نانولوله هاي كربني؛ از سنتز تا كاربرد

[*مینا*]

خلاصه :
اگر قبول كنيم كه روش‌هاي توليد به كمك فناوري نانو به دوران طلايي خود رسيده است بايد نانولوله‌هاي كربني را بچه‌هاي طلايي اين دوران به شمار آوريم. خواص منحصر به فرد (مكانيكي- الكترونيكي- شيميايي- مغناطيسي- ) اين مواد رويايي موجب شده است كه قابليت‌هاي كاربردي زيادي براي آن ها به وجود آيد. پيش‌بيني يك بازار 12 ميليارد دلاري در مدت 5 سال ( 2002تا 2007) حاكي از آن است نانولوله‌هاي كربني تأثير بيشتري از ترانزيستور در جامعه امروزي خواهند داشت. خبرنامه فناوري نانو در راستاي رسالت مشخص خود، مطالعات مختلف وگسترده اي را در زمينه نانو لوله ها صورت داده و آن ها را به صورت خبر يا مقاله (در ماه نامه و سايت ستاد) در دسترس علاقه مندان قرار داده است. در تحقيق حاضر با بررسي تمامي مقالات و خبرهاي منتشر شده در100 شماره پيشين خبرنامه، ضمن جمع‌بندي خلاصه ويژگي‌ها و موانع توليد نانولوله‌ها، روند حاكم بر اين محصول از سنتز تا كاربرد به طور اجمالي ارائه شده است.



اشاره
اگر قبول كنيم كه روش‌هاي توليد به كمك فناوري نانو به دوران طلايي خود رسيده است بايد نانولوله‌هاي كربني را بچه‌هاي طلايي اين دوران به شمار آوريم. خواص منحصر به فرد (مكانيكي- الكترونيكي- شيميايي- مغناطيسي- ) اين مواد رويايي موجب شده است كه قابليت‌هاي كاربردي زيادي براي آن ها به وجود آيد.
پيش‌بيني يك بازار 12 ميليارد دلاري در مدت 5 سال ( 2002تا 2007) حاكي از آن است نانولوله‌هاي كربني تأثير بيشتري از ترانزيستور در جامعه امروزي خواهند داشت.
خبرنامه فناوري نانو در راستاي رسالت مشخص خود، مطالعات مختلف وگسترده اي را در زمينه نانو لوله ها صورت داده و آن ها را به صورت خبر يا مقاله (در ماه نامه و سايت ستاد) در دسترس علاقه مندان قرار داده است. در تحقيق حاضر با بررسي تمامي مقالات و خبرهاي منتشر شده در100 شماره پيشين خبرنامه، ضمن جمع‌بندي خلاصه ويژگي‌ها و موانع توليد نانولوله‌ها، روند حاكم بر اين محصول از سنتز تا كاربرد به طور اجمالي ارائه شده است.
نانولوله‌ هاي كربني‌ كه از صفحات كربن به ضخامت يك اتم و به شكل استوانه‌اي توخالي ساخته شده است در سال 1991 توسط ساميو ايجيما (از شركت nec ژاپن) كشف شد. خواص ويژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول يانگ بالا و استحكام كششي خوب از يك طرف و طبيعت كربني بودن نانولوله‌ها (به خاطر اين كه كربن ماده‌اي است كم وزن، بسيار پايدار و ساده جهت انجام فرايندها كه نسبت به فلزات براي توليد ارزان‌تر مي‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقيقات مهمي در كارايي و پرباري روش‌هاي رشد نانولوله‌ها باشيم. كارهاي نظري و عملي زيادي نيز بر روي ساختار اتمي و ساختارهاي الكتروني نانولوله متمركز شده است. كوشش‌هاي گسترده‌اي نيز براي رسيدگي به خواص مكانيكي شامل مدول يانگ و استحكام كششي و ساز وکار عيوب و اثر تغيير شكل نانولوله‌ها بر خواص الكتريكي صورت گرفته است.مي توان گفت اين علاقه ويژه به نانولوله‌ها از ساختار و ويژگي‌هاي بي‌نظير آن ها سرچشمه مي‌گيرد.


ويژگي‌هاي نانولوله هاي کربني
انواع نانولوله هاي‌ کربني
روش‌هاي توليد نانو لوله هاي کربني
كاربردهاي نانولوله‌هاي کربني
چالش هاي فراوري

جمع بندي
همانطور كه اشاره شد بعد از ساخت اولين نانولوله ، دانشمندان بر روي روش‌هاي سنتز اين نانولوله فعاليت زيادي انجام داده و توانستند به روش‌هاي مختلفي كه بعضي از مهمترين آن ها در بالا اشاره شد دست يابند و سپس سعي كردند با ارائه روش‌هاي متنوع بر مشكلات موجود نيز فائق بيايند كه بعضي از مشكلات تا حدي مرتفع و بعضي نيز همچنان پابرجاست. با اين وجود امروزه سنتز نانولوله‌ها يك مسأله كاملاً حل شده است لذا كمتر محققي به دنبال سنتز نانولوله با روش‌هاي خاص مي‌باشد. مي‌توان گفت امروزه بعد از گذر از مرحله سنتز به مرحله تجاري‌سازي نانولوله‌ها رسيده‌ايم، مرحله‌اي كه مي‌تواند توان رقابتي بالاي شركت‌ها را نمايان سازد.
بعضي اوقات تجارت به جهان دارويني شبيه مي‌شود، جهاني كه شركت‌ها براي تسلط بر يكديگر در آن با هم به رقابت مي‌پردازند. در اين فرايند شركت‌هاي ضعيف‌تر مجبور به ترك صحنه سرمايه‌گذاري تجاري مي‌شوند. به نظر مي‌رسد اين ماجرا در مورد يكي از شاخه‌هاي اصلي فناوري نانو يعني نانولوله‌هاي كربني نيز صادق مي باشد.
شركت‌هايي از سراسر جهان،‌ از جزيره كوچك قبرس گرفته تا جمهوري خلق چين، ادعاي ريسك و سرمايه‌گذاري بر روي نانولوله‌هاي كربني را دارند. محصولاتي كه از فولاد سخت‌تر، از آلومينيوم سبك‌تر و از مس ضريب هدايت بيشتري داشته و نيمه‌هادي خوبي نيز هستند. توليد كنندگان در حال سرمايه‌گذاري جهت پيشبرد اين بخش و كاهش قيمت‌هاي اين فرآورده هستند. اما در واقع بقاي اين شركت‌ها وابسته به نوع نانولوله‌هايي است كه ارائه مي دهند، چه از لحاظ كيفي و چه از لحاظ ثبت اختراعات در اين زمينه.
درست است كه هنوز سوددهي اقتصادي نانولوله‌ها كاملاً روشن نيست، اما دانشمندان معتقدند چيزي قوي‌تر از فولاد به خوبي مي‌تواند جاي خود را در بازار باز كند. لذا در آينده نه چندان دور شركت‌هايي كه از نانولوله‌ جهت بهتر كردن كيفيت محصولات خود استفاده مي‌كنند بازار آينده را در اختيار خواهند گرفت.




