پیش‌بینی رفتار الکتریکی و اُپتیکی نانولوله‌ها با استفاده از تئوری آستانه نفوذ

دانشمندان مواد در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) با استفاده از نمونه‌های همسان از نانولوله‌های کربنی (که با استفاده از سانتریفوژ از نظر یکسان بودن طول خالص‌سازی شده‌اند)، یکی از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های غلظت را که در آن صفحات ظریف نانولوله‌های کربنی، شفاف و رسانا می‌شوند، انجام داده‌اند.

دانشمندان مواد در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) با استفاده از
نمونه‌های همسان از نانولوله‌های کربنی (که با استفاده از سانتریفوژ از نظر
یکسان بودن طول خالص‌سازی شده‌اند)، یکی از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های غلظت را
که در آن صفحات ظریف نانولوله‌های کربنی، شفاف و رسانا می‌شوند، انجام
داده‌اند. آزمایشات اخیر آنها اهمیت استفاده از نانولوله‌های نسبتاً همسان
(زیاد کوتاه نبوده، اما طول آنها یکسان باشد) را برای ساختن فیلم‌های رسانا با
کارایی بالا نشان می‌دهد. از میان انواع مختلف نانولوله‌ها، نانولوله‌های کربنی
تک‌دیواره به عنوان رساناهای کوچک الکتریسیته توجه زیادی را به خود جلب
کرده‌اند. مقادیر نسبتاً کم از نانولوله‌ها می‌توانند یک فیلم پلیمری عایق را
به رسانای شفاف الکتریسیته تبدیل نمایند.

کاربردهای بالقوه این فیلم‌های پلیمری عبارتند از مواد محافظ شفاف الکتریکی،
نمایشگرهای تصویری انعطاف‌پذیر، حسگرهای شیمیایی فیلم نازک، و سایر ابزارهای
الکترونیکی قابل تا شدن. یکی از پارامترهای کلیدی فیلم‌های رسانا، «آستانه
نفوذ» نامیده می‌شود. آستانه نفوذ غلظتی است که در آن، شبکه‌های دو یا سه‌بعدی
از نانولوله‌های کربنی که به صورت بی‌نظم کنار هم قرار گرفته‌اند، تبدیل به
ماده رسانا می‌شوند.

محققان NIST برای بررسی تئوری‌هایی که در زمینه نحوه وابستگی ویژگی‌های اُپتیکی
و الکتریکی این فیلم‌های نازک حاوی نانولوله‌های کربنی به طول این لوله‌ها مطرح
شده است، نمونه‌هایی از «باکی کاغذ» را تولید نمودند. آنها با مخلوط نمودن
نانولوله‌ها در آب و سپس جدا کردن آب با استفاده از یک فیلتر نانومقیاس،صفحه‌ای
بسیار ظریف از نانولوله ساختند. این پژوهشگران با استفاده از روشی که قبلاً
توسعه داده بودند، نانولوله‌های بسیار خالصی به دست آوردند که بر اساس طول
جداسازی شده بودند.

اندازه‌گیری‌های محققان NIST یک تئوری را تأیید می‌کند: رفتار باکی کاغذ ساخته
شده از نانولوله‌های با طول یکنواخت، به میزان زیادی با تئوری نفوذ برای
ورقه‌های دوبعدی ایده‌آل انطباق دارد؛ غلظت آستانه برای رسانایی، با افزایش طول
نانولوله‌ها کاهش می‌یابد. جالب است که ورقه‌ای از نانولوله‌ها به طول 820
نانومتر در غلظت بسیار پایین 18 نانوگرم بر سانتی‌متر مربع رسانا می‌شود. این
مقدار کمترین غلظتی است که برای رسانا شدن تاکنون گزارش شده است.

دسته‌ای از نانولوله‌های کوتاه یا نانولوله‌های با طول‌های متفاوت شبکه‌های
سه‌بعدی بیشتری تشکیل می‌دهند که عملکرد بسیار بدتری دارند. از سوی دیگر،
محققان دریافتند که پیش‌بینی‌های مبنی بر اینکه این ورقه‌ها از نظر اُپتیکی
شبیه فیلم‌های نازک فلزی عمل می‌کنند، درست نیست. بنابر گفته آنها، پیش‌بینی
ویژگی‌های اُپتیکی این ورقه‌ها با استفاده از همان تئوری نفوذ، بسیار بهتر است.
بنابراین، تئوری نفوذ یک مبنای تئوریکی آسان برای طراحی و مهندسی کاربردهای
فناوری نانو در این مواد ایجاد می‌کند.