أنابيب الكربون النانوية
المؤلف:
منير نايفة
المصدر:
النانوتكنولوجي- عالم صغير ومستقبل كبير- صفات سلامة
الجزء والصفحة:
ص61
2025-10-22
25
من التطورات الواعدة للنانوتكنولوجي إنتاج أنابيب الكربون النانوية (النانوتيوب) أنابيب الكربون المجهرية متناهية الصغر (Carbon Nanotubes) وسميت بهذا الاسم نسبة إلى النانومتر، مستوى المقاسات متناهية الصغر مثل النانو الذي يعادل واحد على مليار من المتر.
وقد تم اكتشاف الأنابيب الكربونية المتناهية الصغر في عام 1991 في شركة NEC للصناعات الإلكترونية في اليابان بواسطة العالم سوميو ليجيما Sumio Lijima حينما كان يدرس الرماد الناتج من عملية التفريغ الكهربي بين قطبين من الكربون، باستخدام ميكروسكوب إلكتروني عالي الكفاءة، حيث وجد مادة ذات بنية صغيرة جداً شبيهة بمادة الجرافيت، تأخذ ترتيباً يشبه الأنابيب في داخل بعضها البعض وهي تشبه خلايا نحل متماسكة.
وبالرغم من أن أنابيب الكربون النانوية صعبة التصنيع ومرتفعة التكاليف بسبب تنقية الأنابيب من الشوائب أثناء عملية الإنتاج، حيث يبلغ سعر الغرام من النانوتيوب عالي الجودة والنقاوة حوالي 750 دولارا،ً إلا أن إمكانياتها هائلة وتطبيقاتها واعدة في الحاضر والمستقبل، لكونها مواد بالغة القوة، إذ إن مقاومة هذه الأنابيب تفوق بمئات الأضعاف مقاومة الفولاذ، كما أنها أرفع من شعرة الإنسان بخمسين ألف مرة.
وأنابيب الكربون النانوية عبارة عن ألواح رقيقة جداً ملفوفة على شكل أسطوانات من الجرافيت، Graphite ويتكون لوح الجرافيت من ذرات الكربون المرتبة في قالب مسطح سداسي الشكل Hexagonal مثل شبكة الأسلاك المتقاطعة، ويمكن أن يؤدي التسخين المفرط للكربون إلى تكوين جزء صغير مدلفن Rolled up من هذه الشبكة ومكتمل بغطاء كربوني على كل طرف، أنظر الشكل (1
وهناك نوعان من أنابيب الكربون النانوية، هما: ذات الجدار الفردي وحيدة الطبقة Single -wall Nanotubes. وهي أنبوبة واحدة، وذات الجدار المتعدد متعددة الطبقات Multiwall Nanotubes وهي مجموعة أنابيب مشتركة في المركز.
شكل (1) أنابيب الكربون النانوية
ويصعب التحكم في حركة الأنابيب النانوية بسبب حجمها المتناهي في الصغر ونزعتها للالتصاق ببعضها البعض في عقدة لا يمكن اختراقها، إلا أن ثلاثة علماء في مختبر IBMفي نيويورك تمكنوا من بناء نقاط إرسال صغيرة للإشارات الإلكترونية مصنوعة من أسلاك رفيعة من جسيمات النانوتيوب الكربونية، ومن الصعب على العقل البشري أن يفهم متوسط حجم هذه الجسيمات، إذ يبلغ قطر النانوتيوب 1.4 نانومتر، أي إجمالي عرض عشر ذرات متلاصقة.