منبع : ستاد ویژه ی توسعه ی فناوری نانو

[*مینا*]

1-1) اندازه بسيار كوچك (قطر كوچكتر از 4/0 نانومتر)

1-2) حالت رسانا و نيمه‌رسانايي آن ها بر حسب شكل هندسي‌شان
نانولوله‌ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافيتي سازندۀ‌شان به صورت رسانا يا نيمه‌رسانا در مي‌آيند. به عبارت ديگر از آنجا كه نانولوله‌ها در سطح مولكولي همچون يك باريكه سيمي در هم تنيده به نظر مي‌رسند اتم‌هاي كربن در قالب شش وجهي به يكديگر متصل مي‌شوند و اين الگوهاي شش وجهي ديواره‌هاي استوانه‌اي را تشكيل مي‌دهند كه اندازه آن تنها چند نانومتر مي‌باشد. زاويه پيچش نوعي نانولوله، كه به صورت زاويه بين محور الگوي شش وجهي آن و محور لوله تعريف مي‌شود، رسانا يا نارسانا بودن را تعيين مي‌كند. تحقيقات دي گري نيز نشان داده‌اند كه تغيير شعاع نيز امكان بستن طول باند و عايق نمودن نانولوله فلزي را فراهم مي‌كند. پس مي‌توان گفت دوپارامتر اساسي که در اين بين نقش اساسي بازي مي‌كنند، يكي ساختار نانولوله و ديگري قطر و اندازه آن است. بررسي‌هاي ديگري نشان داده‌اند که خصوصيات الكتريكي نانولوله‌ها بسته به اينكه مولكول C60 در كجا قرار داده شود از يك هادي به يك نيمه‌هادي و يا يك عايق قابل تغيير مي‌باشد. از آنجايي كه نانولوله‌هاي كربني قادرند جريان الكتريسته را به وسيله انتقال بالستيك الكترون بدون اصطكاك از سطح خود عبور دهند- اين جريان صد برابر بيشتر از جرياني است كه از سيم مسي عبور مي‌كند- لذا نانولوله‌ها انتخاب ايده‌آلي براي بسياري از كاربردهاي ميكروالكترونيك مي‌باشند.

1-3) برخورداري از خاصيت منحصر به فرد ترابري پرتابه‌اي

1-4) قدرت رسانايي گرمايي خيلي بالا

1-5) سطح جداره صاف يا قدرت تفكيك بالا
سطح جداره صاف نانولوله‌ها باعث مي‌شود كه ميزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بيشتر از غشاهاي ميكروحفره‌اي معمولي كه در جداسازي گازها مورد استفاده قرار مي‌گيرند باشد. لذا مي‌توان گازهايي مانند هيدروژن و دي‌اكسيد كربن را با هدايت در نانولوله از هم جدا كرد. اين كه آيا نانولوله‌ها واقعاً مي‌توانند در خارج از آزمايشگاه نيز گازها را به طور انتخابي از خود عبور دهند يا نه باعث شده كه اميدهاي زيادي به توليد هيدروژن و نيتروژن از هوا باشد.

1-6) بروز خواص الكتريكي و مكانيكي منحصر به فرد در طول آن ها

1-7) مدول يانگ بالا

1-8) حساس به تغييرات كوچك نيروهاي اعمال شده
اعمال فشار بر يك نانولوله مي‌تواند ويژگي‌هاي الكتريكي آن را تغيير دهد كه بسته به نوع كشش يك نانولوله مي‌توان رسانايي آن را افزايش يا كاهش داد. اين امر به دليل تغيير ساختار كوانتومي الكترون‌ها صورت مي‌گيرد. لذا اين امكان به فيزيكدان ها داده مي‌شود كه ترانسفورماتور يا دستگاه‌هاي انتقال دهنده بر پايه نانولوله‌ها بسازند كه حساسيت زيادي به اعمال نيروهاي بسيار كوچك دارند. همچنين توانايي نانولوله‌ها در احساس تغييرات بسيار كوچك فشار و باز تبديل اين فشار به صورت يك علامت الكتريكي مي‌تواند در آينده امكان ساخت سوئيچ‌هاي نانولوله‌اي حساس به تغييرات بسيار كوچك فشار را به محققان بدهد.

1-9) گسيل و جذب نور
نانولوله‌ها مي‌توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع كنند. همچنين تزريق همزمان الكترون از يك سر و تزريق حفره از سر ديگر نانولوله‌كربني، موجب مي‌شود كه نوري با طول موج 5/1 ميكرومتر از نانولوله منتشر شود.

