نانولوله ها

نانولوله ها، نانوساختارهای استوانه‌ای با قطر حدود چند نانومتر تا چند صد نانومتر هستند، و طول آنها می‌تواند چندین میکرومتر باشد. مفهوم نانولوله ها به اوایل دهه 1950 میلادی، زمانی که دانشمند هلندی ال. جی. ون دن بروک در مورد وجود آنها نظریه‌پردازی کرد برمیگردد. با این حال، تا سال 1991 طول کشید تا اولین نانولوله با موفقیت سنتز شود. سومیو ایجیما، فیزیکدان ژاپنی، هنگام مطالعه دوده کربن با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا، به شکل جدیدی از نانولوله کربنی برخورد کرد. کشف او منجر به ایجاد یک طبقه کاملاً جدید از نانومواد شد. نانولوله‌ها به طور کلی به دو دسته اصلی  نانولوله‌های کربنی (CNT) و نانولوله‌های معدنی طبقه بندی میشوند.

نانولوله کربنی

نانولوله های کربنی، همانطور که از نامشان پیداست، از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند و در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته‌اند و شبیه ورق‌های گرافن هستند. آنها شامل نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWCNTs)، متشکل از یک لایه واحد از اتم‌های کربن، و نانولوله‌های کربنی چند دیواره (MWCNTs)، متشکل از چندین استوانه متحدالمرکز گرافن می شوند. چیدمان منحصر به فرد اتم‌های کربن، استحکام مکانیکی قابل توجه، رسانایی الکتریکی عالی و رسانایی حرارتی خوبی به CNTها می‌بخشد و آنها را برای کاربردهای متنوع بسیار جذاب می‌کند.

آرایش اتمی منحصر به فرد در نانولوله‌ها، مسئول خواص استثنایی آنها است. به ویژه، نانولوله‌های کربنی به دلیل استحکام مکانیکی فوق‌العاده، رسانایی حرارتی و خواص الکترونیکی قابل توجه خود مشهور هستند. SWCNTها بسته به کایرالیتی خود، رسانایی الکتریکی یا رفتار نیمه‌رسانایی عالی از خود نشان می‌دهند. کایرالیتی به آرایش خاص اتم‌های کربن اشاره دارد و به طور قابل توجهی بر خواص الکترونیکی نانولوله تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، نانولوله‌های کربنی دارای نسبت ابعاد فوق‌العاده بالایی هستند.  و طول‌هایی تا چندین میکرومتر و قطرهایی در حدود نانومتر دارند. این نسبت ابعاد بالا، نسبت مساحت سطح به حجم باورنکردنی را به آنها می‌دهد و آنها را به کاندیداهای ایده‌آلی برای کاربردهای مختلف، از جمله ذخیره‌سازی گاز، کاتالیز و حسگرها تبدیل می‌کند. علاوه بر این، نانولوله‌های کربنی به دلیل خواص مکانیکی فوق‌العاده قوی هستند و استحکام کششی آنها از فولاد بیشتر است. این ویژگی، همراه با چگالی کم آنها، منجر به گمانه‌زنی‌هایی در مورد کاربرد بالقوه آنها در ساخت کامپوزیت‌های سبک و با استحکام بالا برای صنایع هوافضا و خودرو شده است.

نانولوله معدنی

نانولوله‌های معدنی، به عنوان نانوسیم‌ها نیز شناخته می‌شوند، از مواد مختلفی مانند اکسیدهای فلزی، نیتریدها، سولفیدها، نیترید بور و غیره ساخته می شوند. برخلاف CNTها، که دارای ساختار استوانه‌ای بدون درز هستند، نانولوله‌های معدنی اغلب دارای ناپیوستگی‌هایی در شبکه خود هستند که منجر به خواص منحصر به فردی می‌شود که با همتایان مبتنی بر کربن آنها متفاوت است. نانولوله های نیترید بور که از اتم‌های بور و نیتروژن تشکیل شده‌اند، پایداری حرارتی و شیمیایی استثنایی از خود نشان می‌دهند. و مجموعه‌ای جدید از امکانات را در کاربردهای مختلف در دمای بالا ارائه می‌دهند.

برخی از نانولوله‌های معدنی، خواص الکترونیکی قابل تنظیم نشان می‌دهند که آنها را به کاندیداهای بالقوه‌ای برای دستگاه‌های الکترونیکی و اپتوالکترونیکی تبدیل می‌کند. این مواد اغلب دارای پایداری حرارتی بالا، بی‌اثری شیمیایی و زیست‌سازگاری هستند و در زمینه‌هایی مانند کاتالیز و دارورسانی کاربرد دارند.

کاربرد نانولوله ها

الکترونیک و نانوکامپوزیت‌ها

نانولوله های کربنی پتانسیل خوبی برای کاربرد در صنعت الکترونیک دارند. رسانایی الکتریکی عالی آنها، همراه با ابعاد نانومقیاس آنها، آنها را به کاندیداهای جذابی برای ترانزیستورهای نانومقیاس، اتصالات و سایر اجزای الکترونیکی تبدیل می‌کند. آنها همچنین می‌توانند به عنوان افزودنی در نانوکامپوزیت‌ها عمل کنند و خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی مواد را بهبود بخشند.

ذخیره انرژی

نانولوله‌های کربنی در دستگاه‌های ذخیره انرژی مانند ابرخازن‌ها و باتری‌های لیتیوم-یونی کاربرد دارند. مساحت سطح بالا و رسانایی الکتریکی آنها به افزایش ذخیره بار و انتقال سریع‌تر الکترون کمک می‌کند و برخی از چالش‌های پیش روی فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی مرسوم را برطرف می‌کند.

حسگرها

نانولوله‌ها در حسگرها برای تشخیص گازها، مولکول‌های زیستی و آلاینده‌ها با حساسیت و گزینش‌پذیری بالا مورد استفاده قرار میگیرند. خواص الکترونیکی منحصر به فرد آنها را قادر می‌سازد تا به تغییرات جزئی در محیط اطراف پاسخ دهند و آنها را در نظارت بر محیط زیست و تشخیص پزشکی ارزشمند می‌کند.

انتقال دارو

نانولوله‌های معدنی، به ویژه آنهایی که از مواد زیست سازگار ساخته شده‌اند، پتانسیل حامل بودن برای سیستم‌های انتقال دارو را دارند. ساختارهای توخالی آنها می‌توانند داروها را کپسوله کرده و آنها را به اهداف خاص منتقل کنند و آزادسازی کنترل‌شده و هدفمند را ارائه دهند، عوارض جانبی را به حداقل برسانند و راندمان درمانی را بهبود بخشند.

نانوپزشکی

نانولوله‌ها  دارای کاربردهایی در زمینه‌های مختلف پزشکی، از جمله تصویربرداری، درمان سرطان و مهندسی بافت، می باشند. اندازه کوچک آنها امکان جذب و انتقال سلولی کارآمد از میان موانع بیولوژیکی را فراهم می‌کند و راه‌های جدیدی را برای مداخلات پزشکی غیرتهاجمی باز فراهم میکند.

نانوساختارهای یک بعدی