نانولوله کربنی (CNTs)، به عنوان ماده‌ی کلیدی قرن ۲۱ معرفی شده است. این ماده ترکیبی ویژه از خواص خارق‌العاده‌ی مکانیکی، الکترونیکی، و نوری بوده و اندازه‌ی نانومقیاس، آن را برای بسیاری از کاربردها از قبیل مهندسی، صنعت الکترونیک، فوتونیک، فضانوردی، پزشکی، و سیستم‌های بیولوژی و مولکولی مناسب کرده است. از طرفی نیز با رشد کاربردهای موجود برای نانولوله‌های کربنی، نیاز جهانی برای این ماده با سرعت بالایی در حال افزایش است.
چه کسی نانولوله کربنی را کشف کرده است؟
به هنگام بررسی پتانسیل علمی و تکنولوژیک نانولوله‌های کربنی، فهم کاشف اصلی آن‌ها از اهمیت خاصی برخوردار است. در این بخش نیز قصد داریم تا نگاهی گذرا به چگونگی و تاریخچه‌ی کشف این ماده‌ی شگفت‌انگیز بپردازیم.
مقاله مرتبط: نانوتکنولوژی در گذر زمان: تاریخی بزرگ برای پدیده‌ای کوچک
تنها با نگاهی گذرا به لیست کتاب‌ها یا مقاله‌های موجود، می‌توان متوجه شد که سومیو لیجیما (Sumio Iijima) دانشمند و محقق ژاپنی به عنوان کاشف اصلی نانولوله کربنی در نظر گرفته می‌شود، با این وجود بررسی دقیق‌تر از روند مشخص خواهد کرد که او اولین کسی نبود که خبر از وجود نانولوله‌های کربنی داده است؛ و حتی درصورت نگاه عمیق‌تر به این مسئله می‌توان پی برد که ریشه‌ی تشکیل نانولوه‌های کربنی در طبیعت به دوران ماقبل تاریخ بازمی‌گردد.
ریشه‌ی ماقبل تاریخی نانولوله کربنی
از جمله مثال‌های بارز وجود نانولوله‌های کربنی در طبیعت، حضور آن‌ها در دل سنگ‌های آذرین با قدمت ۲۵۰ میلیون ساله است. حضور نانولولهای کربنی در این سنگ‌ها احتمال تشکیل نانولوه کربنی در طی فرآیند تولید ماگما را مطرح می‌کند. طبق این فرضیه، مهاجرت مایعات هیدروکربنی در طول رسوبات مذاب بستر اصلی سنگ، نواحی اشباع از گازی (عمدتاً متان، کربن دی اکسید، و کربن مونواکسید) تولید می‌کند که در این مکان‌ها، تراکم و تجزیه‌ی هیدروکربن‌ها در حضور عناصر فلزی، منجر به شکل‌گیری لوله‌های کربنی میکرونی و زیر میکرونی می‌شود.
شواهد متقاعدکننده‌ی بعدی مبنی بر حضور نانولوله‌های کربنی طبیعی در دوران ماقبل تاریخ (MWCNTs )، مربوط به آنالیز و بررسی نمونه‌هایی از هسته‌های یخ گرینلد به قدمت ۱۰.۰۰۰ سال، به کمک میکروسکوپ الکترونی تونلی است؛ که احتمال می‌رود در طی احتراق گاز طبیعی/متان طی فرآیندهای طبیعی ایجاد شده باشند.
علاوه بر این، فرضیه‌ی احتمالی دیگر این است که، نانولوله‌های کربنی می‌توانند حاصل تغییر مستقیم فولرن‌های C60 ای باشند که به طور طبیعی و بدون دخالت انسان تشکیل شده اند. مثال‌های فولرن‌های تشکیل‌شده در طبیعت بسیار زیاد است؛ که سنگ‌های کربنی یا زغالی نمونه‌هایی از آن‌ها هستند.
با عبور مخلوطی از گازهای اتیلن و هیدروژن از روی سنگ‌های ساییده‌شده در یک اتمسفر هیدروژن با دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد، ذرات آهن تجزیه‌ی اتیلن به عناصر کربن را کاتالیز می‌کنند که به فرم لوله‌ها و فیبرهای بسیار طریف برروی سنگ‌های آتشفشانی ته‌نشین خواهند شد.
این طریقه‌ی شکل‌گیری نشان می‌دهد که درصورت موجودبودن منبع کربن، امکان تشکیل نانولوله‌های کربنی حتی در دماهای متوسط نیز وجود دارد، که احتمال تشکیل نانولوله کربنی در آتشفشان‌های فعال بستر اقیانوس یا فضای بین ستارگان، که در آن‌ها گازهای متان، هیدروژن اتمی، کربن اکسیدها، و آهن موجود است، را مطرح می‌کند.