1-10) ضريب تحرك الكتريسيته بسيار بالا
نانولوله‌ها در دماي اتاق داراي بالاترين ضريب تحرك الكتريسته نسبت به هر ماده شناخته شده ديگري هستند.

1-11)خاصيت مغناطيسي، ممان مغناطيسي بسيار بزرگ
با قرار دادن يك نانولوله در زير لايه مغناطيسي يا با افزودن الكترون يا حفره به نانولوله مي‌توان خاصيت مغناطيسي در نانولوله ايجاد كرد .اين خاصيت باعث مي‌شود كه بتوان ساخت وسايلي را پيش‌بيني كرد كه در آن ها اتصالات مغناطيسي و الكتريكي از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطيسي را مي‌توان براي قطبي كردن مغناطيسي نانولوله‌ها- دستكاري در اسپين‌ها- به كار برد و از اتصال‌هاي غيرمغناطيسي براي الكترودهاي ولتاژ- جريان استفاده كرد. همچنين ممان مغناطيسي آن ها نيز قابل اندازه‌گيري است (1/0 مگنتون بور در هر اتم كربن).

1-12) چگالي سطحي بسيار بالا
نانولوله‌ها داراي چگالي سطحي بسيار بالايي مي‌باشند كه باعث استحكام بالاي نانولوله مي‌شود. مي‌توان گفت اين خاصيت در اثر ريز بودن قابل توجه آن ها پديدار مي‌شود.

1-13) قابليت ذخيره‌سازي
در نانولوله‌ها هر سه اتم كربن قابليت ذخيره يك يون ليتيم را دارند در حالي كه در گرافيت هر شش اتم كربن توانايي ذخيره يك يون ليتيم را دارند. همچنين توانايي ذخيره انرژي در نانولوله‌ها چند برابر حجم الكترودهاي گرافيتي است. لذا محققان اميدوارند بتوانند هيدروژن زيادي را در نانولوله‌ها براي كاربردهاي انرژي و پيل‌هاي سوختي ذخيره كنند.

http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-1.jpg


1-14) داشتن خاصيت ابررسانايي
نانولوله‌ها در دماي زير k ْ15 ابررسانا شده‌اند. شعاع اين نانولوله‌هاي ابررسانا فقط 4/0 نانومتر است. اين كشف در نانولوله‌هاي كربني نه تنها حيرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضايايي را كه حدود 40 سال پيش انتقال فاز را در سيستم‌هاي يك يا دو بعدي ممنوع مي‌دانستند، رد كرده است. همچنين دانشمندان دلايلي را ارائه كرده‌اند كه مي‌توان ابررسانايي دماي اتاق را در نانولوله‌هاي كربني يافت. آن ها بيش از 20 دليل ارائه كرده‌اند كه نانولوله‌هاي كربني از خود خواصي را نشان مي‌دهند كه بيانگر ابررسانايي دماي اتاق در آن هاست.

1-15) توليد ولتاژ
با عبور مايع از ميان كلاف‌هايي از نانولوله‌هاي كربني تك جداره، ولتاژ الكتريكي ايجاد مي‌شود. از اين تكنيك براي ساخت حسگرهاي جريان مايع براي تشخيص مقادير بسيار اندك مايعات و نيز براي ايجاد ولتاژ در كاربردهاي زيست پزشكي استفاده مي‌شود. همچنين نشان داده شده است كه مايعات با قدرت يوني بالا ولتاژ بيشتري توليد مي‌كنند.

1-16) استحكام و مقاومت كششي بالا
ميزان افزايش نيروي گرمايي و مقاومت نانولوله‌ها با ريشه سوم جرم اتم‌ها و مولكول‌ها متناسب است. همچنين حرارت دادن موجب افزايش استحكام نانولوله شده و مقاومت كششي آن را شش برابر مي‌كند و هدايت آن نيز افزايش مي‌يابد. تحقيقات اخير نشان مي دهد كه در اثر برخورد اتم‌ها يا مولكول‌ها با نانولوله‌ كربني مقاومت الكتريكي آن تغيير مي‌كند.

[*مینا*]

نانولوله‌ها به دو دسته تك جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) تقسيم مي‌شوند،‌ نانو لوله هاي تك جداره نيز بر حسب آرايش اتم‌هاي كربني مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلي (Armchair) و كايرال( chiral ) كه داراي خاصيت فلزي هستند و زيگزاگ (Zigzag) كه خاصيت نيمه‌رسانايي دارد، تقسيم مي‌شوند.
http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-2.jpg