ويبلغ سمك الأنبوب النانوي الكربوني جزءاً من مليون من سمك شعرة الإنسان، إلا أن مادته أكثر تحملاً بكثير وتعتبر مماثلة لمادة الجرافيت، وتتمتع أنابيب الكربون النانوية بالعديد من المميزات المرغوبة والخواص الكهربائية والحرارية والضوئية غير الطبيعية، بالإضافة لقوتها الخارقة، إذ إنها أقوى من الفولاذ 100 مرة، وأخف من الحديد 6 مرات، كما أنها من موصلات الحرارة الممتازة، وهي حاملة كيميائيا،ً ومهما تعرضت هذه الأنابيب للكبس، فإنها تنشي وتلتوي دون أن تكسر، وتعود لشكلها الأصلي فور السماح لها بذلك، والأهم من ذلك أن أنابيب الكربون النانوية تعتمد على طريقة ترتيب الذرات Atomic Arrangement فعندما توضع ذرات الكربون carbon atoms بترتيب معينcertain arrangement على طول الأنبوب، يتصرف الأنبوب النانوي كمادة شبه موصلة semiconductor ، وإذا وضعت الذرات بترتيب مختلف different arrangement ، يتصرف الأنبوب كمعدن ناقل ،metal أي أنها ذات خواص مزدوجة فهي في بعض الأحيان تتمتع بخواص المعادن، وفي أحيان أخرى تتمتع بخواص أشباه الموصلات التي تستخدم في بناء الترانزیستورات، حيث تقوم المعالجات processors بتخزين المعلومات فيها، حيث تمتاز أشباه الموصلات بأنها تنقل التيار الكهربائي
عند فولتات voltages معينة ولا تنقله عند الفولتات الأخرى، وبالتالي يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كسلك معدني ينقل التيار الكهربائي من مكان لآخر، كما يمكن استخدامها كترانزیستور، عن طريق استخدام تغيرات التيار لتخزين البيانات فعند تطبيق فولت معين، يسري التيار بحرية في الأنبوب النانوي، ويفتح الترانزیستور بوابته سامحاً اللتيار بالعبور وعند تطبيق فولت مختلف يغلق الترانزیستور بوابته ويتوقف مرور التيار أما المعادن فتمتاز بأنها تنقل التيار الكهربائي عند تطبيق أي فولتات عليها، وبالتالي فهي تستخدم لبناء الأسلاك التي تربط بين الترانزيستورات، وتعتبر الأنابيب الكربونية من المنتجات الثانوية للعديد من التفاعلات الكيميائية المختلفة، ويستطيع العلماء بسهولة زراعة هذه الأنابيب على الشرائح عن طريق إعادة إنتاج هذه التفاعلات .
في عدد 19 آب / أغسطس 2005 من مجلة ساینس Science العلمية الشهيرة، نشر علماء في جامعة تكساس الأميركية في دالاس الأسترالية الكومنولث ومنظمة University of Texas at Dallas للأبحاث العلمية والصناعية لتكنولوجيا الألياف والأنسجة Commonwealth Scientific and Industrial Research تمكنهم عن ًتقريرا Technology، Organization Textile & Fibre من صنع طبقات صناعية من الأنابيب النانوية الكربونية، ذات خصائص فريدة. وقال الباحث راي بومان Ray Baughman بجامعة تكساس والمشرف على البحث، إن المادة جديدة تماماً من حيث المبدأ، ومن خصائص هذه المادة الجديدة:
- أَنها تعزز نفسها بنفسها، وشفافة، وأقوى من الفولاذ، ومن أقوى المواد البلاستيكية المتينة، وصنعت بشكل طبقات مرنة، ويمكن تسخينها كي تشع ضوء.
- أن ميل مربع واحد (2.6كلم مربع تقريباً) من أقل هذه الطبقات سمكاً حوالى 2 من المليون من البوصة( 0.8) من المليون من السنتيمتر(، تزن حوالي 170 رطلاً ( 77.11كلغم(.
