نانومواد کربنی۱: ساختارهای کربنی

۱-مقدمه

یکی از مهم‌ترین نانوساختارها از جهت کاربرد و خواص ویژه، نانوساختارهای کربنی همچون فولرین، نانولوله‌های کربنی و گرافن می‌باشند. تمامی این نانوساختارها از یک ماده یکسان یعنی کربن تشکیل شده‌اند؛ اما تفاوت میان آنها در نحوه قرارگیری اتم‌ها و پیوندهای بین آنهاست. جهت بررسی بهتر نانوساختارهای کربنی ابتدا باید با ساختارهای مختلف کربنی (که لزوما نانوماده هم نیستند) آشنا شد و توضیحات عمومی در مورد این مواد را دانست. به همین منظور در این مقاله ابتدا ساختارهای کربنی معرفی و مبانی آنها بررسی می‌شود.

۲- دگرشکل‌های (آلوتروپ^[۱]) کربنی

دگرشکل‌های کربنی از جنبه‌های مختلفی قابل دسته‌بندی هستند. یکی از این جنبه‌ها، چند بعدی بودن واحدهای ساختاری آنها یا هیبریداسیون آنهاست که در شکل۱ نمایش داده شده است.

شکل۱- دگرشکل‌های مختلف کربنی برحسب چندبعدی بودن واحد سازنده و هیبریداسیون پیوند

همان‌طور که در شکل۱ نمایش داده شده است، زنجیره‌ای از کربن ساختار یک بعدی دارد و هیبریداسیون آن sp¹ است. ساختارهای دو بعدی کربنی مانند گرافیت، گرافن، نانولوله کربنی و فولرین دارای هیبریداسیون sp² می‌باشند. ساختارهای سه‌بعدی کربنی مانند الماس نیز دارای هیبریداسیون sp³ می‌باشند. در زنجیره کربنی هر اتم کربن دو پیوند کووالانسی با اتم‌های کربن اطرافش داده است. در ساختارهای دو بعدی مذکور، هر اتم کربن در صفحه سه پیوند کووالانسی با سایر اتم‌های کربن داده است و یک پیوند واندروالسی نیز با خارج از صفحه خود می‌تواند برقرار کند. در ساختار الماس نیز هر اتم کربن چهار پیوند کووالانسی با اتم‌های کربن اطرافش داده است. قابل ذکر است که ظرفیت اتم کربن ۴ است.

۳- نمایش نقاط در یک صفحه کربنی با آرایش منظم

یکی از مواردی که در مورد تعدادی از نانوساختارهای کربنی مهم است، نحوه نمایش نقاط در صفحه کربنی آنهاست. این کار مخصوصا برای نانولوله کربنی از جهت تعیین نوع و خواص آن اهمیت به سزایی دارد. در شکل۲ یک صفحه کربنی با آرایش منظم به همراه دو اندیس موردنظر برای تعریف نقاط نشان داده شده است.

شکل۲- اندیس‌های مورداستفاده جهت نمایش نقاط در یک صفحه کربنی

برای نمایش نقاط مختلف در یک صفحه کربنی باید مشخص کرد که آن نقطه نسبت به مبدا چند i و چند j حرکت کرده است. برای فهم بهتر این امر بهتر است برای تمرین مختصات سه نقطه نارنجی، آبی و سبز در شکل۲ را مشخص کنیم. نقطه آبی همان‌طور که مشاهده می‌کنید، ۵ واحد از مبدا در جهت i حرکت نموده است ولی در جهت j حرکتی نکرده است. به همین دلیل آن را به صورت (۰, ۵) نمایش می‌دهند. نقطه نارنجی نیز تنها ۳ واحد در جهت j حرکت نموده است پس مختصات آن (۳, ۰) است. نقطه سبز رنگ، سه واحد در جهت i و ۴ واحد در جهت j نسبت به مبدا حرکت نموده است. در نتیجه مختصات آن (۴,۳) است. کاربرد موارد گفته شده در این قسمت را در بخش نانولوله کربنی خواهد دید. قابل ذکر است که به مولفه‌های i و j که در بالا ذکر شد مولفه‌های کایرال گفته می‌شود؛ این مولفه‌های با m و n نیز در بعضی منابع ذکر می‌شوند.