(n,0)Zig-Zag
(n,n)
armchair
chiral
نانولوله‌هاي كربني تك جداره فقط از كربن و يك ساختارساده (ورقه‌اي از شش ضلعي‌هاي منظم) تشكيل شده‌اند. برخي پيش‌بيني‌ها حاكي از آن است كه تك جداره ها مي‌توانند رسانا يا نيمه‌رسانا باشند. اين هدايت الكتريكي بالا بستگي به هندسه دقيق اتم‌هاي كربن دارد. از آغاز كار روي تك جداره ها از آن ها به عنوان يك پديده تك بعدي نام برده مي‌شد تا اين كه اين نظريه مرحله به مرحله پيشرفت كرد. علت علاقه به اين نانولوله‌هاي تك جداره و تلاش براي جايگزين كردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظري و تأثيرات آزمايشگاهي، بر خصوصيات عالي مكانيكي و رسانايي الكتريكي آن ها مانند فلزات مي‌باشد. البته توليد نانو لوله هاي تك جداره داراي هزينه بالايي است و توليد به همراه پايدار كردن خصوصيات آن ها در حين فراوري پليمر- نانولوله مشكل مي‌باشد. هر چند نانولوله‌هايي كه با استفاده از تكنيك لانگهوري- بلاجت كه شامل حركاتي افقي و عمودي شبيه نقاشي سنتي ژاپن مي‌باشد توليد شده‌اند، علاوه بر اين كه ثابت نگه داشته مي‌شوند- توسط ژلاتين و تشكيل نانوژل كربني- از لحاظ نوري نيز يكدست و همگن و از لحاظ ساختاري قابل كنترل مي‌باشند.
بر عكس در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي كربني چند جداره باعث شده كه پيشرفت‌هاي بيشتري در اين زمينه داشته باشيم تا حدي كه محصولاتي در آستانه تجاري‌شدن توليد شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌هاي كربني چند جداره (جايگزين كربن بلك Carbon-black) در پودرهاي رنگ استفاده شده است.
يكي از معايب نانولوله‌هاي چند جداره نسبت به تك جداره اين است كه استحكام‌دهي آن ها كمتر مي‌باشد زيرا پيوندهاي صفحات داخلي ضعيف مي‌باشند. اما از آنجا كه‌ در حال حاضر كاربردهاي نانولوله‌ها در تقويت پليمرها باعث بهبود خواص گرمايي و الكتريكي مي‌شود تا بهبود خواص مكانيكي، كاربرد نانولوله‌هاي كربني چند جداره بسيار زياد مي‌باشد. ازطرفي تكنيك‌هاي موجود نيز براي توليد نانولوله‌هاي تك جداره به اندازه كافي بازدهي ندارد و خلوص لازم را نيز به همراه نمي آورد. تخليص اين مواد بسيار زحمت‌آور است و در نهايت ممكن است به ساختار نانولوله‌ صدمه نيز بزند.

[*مینا*]

بعد از آن كه در سال 1991 ايجيما اولين نانولوله‌ را دركربن دوده‌اي حاصل از تخليه قوس الكتريكي مشاهده كرد، محققان زيادي در جهت بسط و گسترش روش‌هاي رشد برآمده‌اند تا بتوانند مواد خالص‌تر با خواص كنترل شده مورد نظر توليد كنند. اما با آن كه روش‌هاي زيادي براي توليد نانولوله‌هاي كربني ارائه شده است،‌ سنتز آن ها در دماي اتاق تاكنون به صورت مشكلي لاينحل باقي مانده است. دانشمندان تاكنون اين مواد را در محدوده دمايي 200 تا700 درجه سانتيگراد با بازده كمتر از 70 درصد و حتي پس از چندين بار خالص‌سازي با درجهخلوص حداكثر 95 -70 درصد توليد كرده‌اند. در زير چند روش عمده در سنتز نانولوله‌ها مورد بحث اجمالي قرار مي‌گيرد. بدون شك بهينه سازي و كنترل اين روش‌ها مي‌تواند توان بالقوهنانولوله‌ها را پديدار نمايد.


در اين روش اتم‌هاي كربن به وسيله عبور جريان بالا از دو قطب آندو كاتد در داخل پلاسماي گاز هليم داغ شده و بخار مي‌شوند.


در اين روش پالس‌هاي قوي شده اشعه ليزر به طرف يك هدف كربني كه شامل 5 درصد اتمي نيكل و كبالت است پرتاب مي‌شوند.


اين روش شامل حرارت دادن مواد كاتاليزوري تا درجه حرارت هاي بالا در يك كوره لوله‌اي شكل و عبور يك گاز هيدروكربني در سراسر لوله براي يك مدت زمان معين مي‌باشد.
دو روش تخليه قوس و تابش ليزر براي زمان طولاني، روش‌هاي تقريباً كاملي براي توليد نانولوله‌هاي تك جداره بودند. اما از آنجايي كه هر دو روش مبتني بر بخار اتم‌هاي كربن درون محفظه كوچك هستند اولاً ميزان توليد نانولوله پايين مي‌باشد، ثانياً نانولوله‌هايي كه به صورت تبخيري تهيه مي‌شوند به صورت در هم پيچيده هستند؛در اين صورت براي خالص و تميز كردن آن ها با مشكل مواجه‌اند. روش رسوب بخار نيز با چالش‌هايي مواجه است چرا كه براي توليد نانولوله‌هاي كربني چند جداره چگالي بالايي از عيوب در ساختارشان به وجود مي‌آيد. اين عيوب به خاطر دماي پايين رشد مي‌باشد كه مقدار انرژي لازم براي بازپخت (آنيل) نانولوله‌ و تكميل ساختارش را فراهم نمي‌كند. همچنين اين روش منجر به مداري شامل هر نوع نانولوله‌هاي هادي و نيمه‌هادي مي‌شود. همچنين رشد نانولوله‌ها دلخواه بوده و قطر آن ها بزرگ است در حالي كه نانولوله‌هاي با قطر كمتر در كليد زني مناسب‌ترند. با اين وجود تمركز محققان بر روي روش رسوب‌دهي بخار است زيرا توليد انبوه در حد كيلوگرم را ميسر مي‌سازد و مي‌توان كنترل قابل قبولي بر مكانيزم رشد داشت.
3-1 روش تخليه قوس 3-2 روش تابش ليزر 3-2 رسوب بخار شيميايي (CVD)




http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-3.jpg

[*مینا*]

