|
دانشمندان دانشگاه رایس با استفاده از مواد چقرمه و رسانا، روش ساده‌ای را برای
تولید نانونوارهای گرافنی ارائه کرده‌اند. این نانونوارها مهم‌ترین مواد مورد
استفاده در هواپیماها، تلویزیون‌های مسطح، وسایل الکترونیکی و دیگر محصولات به
شمار می روند.
این کار تحقیقاتی ـ که در آزمایشگاه دانشگاه رایس به‌وسیله‌ی پروفسور جیمز تور
انجام شده ـ طی مقاله‌ای در شماره‌ی ۱۶ آوریل مجله‌ی Nature به چاپ رسیده‌است.
در این روش (که امکان تولید نوارهای فوق‌العاده ریز در مقادیر انبوه را فراهم
می‌سازد) نانولوله‌های کربنی به‌منظور ایجاد نانونوارهای مسطح، طی یک فرایند
شیمیایی و در دمای محیط باز می‌شوند.
این نوارها نوعی صفحات گرافنی هستند که لبه‌هایی صاف یا همان فرم تک‌لایه‌ی
گرافیت موجود در مداد را دارند. اگرچه ضخامت هزاران صفحه‌ی گرافنی در کنار هم،
معادل ضخامت یک موی انسان است؛ آزمایش‌ها نشان می‌دهد که گرافن ۲۰۰ برابر
محکم‌تر از فولاد است.
تور (استاد دانشکده‌ی شیمی و دانشکده‌ی مهندسی مکانیک و علم مواد و علوم
کامپیوتر دانشگاه رایس) در این زمینه می‌گوید: «این دقیقاً همان چیزی است که
برای ساخت یک فیلم رسانا به آن نیاز داریم. به محض آن که ما بحث در مورد این
فرایند را آغاز کردیم، تولیدکنندگانی که اهمیت این موضوع را می‌دانستند با ما
تماس گرفتند».
در این فرایند از اسید سولفوریک و پتاسیم پرمنگنات استفاده می‌شود؛ موادی که از
سال ۱۸۹۰ استفاده‌ی عمومی داشته‌است. این محلول شیمیایی (که دارای نسبت یک به
دو است)، با حمله به نانولوله‌های کربنی تک‌جداره و چندجداره با چارچوب کربنی
آنها واکنش داده، آنها را در یک خط مستقیم باز می‌نماید. عملیات باز کردن
می‌تواند از انتها یا از وسط ساختار نانولوله آغاز شود؛ اما در هر حال نتیجه
یکسان است. لوله‌ها به نوارهای گرافنی مسطح و دارای لبه‌های صاف تبدیل می‌شوند
که این نوارها در آب انحلال‌پذیرند. وقتی این صفحات میکروسکوپیک در حجم زیاد
تولید شوند، می‌توانند درون یک سطح رنگ‌آمیزی و به‌منظور بهبود رسانایی یک
ماده‌ی پلیمری با آن ترکیب شوند.
پیش از این نیز از نانولوله‌ها برای این منظور استفاده شده‌است. تور در این
زمینه می‌گوید: «به هنگام انباشته شدن دو سیلندر، مساحت قابل لمس بسیار کوچک
است؛ اما اگر این نوارها به‌صورت صفحه‌صفحه انباشته شوند، مساحت بسیار بزرگی در
دسترس خواهد بود. این مواد به‌عنوان ترکیبات افزودنی از اهمیت ویژه‌ای برای
مواد رسانا برخوردارند».
تور در ارتباط با این یافته‌ی جدید اعتبار رساله‌ی فوق دکترای دیمیتری کساینکین
در دانشگاه رایس را تأیید قرار کرده‌است. کساینکین با همکاری آماندا
هیگینبوسان، جی لومدا و کاترین پرایس(دانشجویان فارغ‌التحصیل)، آلکساندر
سینیتسکی ( پژوهشگر فوق دکتری) و آیرات دیمیو(محقق مدعو) و تور، این مقاله را
به مجله‌ی Nature ارسال نموده‌است.
کساینکین به هنگام مطالعه بر روی فرایند اکسیداسیون نانولوله‌ها به این یافته‌ی
جدید پی برده‌است. تور می‌گوید: «دیمیتری پیش من آمد و گفت که او نانونوارها را
دیده‌است. زمانی گذشت تا او بتواند من را قانع کند؛ اما به محض این که من
نانونوارها را دیدم، فهمیدم که به موفقیت بزرگی دست یافته‌ایم».