همچنین در شکل۲ زاویه کایرال نقطه سبزرنگ نمایش داده شده است. برای محاسبه زاویه کایرال هر نقطه کافی است تا از مبدا خطی به آن نقطه وصل نمود و سپس زاویه بین آن خط با بردار i محاسبه شود. کاربرد محاسبه زاویه کایرال را در مقاله بعد برای نانولوله‌های کربنی مشاهده خواهید کرد.

۴- معرفی ساختارهای کربنی

در ادامه ابتدا تعدادی از ساختارهای کربنی که نانوساختار نیستند ولی اهمیت و کاربرد زیادی دارند معرفی می‌شود. در ادامه نانوساختارهای کربنی مهم معرفی و بررسی می‌شوند.

۱-۴- الماس

همان‌طور که گفته شد، الماس دارای چهار پیوند قوی کووالانسی است و به همین دلیل از سخت‌ترین مواد در جهان محسوب می‌شود. به همین دلیل علاوه بر ارزش آن به عنوان یک ماده زینتی، از آن در کاربردهایی که نیاز به مقاومت سایشی و سختی بالا است استفاده می‌شود. از جمله این کاربردها ساییدن و برش فلزات است که الماس به صورت پوششی بر روی ابزار برش قرار می‌گیرد. معمولا از الماس‌های بزرگ به منظور کاربردهای زینتی و از الماس‌های خردشده و ریز به منظور کاربردهای برشکاری و سایش‌کاری استفاده می‌شود [۱].

علاوه بر خواص مکانیکی منظور، الماس دارای هدایت حرارتی بالایی نیز است و هدایت حرارتی آن حدودا ۵ برابر مس می‌باشد.

ساختار بلوری الماس، یک ساختار مکعبی است. ساختار دقیق آن مشابه با ساختار ZnS است. با این تفاوت که تمام اتم‌ها کربن هستند. برای مشاهده این ساختار به مقاله بلورشناسی مراجعه کنید.

۲-۴- گرافیت

گرافیت تشکیل شده از تعدادزیادی صفحه کربنی (با ساختار شش ضلعی) است که بر روی هم قرار گرفته اند. در شکل۳ این مورد نشان داده شده است.

شکل۳- نمایش الف) ساختار لایه‌ای گرافیت و ب) تک‌لایه گرافنی

مطابق شکل۳ مشاهده می‌کنید که به یک تک‌لایه از ساختار گرافیت، یک صفحه گرافنی گفته می‌شود. ساختار شش ضلعی یک صفحه گرافنی کاملا مشابه شکل۱ می‌باشد. در گرافیت، هر اتم کربن، سه پیوند قوی کووالانسی با سایر اتم‌های کربن درون صفحه دارد و یک پیوند ضعیف واندروالسی نیز خارج از آن صفحه با صفحه دیگر برقرار می‌کند. به پیوندهای کووالانسی درون صفحه، پیوند سیگما و به پیوند ضعیف خارج صفحه پیوند پای گفته می‌شود.

به دلیل همین برهمکنش ضعیف خارج از صفحه است که تک لایه‌های گرافنی می‌توانند به راحتی بر روی هم بلغزند و از ساختار گرافیت جدا شوند. دلیل استفاده از گرافیت در مداد نیز دقیقا به همین دلیل است. با سایش نوک مداد بر روی ورق کاغذ، لایه‌های گرافنی یکی پس از دیگری از ساختار گرافیت جدا می‌شوند و رد مشکی بر روی کاغذ به جا می‌گذارند. از خاصیت مذکور در روانسازهای گرافیتی نیز استفاده می‌شود [۲].

