا وتم تحديد الأنابيب النانوية الكربونية ذات الأقطار (3.3)، (4.3)، و(5.1) (حيث تترواح جميعها حول طول قطرٍ يصل إلى 4 Å) بوضوحٍ باستخدام صورةٍ أكثر تصحيحاً للانحراف الناتج عن المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة. على الرغم من ذلك، فقد وُجِدَت داخل الأنابيب النانوية الكربونية مزدوجة الجدران كذلك.