- في التجارب المخبرية، أثبتت هذه الطبقات قدرتها للعمل كخلايا شمسية تلتقط أشعة الشمس لإنتاج الكهرباء. وقد طور الفريق طريقة أوتوماتيكية لإنتاج شريطين بعرض ثلاثة أرباع البوصة) 1.9 سم تقريباً) من الأنابيب النانوية بمعدل 47 قدماً ( 16 متر تقريباً( في الدقيقة وسوف تشمل التطبيقات المقبلة التي ستوظف فيها هذه الطبقات، إنتاج عضلات صناعية تحمل شحنات كهربائية أثناء حركتها، وسيارات سباق عالية المتانة، كما سيمكن استخدامها في إنتاج صداري ودروع جسدية ناعمة واقية من الرصاص والذخائر الباليسية الصغيرة الأخرى، وأوضح الخبراء أن القدرة على إدخال أجهزة إحساس إلكترونية ومشغلات ميكانيكية إلى خيوط النانو الأنبوبية الكربونية، يجعل لها قيمة إضافية كبيرة لعدد من المواد المتخصصة المستخدمة حاليا في التطبيقات الطبية والعسكرية. ويتوقع الباحثون أن القدرة على غزل أنابيب النانو الكربونية إلى خيوط سيجعل صناعة خيوط نانو نقية ممكناً اقتصاديا،ً مشيرين إلى أن تطور الخيوط الكربونية المغزولة يعتمد على فكرة إنقاص أبعاد الألياف والخيوط التقليدية من قياس المايكرو، وهو جزء واحد من المليون، إلى قياس النانو الذي يصل إلى جزء من الألف مليون، باستخدام التكنولوجيا القديمة للغزل اللولبي. ويرى العلماء أن أنابيب النانو الكربونية سواء كانت خيوط نقية أو مركبة ستحدث ثورة في صناعة الأقمشة المهندسة بسبب قوتها الممتازة وصلابتها وتوصيلها الحراري والكهربائي العالي.
- ويذكر أيضاً أن هناك شكل جديد من الكربون يعرف باسم باكي بولز Buckyballs اكتشفه عام 1985 عالم الكيمياء ريتشارد 11 سمولي (1943-2005)، Richard Smalley الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996، لدوره في هذا الاكتشاف المسمى "كرات الكربون"، وهو شكل رابع جديد للكربون. ومادة الكربون الجديدة (باكي بولز )، هي عبارة عن جسم كروي أجوف، وهي مكونة من سلسلة من جزيئيات الكربون الجوفاء تشبه بشكلها الألياف إلى حد بعيد، وتعرف هذه الهيكليات باسم (فولرین( ،Fullerene وهي عبارة عن كرة مجوفة ذات بعد نانوي مكونة من 60 ذرة كربون و باستطاعتها أن تقدم العديد من الميزات المفيدة في مجالات الكهرباء و الكيمياء والميكانيكا. فالفولرين أصبح يعتمد في مجالات عديدة كالحفزات الكيميائية، Catalysts وكمجسات مستشعرات في علوم الصيدلة، ولصنع أنواع من الدهانات تعالج بطريقة كيميائية، كما أنها أدخلت في مواد صناعة عجلات السيارات، كما أن مادة الفولرين تستطيع اختراق أغشية خلايا البكتيريا الخارجية. فمادة الفولرين تعد من الهيكليات الثابتة التي لا يمكن أن تتلف أو تتحلل بيولوجيا ولا يمكن القضاء عليها، فهي في الأصل هامدة ،Inert ولكن البعض يقترح استعمالها كأقفاص جزيئية لوجود بعض المواد القابلة للتفاعل أو للمحفزات، فتصبح عندئذ قادرة على التدخل بشكل جذري في العمليات الصناعية، وحتى في النمو الطبيعي للكائنات الحية، أنظر الشكل .(2) ويتوقع العديد من العلماء أن تحدث أنابيب الكربون النانوية ثورة صناعية جديدة في المستقبل القريب، فمن المتوقع أن يستخدمها العلماء الاكتشاف أساليب جديدة لتوصيل العقاقير، ولتطوير ذاكرة كمبيوترات
شكل (2) يوضح الشكل الكربوني الفلورينFullerene المكون من 60 ذرة كربون
رخيصة، ومواد تشييد قوية جدا،ً وأجهزة طاقة مثل الخلايا الشمسية وخلايا الوقود. حيث يقوم العلماء حالياً بالبحث في مدى إمكانية استخدام النانوتكنولوجي في تطوير مواد جديدة لتوليد الطاقة ونقلها وتخزينها، وذلك من خلال توليد أنابيب دقيقة ذاتية النسخ، تتكون كلياً من أسطوانات أحادية الجدران والتي تكون أكثر انتظاماً من الأنابيب المتعددة الجدران، وبالتالي تظهر الخواص الأفضل للأنابيب المتناهية في الصغر، ويمكن حياكة خيوط من الأنابيب الدقيقة لتصبح أسلاكاً تكون موصلات أكثر كفاءة من النحاس وأخف وزنا،ً ومثل هذه الأسلاك ستقلل من تكاليف نقل طاقة الرياح أو الشمس الأماكن بحاجة ماسة لها كما أن وكالة الفضاء الأميركية ( ناسا( ،NASA تفكر جدياً باستخدام أنابيب الكربون النانوية في عمل مصعد فضائي يصل الأرض بالفضاء الخارجي لرحلات المستقبل، وهو عبارة عن كابل يمتد في الفضاء مصنوع من مادة كربونية قوية وصلبة، بحيث يمكن للمركبات ذات القوة الكهربائية أن تسافر عليه، كما يمكن أن يستخدم هذا الكابل الفضائي في ربط أو تقييد القمر الصناعي. يقول العالم ديفيد سمیٹر مان Smitherman من David مركز مارشال الفضائي التابع لوكالة ناسا"، إن استخدام أنابيب الكربون النانوية لصنع المصعد الفضائي يرجع إلى أن مقاومة هذه الأنابيب تفوق بمئات الأضعاف مقاومة الفولاذ.