از جمله نمونه‌های باستانی حضور نانولوله‌های کربنی در ابزار دست‌ساز بشر، شمشیرهای سربازان دمشقی در قرن ۱۳ است که به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و درعین حال برندگی بسیارزیادشان توجه دانشمندان را جلب کرده بودند و پس از مدتی مشخص شد که این شمشیرها دارای نانولوله‌های سمنتیت (Fe3C) هستند که عامل خاصیت منحصربفرد آن‌ها است.
مقاله مرتبط: شمشیر دمشقی: نانولوله کربنی در قرون وسطی
تاریخچه‌ی نانولوله کربنی در سال‌های اخیر
فرم فیلامان کربن سابقه‌ای بسیار طولانی داشته و مدت‌ها قبل‌تر از کشف نانولوله کربنی توسط لیجیما شناخته می‌شد. و مطالعاتی که دانشمندان در سال‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ انجام داده بودند، مشخص کرده بود که این رشته‌ها می‌تواند به عنوان محصول واکنش بین هیدروکربن‌ها و سایر گازها و در حضور کاتالیست‌های فلزی مانند آهن، کبالت، و نیکل تولید شوند.
شاید بتوان اولین گزارش مشاهده‌ی نانولوله‌های کربنی را به راجر بیکن (Roger Bacon) نسبت داد که رشد ویسکرهای گرافیتی با سایز زیر میکرونی را از الکترودهای گرافیتی نشان می‌داد. این ویسکرهای گرافیتی ساختاری متشکل از یک یا چند لوله‌ی متحدالمرکز داشتند که هر یک از این لوله‌ها به شکل پیچک یا صفحه‌ای دوران‌یافته از لایه‌های گرافیتی با قطری متغیر بین مقادیر میکرونی و زیرمیکرونی بوده و طولی تا اندازه‌ی ۳ سانتی‌متر داشتند. این ویسکرهای گرافیتی دارای بیشترین قدرت مکانیکی در عصر خود بودند و تا سال‌ها به عنوان معیاری برای آزمایش فیبرهای کربنی به کاررفته در صنعت هوا و فضا استفاده می‌شدند.
مدتی بعد، مطالعاتی که توسط مورینوبو اندو (Morinobu Endo) و همکارانش صورت گرفت، موجب آشکارسازی نانوساختار فیبرهای کربنی تولیدشده توسط بخار یک منبع گاز هیدروکربنی با استفاده از کاتالیست‌های فلزی شد که بعدها به عنوان «نانولوله‌ی تک‌دیواره‌ای» نامگذاری شدند. آن‌ها معتقد بودند که در طی ساخت این فیبرها، ابتدا یک رشته‌ی اولیه به اندازه‌ای در مقیاس نانو طی فرآیندهای کاتالیکی ساخته می‌شود، که به مرور زمان با رسوب شیمیایی بخار لایه‌های کربن ضخیم‌تر می‌شود تا فیبرهای کربنی ایجاد شود.
با این وجود، حق امتیاز ابداع اولین روش برای آماده‌سازی فیلامان‌های کربنی یا «فیبریل‌های کربنی» با قطر نانومتری و خالص از هرگونه کربن رسوبی آذرکافتی، مربوط به فردی به نام هووارد تننت (Howard G. Tennent) است که این کار را در سال ۱۹۸۴ به انجام رسانیده است. همانطور که قبلاً نیز اشاره شد، در همین زمان، هارولد کروتو موفق به کشف خوشه‌ی کربنی C60 شده و آن را فولرن نامگذاری کرد. کشف فولرن، تأثیرات بسیار مهمی در انجام تحقیقات بیشتر در زمینه‌ی کربن و در نتیجه کشف مواد پیشرفته‌تر از جمله نانولوله کربنی و گرافن شد.
نهایتاً سومیو لیجیما، که از متخصصان سرشناس میکروسکوپ الکترونی بود، حین مطالعه‌ی مواد کربنی گوناگون، فیبرهای توخالی بلندی را مشاهده کرد که برروی کاتد گرافیتی تشکیل شده بودند، که این فیبرهای توخالی درواقع چیزی جز نانولوله‌های کربنی نبودند.
با وجود اینکه کشف نانولوله کربنی کاملاً تصادفی اتفاق افتاد، با این وجود تجارب بسیار لیجیما در کار با میکروسکوپ الکترونی و مشاهده‌ی انواع گوناگون کربن، نقش تعیین‌کننده‌ای در تشخیص نانولوله‌های کربنی تشکیل‌شده در دوده‌ی کاتد گرافیت داشته است.
نانولوله‌هایی که لیجیما به توصیف آن‌ها پرداخت، بیش از یک لایه‌ی گرافیتی با قطر حدود ۴ نانومتر داشته و انتهاهایشان بسته بود. و این یافته‌ها برای اولین بار رشد نانولوله‌های چندلایه را با استفاده از تبخیر الکتریکی گرافیت و بدون نیاز به کاتالیست‌های فلزی تأیید کرد.
کشف پی‌درپی فولرن و نانولوله کربنی موج عظیمی از تحقیقات و بررسی‌ها را برای مطالعه‌ی جنبه‌های گوناگون کربن و نانولوله‌های کربنی ایجاد کرد.