وجود يك سري مختصات ويژه نانولوله‌هاي كربني، آن ها را به انتخاب ايده آلي براي بسياري از كاربردها تبديل كرده است.
امروزه در روند تحقيق درباره نانولوله‌ها توجه و تعمق ويژه‌اي بر روي استفاده از آن ها در ساخت ابزارها متمركز شده است. اكثر پژوهشگراني كه در دانشگاه‌ها و آزمايشگاه‌هاي تحققاتي سرتاسر دنيا بر روي نانولوله‌ها كار مي‌كنند با خوش‌بيني پيش‌بيني مي‌كنند كه در آينده‌اي نزديك نانولوله‌ها كاربردهاي صنعتي وسيعي خواهند داشت.
هم‌اكنون امكان ساخت ابزارهاي بسيار جالبي وجود دارد،‌ اما در خصوص موفقيت تجاري‌ آن ها، بايد در آينده قضاوت كرد. تقريباً تمام مقالات به طور ضمني به كاربرد نانولوله‌ها و بهره‌برداري تجاري از آن ها در آينده اشاره دارند. آينده كاربرد نانولوله‌ها در بخش الكترونيك روشن است؛ خواص الكتريكي و پايداري شيميايي بي بديل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از اين خواص سوق خواهد‌ داد. بنابراين در ادامه به شرح چند مورد از حوزه‌هاي مهم كاربرد نانولوله‌ها مي پردازيم.
http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-4.jpg
4-1) ترانزيستورها
نانولوله‌ها در آستانه كاربرد در ترانزيستورهاي سريع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلي استفاده مي‌شوند. بسياري از طراحان دستگاه‌ها تمايل دارند به پيشرفت‌هايي دست يابند كه آن ها را به افزايش تعداد اتصالات داخلي دستگاه‌ها در فضاي كوچك تر، قادر نمايد. ترانزيستورهاي ساخته شده از نانولوله‌ها داراي آستانه مي‌باشند (يعني سيگنال بايد از يك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزيستور بتواند آن را آشكار كند) كه مي‌توانند سيگنال‌هاي الكتريكي زير آستانه را در شرايط اختلال الكتريكي يا نويزآشكار و رديابي نمايند. همچنين از آنجايي كه ضريب تحرك، شاخص حساسيت يك ترانزيستور براي كشف بار يا شناسايي مولكول مجاور مي‌باشد، لذا ضريب تحرك مشخص مي‌كند كه قطعه تا چه حد مي‌تواند خوب كار كند. ضريب تحرك تعيين مي‌كند كه بارها در يك قطعه چقدر سريع حركت مي‌كنند و اين نيز سرعت‌ نهايي يك ترانزيستور را تعيين مي‌نمايد.
لذا اهميت استفاده از نانولوله‌ها و توليد ترانزيستورهاي نانولوله‌اي با داشتن ضريب تحرك برابر با 100 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه در مقابل سيليكون با ضريب تحرك 1500 سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه و اينديم آنتيمونيد (بالاترين ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضريب تحرك 77 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه بيش از پيش مشخص مي‌شود.
http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-5.jpg
4-2) حسگرها
حسگرها ابزارهايي هستند كه تحت شرايط خاص، از خود واكنش‌هاي پيش‌بيني شده و مورد انتظار نشان مي‌دهند. شايد دماسنج را بتوان جزء اولين حسگرهاي كه بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسايل الكترونيكي و تحولات عظيمي كه در چند دهه اخير و در خلال قرن بيستم به وقوع پيوسته است، امروزه نياز به ساخت حسگرهاي دقيق‌تر، كوچك تر و با قابليت‌هاي بيشتر احساس مي‌شود.
حسگرهايي كه امروزه مورد استفاده قرار مي‌گيرند،‌ داراي حساسيت بالايي هستند به طوري كه به مقادير ناچيزي از هر گاز، گرما يا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسيت،‌ بهره و دقت اين حسگرها نياز به كشف مواد و ابزارهاي جديد دارد. با آغاز عصر نانوفناوري، حسگرها نيز تغييرات شگرفي خواهند داشت. يكي از نامزدهاي ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها مي‌توان،‌ هم حسگر شيميايي و هم حسگر مكانيكي ساخت. به خاطر كوچك و نانومتر بودن ابعاد اين حسگرها، دقت و واكنش آن ها بسيار زياد خواهد بود، به گونه‌اي كه حتي به چند اتم از يك گاز نيز واكنش نشان خواهند داد.
تحقيقات نشان مي‌دهد كه نانولوله‌ها به نوع گازي كه جذب آن ها مي‌شود حساس مي باشند؛ همچنين ميدان الكتريكي خارجي،‌ قدرت تغيير دادن ساختارهاي گروهي از نانولوله‌ها را دارد؛ و نيزمعلوم شده است كه نانولوله‌هاي كربني به تغيير شكل مكانيكي از قبيل كشش حساس هستند. گاف انرژي نانولوله‌هاي كربني به طور چشمگيري در پاسخ به اين تغيير شكل‌ها مي‌تواند تغيير كند. همچنين مي‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پليمرها، در فاصله ميان نانولوله‌هاي كربني و سيستم، نانولوله‌هاي كربني را براي ساخت زيست حسگرها نيز توسعه داد. تحقيق در زمينه كاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پيشرفت است و مطمئناً در آينده‌اي نه چندان دور شاهد بكارگيري آن ها در انواع مختلف حسگرها (مكانيكي، شيميايي، تشعشي، حرارتي و ..) خواهيم بود.http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-6.jpg