ويمكن لأنابيب الكربون النانوية أن تصنع على شكل أسلاك وأشباه موصلات ،semiconductors وحتى موصلات فائقة Superconductors مما يجعلها مصدر جذب وإغراء للكثير من الشركات العاملة في مجال التكنولوجيا. كما يمكن لأنابيب الكربون النانوية أن تتداخل مع بعضها البعض، وكذلك تصنع يجدران مضاعفة Multiple walls للحصول على قوة أكبر، كما يمكن إزالة أغطيتها الكربونية، بحيث تصبح جاهزة لكي تملاً بجزيئات أخرى. وقد استفاد الباحثون من هذه الإمكانية وقاموا بتصميم "القلم الذري"، وهو قلم حبر متناهي الصغر يكتب بالذرات، وتصنع خرطوشة الخبر من أنابيب الكربون النانوية، ويمكن أن تملاً بأي ذرات مطلوبة، ويتحكم شعاعان من الليزر في تدفق الخبر الذري Atomic Ink ، ويمكن أن يستخدم القلم الذري في الطباعة الحجرية (الليثوغرافي Lithography( من صفائح الزنك أو الألمونيوم المعدة كيماويا،ً وهذه الطباعة تستعمل في تصنيع لوحات الدوائر الإلكترونية Circuit Boards والليثوغرافي تشبه آلات الطباعة، لكن بدلاً من الحبر تستعمل غباراً من مواد أولية مثل الحديد أو الفولاذ أو البورسلان، ويتجمع الغبار ليعطي نسخا عن الآلات المطلوبة. كما يمكن للقلم الذري أن يسبر أعماق الجزيئات البيولوجية، وتحقيق بناء الآلات الميكرووية عن طريق استخدام الذرة تلو الأخرى. كما تقوم شركات الإلكترونيات بأبحاث لاستخدام أنابيب الكربون الثانوية في تطوير وإنتاج شاشات عرض مسطحة بالغة الرقة وأقل استهلاكاً للطاقة وذات صور رائعة.
كما أن أنابيب الكربون النانوية تعد هدفا في مجال آخر يعرف بالتكنولوجيا النانوية الجزيئية، Molecular Nanotechnology وكذلك في مجال تصميم "المحرك الجزيئي Molecular Engine" الذي يعد أساساً في تصنيع الآلات متناهية الصغر، والتي منها تصنيع أجهزة طبية متناهية الدقة، تؤدي مهام طبية وتجري العمليات الجراحية داخل الجسم البشري.
