ییر می یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر بیان نماییم، می توانیم وجود ” عناصر پایه “را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند که عبارتند از نانو ذرات، نانو لوله های کربنی، نانوکپسولها. اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره است. نانو ذره ذراتی با ابعادی در حدود 1 تا 100 نانومتر و در هر سه بعد می باشد.
1-2- اهمیت نانو ابعاد
برای کنترل و دستکاری نانو ساختارها25، امکان بهره برداری از خصوصیات فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی سیستم هایی که دارای ابعادی میان تک اتم ها، مولکولها و مواد حجیم هستند را فراهم می آوریم. سئوال این است که چرا از ابعاد نانومتری استفاده می کنیم و اهمیت نانو ابعاد در چیست؟ بعضی از دلایل اهمیت نانو ابعاد عیارتند از:
1) خصوصیات مواد در اندازه های نانومتری دستخوش تغییراتی می شود. با طراحی مواد نانومتری، تغییر در خصوصیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک ماده مانند رنگ، خواص مغناطیسی، دمای ذوب و … بدون تغییر ترکیبات شیمیایی آن ممکن می شود.
2) خصوصیات کلیدی مواد بیولوژیکی و زنده، سازماندهی منظم آنها در ابعاد نانومتری است. توسعه در زمینه نانوتکنولوژی به ما اجازه خواهد داد که چیزهای نانوابعادی ساخت بشر را در داخل سلولهای زنده قرار دهیم. همچنین این کار باعث خواهد شد که با استفاده از خودچینی طبیعت ( تکثیر خودبخودی و منظم مواد بدون دخالت انسان) بتوانیم مواد جدیدی بسازیم. این کار باعث ایجاد ترکیبات بیولوژیکی با علم مواد خواهد شد.
3) ترکیبات نانومتری دارای نسبت سطح به حج بسیار زیادی هستند. چون حجم کمی دارند اما سطح زیادی را پوشش می دهند، استفاده از آنها در مواد کامپوزیتی، دارورسانی در بدن و ذخیره انرژی به شکل شیمیایی (مانند گاز طبیعی و هیدروژن) بسیار ایده آل خواهد بود.
4) سیستم های ماکروسکوپیک ساخته شده از نانوساختارها می توانن چگالی بسیار بیشتری نسبت به مواد ساخته شده از میکروساختارها داشته باشند وهمچنین هدایت الکتریکی بهتری دارند. با استفاده از بر هم کنش نانو ساختارها مفاهیم جدیدی در ابزارهای الکترونیکی، مانند مدارهای کوچکتر و سریعتر، کارآیی بسیار پیشرفته تر و مصرف برق بسیار کمتر پدید می آید.
1-3- کربن
کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است و کاربردهای آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. نقش مهم این عنصر در پیوندهای کربنی و مولکولهای آلی حیات و توانایی اتم های کربن در تشکیل شبکه های پیچیده مبنایی برای وجود حیات در عالم است]12[. ماهیت متنوع این پیوند است که به کربن اجازه تشکیل بعضی نانوساختارهای جالب، بخصوص نانو لوله های کربنی را میدهد. کربن با عدد اتمی 6 در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارد. این عنصر یکی از عناصر اصلی موجودات زنده را دربر گرفته است. بنابر این بیشتر دانشمندان سعی می کنند ترکیبات کربنی را در شاخه شیمی آلی بررسی کنند. اتم های کربن همه جا هستند و داشتن ظرفیت چهار پیوندی به آنها اجازه می دهد تا با دیگر اتم های کربن زنجیره ای از اتم ها را ایجاد کرده و بتوانند در نقاطی از زنجیره با انواع دیگری از اتم ها پیوند تشکیل دهند. هیچ عنصر دیگری در جدول دوره ای عناصر نیست که بتواند پیوندی چنین قوی با خودش تشکیل دهد و بتواند به روشهای مختلفی با اتم های کربن پیوند برقرار کند که در این حالت دارای مشخصه های یک گاز خواهند بود. در عین حال ممکن است با یکدیگر یک زنجیر بلند تشکیل دهند که ایجاد یک جامد می نماید یا اینکه می توانند بصورت شبکه های دو و سه بعدی با یکدیگر پیوند تشکیل دهند تا موادی بسیار سخت مانند الماس بوجود آید. با قابلیت هایی مانند موارد گفته شده، اتم های کربن برای استفاده در نانو مواد عالی هستند.