۳-۴- الیاف کربنی

از الیاف کربنی به‌عنوان یکی از بهترین تقویت‌کننده‌ها در مواد کامپوزیتی نام برده می‌شود. دلیل آن خواص مکانیکی ویژه بسیار بالای آن است. منظور از خواص ویژه، خاصیت تقسیم بر چگالی است. الیاف کربنی استحکام و سفتی بسیار بالایی دارند و همچنین وزنشان نیز بسیار کم است. با استفاده از کامپوزیت حاوی الیاف کربنی در بدنه خودرو، کشتی، موشک و لوازم ورزشی می‌توان آنها را بسیار مستحکم ولی سبک ساخت. برای مثال با استفاده از کامپوزیت الیاف کربنی، با کم شدن وزن خودرو، مصرف سوخت آن کمتر و سرعت آن بیشتر می‌شود. معمولا الیاف کربنی به صورت بافته شده در کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود (شکل۴).

شکل۴- نمایش الیاف کربن و پارچه بافته شده از الیاف کربن به منظور استفاده در کامپوزیت به‌عنوان تقویت کننده[۳]

ساختار الیاف کربنی در شکل۵ نمایش داده شده است.

شکل۵- نمایش سطح مقطع یک لیف کربنی و نمایش بخش کوچکی از آن با بزرگنمایی بیشتر

مطابق شکل۵ مشاهده می‌کنید که یک لیف کربنی از ساختار در هم پیچیده صفحات گرافیتی (با تعداد لایه کم) تشکیل شده است. با نمایش بخش کوچکی از سطح مقطع با بزرگنمایی بالاتر این امر را بهتر می‌توان دید. درون بخش‌های کوچک که همان صفحات گرافیتی هستند، نظم وجود دارد ولی با توجه به در هم پیچیده شدن گرافیت‌ها، بین آنها نظم بلند بردی وجود ندارد [۳].

۴-۴- کربن سیاه^[۲]

کربن سیاه یک ساختار آمورف کربنی است. یک تک ذره کربن سیاه تشکیل شده است از صفحات گرافیتی در هم تنیده. اما کربن سیاه به ندرت به شکل یک تک‌ذره دیده می‌شود و معمولا به شکل‌های کلوخه‌ای شده خود همچون اگریگه ^[۳] و آگلومره^[۴] دیده می­‌شود. این موارد به همراه اندازه هرکدام از ساختارهای تک ذره کربن بلک، اگریگه و آگلومره در شکل۶ نمایش داده شده است.

شکل۶- نمایش تک ذره کربن سیاه، اگریگه و آگلومره کربن سیاه به همراه اندازه هر یک از آنها[۴]

همانطور که مشاهده می‌کنید اگر ساختارکربن سیاه به خوبی از یکدیگر باز شود و در همان وضعیت بازشده باقی بماند عملا یک نانوذره محسوب می‌شود. اما به دلیل نسبت سطح به حجم بالای این ساختار، عمدتا شکل اگریگه یا آگلومره آن دیده می‌شود. همان‌طور که مشاهده می‌کنید ساختار آگلومره بزرگ‌تر است و خود از چند اگریگه تشکیل شده است.

بیشتر کاربرد کربن سیاه به‌عنوان ماده‌ای پرکننده^[۵] جهت تقویت‌کنندگی خواص مکانیکی، ایجاد رنگ سیاه، مقاومت در برابر فرابنفش و حصول رسانایی الکتریکی (تنها در دسته‌ای خاص از کربن سیاه که رسانایی الکتریکی دارند) است. معمولا نیز کربن سیاه به لاستیک‌ها (مثل لاستیک خودرو) و پلاستیک‌ها به دلایل فوق‌الذکر افزوده می‌شود [۴].