ويرتبط بأنابيب الكربون النانوية تكنولوجيا "الشبكة النانوية" النانو نت" Nanonet Technology وهي عبارة عن دوائر مكونة من العديد من أنابيب النانو التي تتقاطع مع بعضها البعض في شكل يشبه شباك الصيد، حيث تصنع الشبكة النانوية من أسطوانات شبه موصلة صغيرة tiny semiconducting cylinders يطلق عليها اسم "أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدران single walled carbon nanotubes. و تتكون أنابيب النانو المعدنية بشكل لا يمكن تجنبه أثناء عملية تكون أنابيب النانو الكربونية، ثم تترابط هذه الأنابيب المعدنية في خيوط متعرجة تمتد على عرض الترانزستور، مما يؤدي إلى حدوث ظاهرة "الدائرة القصيرة" Short Circuits والتي تشكل عقبة كبرى أمام تطور النظم الإلكترونية باستخدام الأنابيب النانوية، إذ تحتوي الأنابيب الكربونية النانوية على شوائب معدنية تصنيعية تشكل دارات قصيرة بين الأنابيب الكربونية عند تصميم الترانزیستورات باستخدامها، وقد تمكن باحثون من جامعتي بوردو ، Purdue University وإيلينوي في University of Illinois at Urbana-Champaign شامبين - إربانا الأميركيتين إلى منع حدوث هذه الظاهرة، وذلك من خلال تقطيع الشبكة النانوية إلى قطع أو شرائط Strips، الأمر الذي سيسهل طباعة الدوائر على ألواح بلاستيك لاستخدامها في تطبيقات صناعة الشاشات وكسطح خارجي إلكتروني لتغطية جسم الطائرات بشكل کامل لمراقبة بداية تكون أي شقوق في جسم الطائرة. وقد قام بقيادة معمل البحث التجريبي في بناء الدوائر مجموعة من الباحثين من جامعة "إيلينوي"، بينما قامت جامعة بوردو" بقيادة البحث لتطوير و استخدام المحاكاة والنماذج الرياضية اللازمة لتصميم الدوائر ولتفسير و تحليل البيانات، وقد نشرت نتائج البحث في المجلة العلمية البريطانية الشهيرة "نيتشر" (الطبيعة( Nature في 24 تموز يوليو 2008، (أنظر الشكل3)
شكل (3) تكنولوجيا الشبكة النانوية Nanonet عبارة عن دوائر مكونة من العديد من أنابيب النانو
يقول الباحث محمد أشرف علم Muhammed Ashraful Alam أستاذ المهندسة الكهربائية والكمبيوتر بجامعة بوردو" وأحد أعضاء الفريق البحثي، إنه تقدم كبير في كيفية صنع دوائر أنابيب النانو.
ويقول الباحث "جون روجرز John Rogers المتخصص في 11 علوم المواد والهندسة بجامعة إيلينوي اقترح بعض الباحثين التخلص من أنابيب النانو المعدنية ولكن بدلاً من ذلك، وجدنا طريقة جيدة جدا للتخلص من تأثير هذه الأنابيب المعدنية دون إزالتها". ولتحقيق ذلك يقول العالم "أشرف علم"، قام الباحثون بإنشاء دائرة مرنة تحتوي على 100 ترانز ستور، وهي أكبر شبكة نانوية يتم إنتاجها ويعد الشكل الأول لدائرة الشبكة النانوية التي تعمل. ويضيف "أشرف علم" أن التوصل إلى هذا الكشف سوف يسمح للباحثين باستخدام ترانز ستورات أنابيب النانو الكربونية لإنتاج دوائر متكاملة عالية الأداء ومقاومة للصدمات وخفيفة الوزن ومرنة وبسعر منخفض. ومن أهم مميزات تكنولوجيا الشبكة النانوية هي إمكانية إنتاجها في ظل درجات حرارة منخفضة، وهو ما يسهل وضع الترانزستورات على ألواح البلاستيك المرنة التي تنصهر بعد تعرضها لدرجات الحرارة العالية اللازمة لتصنيع الترانز ستورات المبنية على السيليكون.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه التقنية في العديد من التطبيقات الأخرى، والتي من بينها الغطاء الإلكتروني الذي يغطي الطائرات ويقوم بشكل تلقائي بمراقبة تكون الشقوق حتى يتسنى له تنبيه الفنيين للحد من كوارث حوادث الطائرات. هذا إلى جانب الشاشات المرنة التي يمكن وضعها على الزجاج الأمامي للسيارات كي تزود السائق بالمعلومات. ومن التطبيقات الأخرى لهذه التقنية "الورقة الإلكترونية" التي تقوم بعرض النصوص والصور، وكذلك الخلايا الشمسية التي يمكن طباعتها على ألواح البلاستيك وشاشات التلفزيون التي يمكن طيها أثناء التنقل أو بغرض التخزين.
الاكثر قراءة في الفيزياء الجزيئية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