4-3) نمايشگرهاي گسيل ميداني
بسياري از متخصصان بر اين باورند كه فناوري نمايشگرهاي با صفحه تخت امروزي از نظر هزينه، كيفيت و اندازه صفحه نمايش، براي مصارف خانگي مناسب نيستند. آن ها معتقدند كه با استفاده از نمايشگرهايي كه از نانولوله‌هاي كربني به عنوان منبع انتشار استفاده مي‌كنند، مي توانند اين مشكلات را بر طرف ‌كنند .
نانولوله‌هاي كربني مي‌توانند عنوان بهترين گسيل كننده ميداني را به خود اختصاص داده و ابزارهاي الكتروني با راندمان وكارايي بالاتري توليد كنند. خصوصيات منحصر به فرد اين نانولوله‌ها، توليدكنندگان را قادر به توليد نوعي جديد از صفحه نمايش‌هاي تخت خواهد ساخت كه ضخامت آن ها به اندازه چند اينچ بوده و نسبت به فناوري‌هاي فعلي از قيمت مناسب‌تري برخوردار باشد. به علاوه كيفيت تصوير آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.
در پديده گسيل ميداني، الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك از فيلم‌هاي ضخيم داراي نانولوله به سمت صفحه نمايش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن مي‌شوند. هر نقطه از اين فيلم، يك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكتروني) كوچك است كه تصوير را روي صفحه نمايش ايجاد مي‌كند. ولتاژ لازم براي نمايشگر گسيل ميداني از طريق صفحه نمايش صاف متكي بر نانولوله‌ نسبت به آنچه به صورت سنتي در روش اشعه كاتدي استفاده مي‌شد، كمتر مي‌باشد و اين نانولوله‌ها با ولتاژ كمتر، نور بيشتري توليد مي‌كنند.
http://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-7.jpg
4-4) حافظه‌هاي نانولوله‌اي
به دليل كوچكي بسيار زياد نانولوله‌هاي كربني ‌(كه در حد مولكولي است)، اگر هر نانولوله‌ بتواند تنها يك بيت اطلاعات در خود جاي دهد، حافظه‌هايي كه از اين نانولوله‌ها ساخته مي‌شوند مي‌توانند مقادير بسيار زيادي اطلاعات را در خود ذخيره نمايند. با در نظر داشتن اين مطلب، بسياري از محققان در حال كار بر روي ساخت حافظه‌هاي نانولوله‌اي مي‌باشند؛ بنابراين رؤياي ساخت رايانه‌هاي با سرعت بالا عملي خواهد شد.

4-5) استحكام‌دهي كامپوزيت‌هاhttp://www.nano.ir/images/nano_world/nanotube/nanotube-8.jpg
توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه كامپوزيت و بهبود چسبندگي نانولوله‌ با زمينه در فرآوري اين نانوكامپوزيت‌ها از موضوعات بسيار مهم است.
شيوه توزيع نانولوله‌ها در زمينه پليمري از پارامترهاي مهم در استحكام‌دهي به كامپوزيت مي‌باشد. آنچه از تحقيقات بر مي‌آيد اين است كه استفاده از خواص عالي نانولوله‌ها در نانوكامپوزيت‌ها وابسته به استحكام پيوند فصل مشترك نانولوله و زمينه مي‌باشد. نكته ديگر آنكه خواص غير همسانگردي نانولوله‌ها باعث مي‌شود كه در كسر حجمي كمي از نانولوله‌ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيت‌ها پيدا شود.
از كاربردهاي ديگر نانو لوله ها مي توان به امكان ذخيره هيدروژن در پيل‌هاي سوختي، افزايش ظرفيت باتري‌ها و پيل‌هاي سوختي، افزايش راندمان پيل‌هاي خورشيدي، جليقه‌هاي ضدگلوله سبك و مستحكم، كابل‌هاي ابررسانا يا رساناي سبك، رنگ‌هاي رسانا،‌ روكش‌‌هاي كامپوزيتي ضد رادار، حصار حفاظتي الكترومغناطيسي در تجهيزات الكترونيكي، پليمرهاي رسانا، فيبرهاي بسيار مقاوم، پارچه هاي با قابليت ذخيره انرژي الكتريكي جهت راه اندازي ادوات الكتريكي، ماهيچه‌هاي مصنوعي با قدرت توليد نيروي 100 مرتبه بيشتر از ماهيچه‌هاي طبيعي، صنايع نساجي، افزايش كارايي سراميك‌ها، مواد پلاستيكي مستحكم، تشخيص گلوكز، محلولي براي اتصال دروني تراشه‌هاي بسيار سريع، مدارهاي منطقي و پردازنده‌هاي فوق سريع، كمك به درمان آسيب‌ديدگي مغز، دارورساني به سلول‌هاي آسيب ديده، از بين بردن تومورهاي سرطاني، تجزيه هيدروژن، ژن‌درماني، تصويربرداري، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهاي شيميايي ، SET و LED، پيل‌هاي خورشيدي و نهايتاً LSI اشاره كرد. البته در چند مورد اخير بيشتر از نوع تك جداره آن استفاده مي‌شود.
لذا اين فناوري با اين گستره كاربردها مي‌تواند در آينده‌اي نه چندان دور بازار بزرگي را به خود اختصاص داده و زندگي بشر را تحت تأثير خود قرار دهد.
در پايان در پاسخ به اين سؤال كه چرا دانشمندان به فناوري نانو روي آورده ومي‌خواهند بر تمام مشكلات جابه‌جايي اتم فائق آيند مي‌توان گفت که تغييرات در مقياس نانومتري بر خواص موج گونه الكترون‌هاي درون مواد اثر مي‌گذارد لذا با جابه جا كردن اتم‌ها در اين مقياس مي‌توان خواص اصلي مواد (به عنوان مثال دماي ذوب، اثرات مغناطيسي، ظرفيت بار) را بدون تغيير كلي تركيب شيميايي مواد دگرگون ساخت. بنابر اين پيش‌بيني رفتار و خواص در محدوده‌اي از ابعاد براي نانوتكنولوژيست‌ها حياتي است

[*مینا*]

با وجود ويژگي‌هاي بالاي نانولوله‌ها و كاربردهاي فراوان آن، توليد و استفاده مستمر از اين محصولات با اهداف مورد نظر مشكل مي‌باشد، لذا محققان زيادي در جهت رفع مشكلات آن برآمده‌اند. در زير چند مورد از مشكلات اساسي استفاده از نانولوله‌ها ذكر مي‌گردد.