کشف نانولوله کربنی تک دیواره نیز در سال ۱۹۹۳ و با تعویض جنس قوس‌های الکترود به آهن و نوع گاز اتمسفر اتمسفر به مخلوط آرگون و متان، توسط لیجیما و و توشیناری ایچیهاشی (Toshinari Ichihashi) انجام شد که همانند نوع چند دیواره‌ی آن، سر و صدای بسیاری در محافل علمی برپا کرد.
نانولوله کربنی : وضعیت کنونی
حال، با گذشت ۲۵ سال از اولین معرفی نانولوله کربنی در دنیای علم، این مواد همچنان در صدر جذب توجه محققان در سراسر جهان، هستند تا از رمز و رموز کاربردهای گوناگون آن‌ها پرده بردارند. و پس از گذشت این مدت زمان، آنچه اهمیت خواهد داشت، نه شناخت کاشف نانولوله کربنی، بلکه فهم پتانسیل‌های کاربردی آن خواهد بود.
تا به امروز، پیشرفت تکنولوژی‌ها و فرآورده‌هایی که در آن‌ها از نانولوله‌های کربنی استفاده شده است، با سرعت زیادی در حال ادامه است و کاربردهای گوناگون و متضاد بسیاری برای آن‌ها در نظر گرفته شده است که برخی از آن‌ها شامل استفاده در ساخت وسایل ورزشی، سلول‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، باتری‌ها، رنگ‌های ضدزنگ کشتی‌ها، ابزارهای حیاتی پزشکی و سامانه‌های دارورسانی هستند.
منابع
-S. Iijima, ‘Helical microtubules of graphitic carbon’, Nature, 354 (1991) 56.
-M. Monthioux and V.L. Kuznetsov, Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes?, Carbon, 44 (2006) 1621-1623
-V. Ponomarchuk , D. Semenova, T. Moroz , et al., ‘۲۵۰-Ma old nature carbon nanostructuring materials and nanotubes in intrusive rocks’, ۲۱st V.M. Goldschmidt Conference – Earth, Life and Fire, August 14-19, 2011, Prague, Czech Republic
-V.A. Ponomarchuk, Y.P. Kolmogorov, V.V. Ryabov, et al., SR XRF study of natural micro and nanostructured carbon from igneous rocks, Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics, 77(2) (2013) 203–۲۰۶
-V.A. Ponomarchuk, A.T. Titov and D.V. Semenova, ‘Oldest natural carbon micro-and nanotubes on the Earth’, in Proceedings of 11th International Conference Advanced Carbon NanoStructures (ACNS’2013), St Petersburg, Russia, July 01–۰۵, ۲۰۱۳
-E.V. Esquivel and L.E. Murr, ‘A TEM analysis of nanoparticulates in a Polar ice core’, Mater. Charact. 52, (2004) 15–۲۵
-W. L. Suchanek, J.A. Liberab, Y Gogotsib, M Yoshimuraa, ‘Behavior of C60 under hydrothermal conditions: Transformation to amorphous carbon and formation of carbon nanotubes’, Journal of Solid State Chemistry, 160 (2001) 184
-M. Reibold, P. Paufler, A.A. Levin, et al., ‘Materials: Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre’, Nature 444 (2006) 286
-T.V. Hughes and C.R. Chambers, Manufacture of 0 N Filaments. US Patent No.:405480; Filed on 30 Aug 1886 and issued on 18 Jun 1889
-R. Bacon and J.C. Bowman ‘Production and properties of graphite whiskers’, Bull Am Phys Soc, 2 (1957) 131
-R. Bacon, ‘Growth, Structure, and Properties of Graphite Whiskers’, J. Appl. Phys, 31 (1960) 283
-A. Oberun and M. Endo, ‘Filamentous growth of carbon through benzene decomposition’, Journal of Crystal Growth, 32 (1976) 335-349
-Oberlin, M. Endo, T. Koyama, ‘High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers’, Carbon 14 (1976) 133
-H.G. Tennent, ‘Carbon fibrils, method for producing same and compositions containing same’, US Patent No.: 4663230 A, filed on 6 Dec 1984 and issued on 5 May 1987, Assignee: Hyperion Catalysis International, Inc.
-J.H. Weaver, ‘Totally Tubular,’ Science, 265 (1994) 611-612
-H.W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, et al., ‘C60: buckminsterfullerene’, Nature, 318, (1985) 162
-S. Iijima, ‘Helical microtubules of graphitic carbon’, Nature, 354 (1991) 56
-S. Iijima, ‘Graphite fiber having cylindrical structure’, JP2687794B2, Filed on 31 October 1991 and issued on 8 December 1997, Assignee: NEC Corporation
-S. Iijima and T. Ichihashi, ‘Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter’, Nature, 363 (1993) 603
-D.S. Bethune, C.H. Kiang, M.S. de Vries, et al., ‘Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls’, Nature, 363 (1993) 605