1-4- گونه های مختلف کربن در طبیعت
کربن نقش یگانه ای در طبیعت بازی می کند. شکل گیری اتم کربن در ستاره ها نتیجه همجوشی سه ذره آلفا بوده و این فرآیند عامل بوجو آورنده تمام عناصر نسبتا سنگین عالم است]13[. این عنصر از دیرباز برای انسان بصورت دوده و زغال چوب شناخته شده بود. گونه های متفاوت دیگری از کربن نیز در طبیعت وجود دارد که تفاوت این گونه ها صرفا به شکل گیری اتم های کربن نسبت به هم یا به ساختار شبکه ای آنها برمی گردد. اتم های کربن به روش های مختلفی باهم پیوند می دهند. نحوه پیوند خواص ماده کربنی حاصل و شکل آن را تعیین می کند. کربن به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می شود که همه این چهار شکل جامد هستند و در ساختار آنها اتم های کربن به صورت کاملا منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. در بخش بعد،آلوتروپ های مختلف کربن بیان شده اند.
1-4-1- کربن بی شکل
از سوختن ناقص بسیاری از هیدروکربن ها و یا مواد آلی (مثل چوب یا پلاستیک) ماده سیاه رنگی به جا می ماند که کربن بی شکل یا آمورف26 نام دارد. این ماده که پس مانده سوخت ناقص مواد آلی است از دیرباز جهت تولید انرژی بشر مورد استفاده قرار می گرفت. زغال چوب و زغال سنگ از انواع مواد کربن بی شکل هستند که انسان با سوزاندن آنها انرژی زیادی را بدست می آورد.
1-4-2- الماس
در الماس با عنوان سخت ترین ماده جهان دارای ساختار بلوری منظمی می باشد(شکل1-1). در این ساختار هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند برقرار می کند که به آن ساختار مکعبی شکل و پایدار می دهد و باعث استحکام و سختی زیادی در آن می شود. دلیل این سختی زیاد این است که در الماس هر اتم کربن به سه اتم دیگر تشکیل پیوند می دهد که فاصله بین اتم ها در حدود 17/0 نانومتر است که باعث تشکیل یک شبکه fcc با ثابت شبکه 365/0 نانومتر است]14[. این ماده بدلیل سختی بالا تمام عناصر موجود در طبیعت را می خراشد و از اینرو در تراش فلزات سخت، سرامیکها و شیشه از آن استفاده می کنند. این ماده بدلیل درخشش بالایی که دارد از دیرباز در جواهرآلات نیز مورد استفاده قرار می گرفته است.
شکل 1-1- ساختار الماس
1-4-3- گرافیت27
گرافیت یکی از مهمترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از قرار گرفتن 6 اتم کربن در کنار یکدیگر بوجود آمده است. این اتم های کربن بگونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک شش ضلعی منظم را پدید می آورند و از مجموع آنها صفحه ای بدست می آید که به عنوان یک لایه گرافیت درنظر گرفته می شود و گرافن نامیده می شود. مجموع صفحه های گرافن با هم کنش ضعیف واندروالس28 بین آنها گرافیت را می سازند(شکل1-2). فاصله پیوند کربن – کربن در صفحه گرافن 1421/0 نانومتر و فاصله بین صفحه ها برابر 34/0 نانومتر است]15[.
اتم های کربن با پیوندهای کووالانسی29 قوی و محکم، حتی محکمتر از پیوندهای اتم های الماس، به یکدیگر متصل شده اند. اتم های کربن بکار رفته در یک لایه گرافیت نمی توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کووالانسی ایجاد کنند، بنابراین هرلایه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس به لایه زیرین متصل می شود، در نتیجه اگر نیرویی در راستای سطح به ساختار این ماده اعمال شود به آسانی نمی توان پیوند بین اتم های آن را شکست، زیرا هرکدام از این اتم ها با پنج اتم دیگر پیوند کووالانسی تشکیل داده اند و بسیار پایدارند اما در عین حال صفحه های گرافیت براحتی می توانند روی یکدیگر بلغزند و به همین دلیل از این ترکیب در روغنکاری و روانکاری و نوشتن استفاده می شود. نوک مداد از برگه های زیاد و موازی خیلی محکم گرافیت تشکیل شده است اما تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارند که این اندازه حتی از یک نانومتر هم کمتر است. همانند بنزن هر اتم کربن درون گرافیت دارای یک الکترون اضافه است، یعنی یکی بیش از تعداد اتم هایی که کربن با آنها پیوند برقرار کرده است. اربیتال های اتمی برای این الکترونها روی یکدیگر قرار می گیرند و یک اربیتال مولکولی30 ایجاد می کنند که به الکترونهای غیر مستقر اجازه حرکت آزاد از میان برگه های31 گرافیت را می دهد، به همین خاطر است که گرافیت می تواند هادی الکتریسیته باشد. دو مشخصه از برگه های گرافیت که باعث می شود آنها در نانوتکنولوژی خیلی مفید باشند، استحکام و توانایی آنها برای عبور دادن الکتریسیته می باشد.
شکل 1-2- لایه های گرافیت روی یکدیگر
1-4-4- فولرین
در سال 1985 ریچارد اسملی32 ساختار جدیدی از کربن را کشف کرد که فولرین نامگذاری شد]16[. از ساده ترین نوع فولرین ها می توان به کرب