5-1) توليد انبوه با قيمت مناسب
از آنجا كه توليد انبوه نانولوله‌ها در مقياس تني با قيمت مناسب، بزرگ ترين مانع تجاري‌سازي اختراعات در اين زمينه بوده است، لذا شركت‌هاي مختلفي درصددند تا بتوانند اين مشكل را حل نمايند. امروزه قيمت هر گرم نانولوله چند دلار مي‌باشد. هر چند كه قيمت نانولوله‌ها نسبت به قيمت اوليه آن كاهش زيادي يافته اما هنوز هم براي تجاري‌سازي و استفاده در صنايع مختلف مناسب نمي‌باشد، لذا دانشمندان ابراز اميدواري كرده‌اند كه بتوانند در چند سال آينده ضمن توليد چند تني آن، قيمت آن را به زير يك دلار كاهش دهند.

5-2) خالص‌سازي نانولوله‌ها
يكي از مسائل كليدي در الكترونيك، استفاده از نانولوله‌هاي كربني با كيفيت بالا (نانولوله‌هاي خالص) مي‌باشد. توليد محصولات جانبي نا مطلوب در حين فرايند رشد نانولوله‌هاسبب كوتاه‌ شدن مدارها مي‌شود. بزرگ ترين چالش محققان، در خالص‌سازي، ميزان نانولوله‌هاي توليد شده است. در فرايند استفاده شده توسط محققان براي ساخت نانولوله‌ها، ناخالصي‌ها دائماً افزايش يافته و مقدار زيادي از كربن‌ به هدر رفته و كاتاليست‌ها را بِلا استفاده مي كند، كه اين عوامل در نهايت منجر به افت كيفيت نانولوله‌ها مي‌شود.
براي رسيدن به نانولوله‌هاي كربني خالص بايد از دماي بالا استفاده نماييم اما در اين روش مقداري كربن آمورف حاصل مي‌شود كه يك لايه رساناي نامطلوب بر روي زيرلايه ايجاد مي‌نمايد. لذا راهبرد جديد، استفاده از روش رشد سريع مي‌باشد. اين روش رسوب‌دهي، توليد نانولوله‌كربني حاصل را تضمين مي‌كند زيرا رشد نانولوله‌ها سريع‌تر از رشد محصولات جانبي نامطلوب است. بنابراين مي توان گفت حذف فرايندهاي هزينه‌بر، زمان‌بر و اغلب مخرب در تخليص نانولوله‌ها به معني دسترسي به نمونه‌هايي با درجه‌اي از خلوص كربن است كه مي‌توانند در زمينه‌هاي مختلفي از جمله زيست شناسي، شيمي و تحقيقات مغناطيسي وادوات گسيل ميداني كه خلوص نانولوله‌ها از اهميت بسيار بالايي برخوردار مي‌باشد به كار روند.

5-3) اتصال نانولوله‌ها و ايجاد رشته‌ها
از آنجا كه براي بسياري از مقاصد، نياز به اتصال نانولوله‌ها به صورت پشت سر هم يا به صورت عمود بر هم و تشكيل آرايه مي باشد لذا اتصال نانولوله‌ها ضروري به نظر مي‌رسد. به طوري كه اگر بتوان نانولوله‌هاي كربني را به هم پيوند داد به موادي كامل و تمام عيار دست مي يابيم. اما براي ايجاد اين اتصالات بين لوله‌ها بايد پيوندهاي كربني بين لوله‌اي ايجاد كرد.
دو روش ايجاد رشته‌هايي از نانولوله‌ها عبارتند از معلق ساختن نانولوله‌ها در مايع و عبور جريان از آن به منظور رديف ساختن نانولوله‌ها و دوم استفاده از جريان گاز هيدروژن براي رديف كردن نانولوله‌ها به طوري كه آن ها به شكل بخاري از اتم‌هاي كربن درآيند. دانشمندان معتقدند كه امروزه استفاده از آرايه‌هاي منظم نانولوله‌هاي مجزا جاي استفاده تصادفي از نانولوله‌هاي متراكم و توده‌اي را گرفته است.

5-4) جلوگيري از توده‌اي شدن نانولوله‌ها
اگر نانولوله‌ها به آساني در محلول غوطه‌ور شوند، به آساني مي‌توانند قابليت عظيم خود را در الكترونيك و مواد به نمايش گذارند،‌ اما اين استوانه‌هاي كربني به شدت نامحلول بوده و تمايل به دسته‌ شدن با همديگر در رشته‌هاي كروي كنترل ناپذير دارند؛ لذا مانع از دستيابي به بسياري از اين كاربردها مي‌شوند.
دانشمندان روش‌هايي را براي جداسازي ارائه كرده اند، مثلاً با يك نيروي قوي (لوله‌ها با امواج مافوق صوت در فرايندي موسوم به اختلاط صوتي از هم جدا مي‌شوند) يا با استفاده از گروه‌هاي شيميايي آلي بزرگ كه از چسبيدن نانولوله‌ها به يكديگر جلوگيري مي‌كنند. همچنين با استفاده از مواد شيميايي شوينده‌هاي غيرصابوني نيز ‌توانسته اند نانولوله‌ها را از هم جدا كنند.
از دلايلي كه براي به هم چسبيدن اين نانو لوله ها ارائه شده، وجود نيروهاي واندروالس بين اتم‌هاي كربن مي‌باشد. نانولوله‌ها به واسطه نيروي واندروالس كه نيروي جاذبه الكتروستاتيك طبيعي بين اتم‌ها و مولكول‌هاي بدون بار است، از انتها به يكديگر متصل مي‌شوند،‌ بارها مثبت و منفي اتم‌ها و مولكول‌ها كه با هم برابر اما از يك بخش به بخش ديگر تغيير مي‌كنند، منجر به نيروي جاذبه‌اي بين اتم‌ها و مولكول‌هاي مجاور مي‌شوند. نيروي واندروالس تنها براي اشياء بسيار كوچك نمود پيدا مي‌كند؛ اما سئوال اساسي اينجاست كه آيا، اگر نانولوله هايي را كه به هم چسبيده اند جدا كنيم همواره جدا مي‌مانند، يا بعد از مدت زماني دوباره به هم مي‌چسبند و اين مدت چقدر است؟