۵-۴- فولرین^[۶]

این شکل از کربن شبیه یک توپ فوتبال است و به آن فولرین یا باکی‌بال^[۷] گفته می‌شود. فولرین‌ها می‌توانند دارای تعداد کربن‌های متفاوتی همچون ۶۰، ۷۰، ۸۰، ۲۴۰ و غیره باشند. اما معروف‌ترین دسته از فولرین‌ها C₆₀ است. در فولرین نیز هر اتم کربن با سه اتم دیگر اطرافش درون کره پیوند کووالانسی داده است و هیبریداسیون sp² دارد. فولرین‌ها مشابه یک قفس توخالی هستند و به همین دلیل بخشی از کاربردهای آنها به این صورت است که مواد مختلفی (همچون دارو) را درون آن قرار می‌دهند تا آسیبی به آنها وارد نشود و عملکرد موردنظرش را انجام دهد [۵].

تصویر فولرین C₆₀ و C₇₀ در شکل۷ نمایش داده شده است.

شکل۷- نمایش سختار فولرین ${\mathrm{C}}_{60} \mathrm{و} {\mathrm{C}}_{70}$ [۵]

فولرین‌ها اندازه‌های بسیار کوچکی دارند. C₆₀ دارای قطری در حدود ۰/۷ نانومتر و C₇₀ قطری در حدود ۰/۸ نانومتر دارد. عموما قطر فولرین‌ها را ۱ نانومتر درنظر می‌گیرند [۵].

یکی از مواردی که برای فولرین‌ها مطرح است تعداد ۵ ضلعی و ۶ ضلعی‌ها در آنهاست. برای مثال C₆₀ دارای ۱۲پنج‌ضلعی و ۲۰ شش ضلعی از کربن است. در شکل۷ شش‌ضلعی و پنج‌ضلعی‌ها را در ساختار C₆₀ و C₇₀ می‌توانید ببینید.

نکته مهم این است که تمامی فولرین‌ها فارق از تعداد کربنشان دارای ۱۲ عدد پنج‌ضلعی هستند تا با ایجاد انحنا، ساختاری کروی ایجاد شود. با ثابت بودن تعداد پنج‌ضلعی‌ها و دانستن تعداد کربن تشکیل‌دهنده آن فولرین، می‌توان تعداد شش‌ضلعی­‌های آن را محاسبه نمود.

۵- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

دگرشکل‌های کربنی را از جهت چندبعدی بودن و هیبریداسیون می‌توان به سه دسته تقسیم نمود. یک دسته که زنجیره‌های کربنی هستند یک بعدی و دارای هیبریداسیون sp¹ هستند. دسته دیگر که عموما نانوساختارهای کربنی هستند دارای ساختاری دو بعدی و هیبریداسیون sp² هستند و دسته سوم نیز دارای ساختاری سه بعدی و هیبریداسیون sp³ هستند. در این مقاله ضمن معرفی تعدادی از ساختارهای کربنی به بیان هیبریداسیون آنها و برخی از ویژگی‌ها و کاربردهای آنها پرداخته شد. از جمله این ساختارها در این مقاله به الماس، گرافیت، الیاف کربنی، کربن سیاه و فولرین اشاره شد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۶- مراجع

[1].Subrahmanyam, K. S., et al. "A study of graphenes prepared by different methods: characterization, properties and solubilization." Journal of Materials Chemistry 18.13 (2008): 1517-1523.

[2]. Chung, D. D. L. "Review graphite." Journal of materials science 37.8 (2002): 1475-1489.

[3]. Gutowski, Timothy George Peter, and Timothy George Peter Gutowski, eds. Advanced composites manufacturing. Vol. 1. New York: Wiley, 1997.

[4]. López-de-Uralde, Juan, et al. "Automatic morphological categorisation of carbon black nano-aggregates." International Conference on Database and Expert Systems Applications. Springer, Berlin, Heidelberg, 2010.

[5].Geckeler, K. E., and S. Samal. "Syntheses and properties of macromolecular fullerenes, a review." Polymer international 48.9 (1999): 743-757.

۷- پاورقی

[1]Allotrope

[2]Carbon Black

[3]Aggregate

[4] Agglomerate

[5]Filler

[6]Fullerene

[7] Bucky Ball