طبق اظهار نظر تور، تقریباً همه‌ی نانولوله‌هایی که تحت فرایند باز شدن قرار
گرفته‌اند به نوارهای گرافنی تبدیل شده‌اند. نحوه‌ی فرایند برای لوله‌های
تک‌جداره و چندجداره یکسان است. نانولوله‌های کربنی تک‌جداره در دمای اتاق به
صفحه تبدیل می‌شوند و از آنجا که عرض صفحه‌ی بازنشده تا حد زیادی قابل کنترل
است، این نوارها برای استفاده در ابزارهای الکترونیکی کوچک مناسبند؛ اما
نانولوله‌های چندجداره از نظر راه‌اندازی، مواد ارزان‌تری به شمار می‌روند و
این موضوع باعث می‌شود که نانونوارهای به دست‌آمده از این نوع نانولوله‌ها برای
طیف وسیعی از کاربردها مناسب باشد.
تولید مقادیر انبوه از این نانونوارها با استفاده از نانولوله‌های چندجداره
امکان‌پذیر است. این نوع از نانولوله‌ها در دمای ۱۳۰ تا ۱۵۸ درجه‌ی فارنهایت طی
یک ساعت باز می‌شوند (پیش از این، ساخت چنین موادی در مقادیر انبوه، تنها با یک
فرایند رسوب بخار شیمیایی(CVD) در دمایی بیش از ۱۵۰۰ درجه‌ی فارنهایت
امکان‌پذیر بود). تور در این زمینه می‌گوید: «نانولوله‌های کربنی چندجداره،
لوله‌های هم‌محوری مانند عروسک‌های روسی هستند. ما طی این فرایند به‌طور همزمان
از ۲۰ دیوار عبور کردیم. فرایند جداسازی نانونوارها در ابتدا با مراحل شستشوی
زیادی همراه است؛ اما ما برای این که بتوانیم ارتباط خود با صنعت در این زمینه
را از این نقطه آغاز کنیم، یک راه بسیار ساده‌تر پیدا کردیم؛ به‌طوری که اگر
شرکتی قصد تولید این مواد را داشته باشد، باید مقادیری جزئی از این مواد را طی
۶ ماه به فروش برساند. صنعتی کردن و فروش این محصول در مقادیر انبوه چندین سال
به طول می‌انجامد. موضوع فقط داشتن رآکتورهای مناسب است. علم شیمی همه‌ی مشکلات
را به‌سادگی حل می‌کند.»
این موضع که می‌توان نانونوارهای رسانا را جایگزین اکسید قلع- ایندیم(ITO)
نمود، توجه تور را به خود جلب کرده‌است. اکسید قلع- ایندیم (ITO) ماده‌ای است
که عموماً در نمایشگرهای مسطح لمسی، جوهرهای الکترونیکی و پیل‌های خورشیدی به
کار می‌رود. وی در این زمینه می‌گوید: « ITO بسیار گران است، از این رو بسیاری
از محققان به دنبال جایگزین‌های مناسبی برای آن هستند که علاوه بر شفافیت،
قابلیت رسانایی برابر یا بهتری نسبت به آن داشته باشد. افراد مختلف فیلم‌های
نازک مناسبی از نانولوله‌ها ساخته‌اند؛ اما من فکر می‌کنم که روش ما حتی امکان
تولید فیلم‌های نازک‌تر را نیز فراهم خواهد آورد که قابلیت رسانایی آن، برابر
با ITO بوده و یا حتی بهتر است».
به نظر او از کاغذهای پوشش داده‌‌شده با نانونوار، می‌توان به‌عنوان نمایشگرهای
الکترونیکی انعطاف‌پذیر استفاده کرد. وی هم‌اکنون جوهر القاشده با نانونوار را
برای استفاده در چاپگرهای جوهرافشان مورد آزمایش قرار می‌دهد و او در این زمینه
می‌گوید: «ما در حال چاپ بر روی ترانزیستورها، دکمه‌های شناسایی فرکانس رادیو و
وسایل الکترونیکی چاپ‌شده با این جوهرها هستیم. این مواد جدید کاربردهای بسیار
زیادی خواهند داشت».
به گفته‌ی تور، آنها هم‌اکنون با چندین شرکت متقاضی تولید مقادیر انبوه از
نانونوار و دیگر علاقه‌مندان به استفاده از نانونوار در محصولات اصلی خود در
حال مذاکره هستند و در ضمن مشارکت‌های رسمی صنعتی نیز از طریق دفتر انتقال
فناوری رایس آغاز شده‌است.
|