5-5) چگونگي حفظ نانولوله‌ها بعد از فراوري
حفظ نانولوله‌ها بعد از فراوري بسيار مشكل است. تا به حال محيط انتخابي، محلول‌هاي متشكل از ماده پاك كننده وآب بوده است كه حاوي كمتر از 1 درصد حجمي نانولوله‌هاي پراكنده بوده و به وسيله محلول‌هاي پليمري فراوري شده اند؛ چنين غلظت‌هايي براي استفاده در فرايندهاي صنعتي به منظور ساخت الياف‌هاي نانولوله‌اي بزرگ، بسيار پايين هستند. ضمناً دانشمندان هيچ راهي براي زدودن تمامي صابون و پليمر و تبديل نانولوله‌ به شكل خالص پيدا نكرده‌اند. همچنين براي توليد مواد ماكرومقياس از نانولوله‌ها، در فرايندهاي شيميايي نيز بايد از مايعي استفاده كرد كه بتواند محلولي با غلظت بالا از نانولوله‌ها به وجود آورد. گروه پاسكوئالي در دانشگاه رايس معتقدند كه سوپر اسيدها (حاوي 10 درصد وزني از نانولوله‌هاي خالص) مي‌توانند در تهيه الياف‌ها و ورقه‌هاي نانولوله‌اي ماكرومقياس با استفاده از روش‌هاي كاملاً مشابه با روش‌هايي كه در صنايع شيميايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد به كار گرفته شوند.
5-6) كنترل رشد نانولوله‌ها
آن چيزي كه در كنترل رشد مورد اهميت مي باشد اين است كه چگونه بتوانيم نانولوله‌هايي با شكل و ويژگي‌هاي دلخواه توليد كنيم. از آنجا كه نانولوله‌ها هنگام توليد به صورت تك جداره يا چند جداره تشكيل مي‌شوند و انتهاي آن ها نيز بسته يا باز است، همچنين داراي طول و قطر يكنواخت نمي‌باشند و تعدادي از نانولوله‌ها رسانا و تعدادي غيررسانا هستند، لذا روشي براي كنترل دقيق نانولوله‌ها و توليد يك نوع محصول خاص از آن وجود ندارد. روش‌‌هايي كه دانشمندان تا حالا ارائه كرده اند مربوط به جداسازي اين مواد بعد از توليد (مثلاً روش‌هاي جداسازي نانولوله‌هاي رسانا از نيمه‌رسانا يا روش‌هاي بريدن نانولوله‌ها و هم اندازه كردن آن ها) بوده است، لذا توليد يك نانولوله با خواص كنترل شده را به صورت يك رويا باقي گذاشته‌اند.
عمده‌ترين كاوش‌ها در كنترل رشد نانولوله‌ها را مي توان به صورت زير خلاصه كرد:


سنتز خوشه‌هاي كاتاليزوري مولكولي با شكل و ابعاد مشخص با دقت اتمي؛
رشد آرام؛
سنتز كاتاليزوري در دماي پايين؛
توسعه رشد برنامه‌ريزي شده با امكان كنترل زياد اندازه و جهت نانولوله‌ها، سنتز پيچيده‌ و سازماندهي شده شبكه با آرايه‌هايي از نانولوله‌ها روي مواد درشت مقياس.

بررسي‌هاي نظري در كنار كارهاي آزمايشگاهي مسيرهاي نويني را براي ديگر پژوهشگران به منظور ايجاد مواد و فناوري‌هاي جديد با نانولوله‌ها فراهم خواهد آورد لذا راهبرد‌‌هاي كاركردي‌سازي نانولوله‌هاي كربني براي دسترسي به اين كاربردها بسيار حياتي است، به ويژه توسعه براي كاركردي سازي نانولوله‌ها به صورت غيركوالان، به منظور استفاده از خواص الكترونيكي و مكانيكي آن ها، ضروري به نظر مي‌رسد. لذا براي ساماندهي و دستكاري نانولوله‌ها در مقياس نانو، لازم است تمامي ابزارهاي موجود جهت افزايش كارايي مواد و وسايل به كار گرفته شود. يكي از ابزار، شيمي تحليلي، خصوصاً مدل‌سازي مولكولي و شبيه‌سازي است.
حال شبيه‌سازي چطور مي‌توانند براي نانوتكنولوژيست‌ها مفيد واقع شود؟ محدوديت‌هاي آزمايشگر در مقياس نانو زماني آشكار مي‌شود كه شگفتي جهان دانشمندان نظري وارد عمل شود. در اينجا هنگامي كه دانشمندان قصد قرار دادن هر يك از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانين كوانتوم وارد صحنه مي‌شود. لذا براي تسريع در عمل توليد نانولوله‌ها لازم است شيميدانها نيز مانند تجربي‌كاران وارد عرصه شوند، چرا كه شيميدانها مي‌توانند با انجام آزمايش‌ها به وسيله رايانه، احتمال فعاليت‌هاي غير موثر را از بين ببرند و گستره احتمالي موفقيت‌هاي آزمايشگاهي را وسعت دهند، نتيجه نهايي اين امركاهش اساسي در هزينه‌هاي آزمايشگاهي (مانند مواد، انرژي، تجهيزات) و زمان است.