نانولوله‌هاي كربني

مقدمه:

كربن يكي از عناصر شگفت‌انگيز طبيعت است و كاربردهاي متعدد آن در زندگي بشر، به خوبي اين نکته را تاييد مي کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه يكي از مهم‌ترين آلياژهاي مهندسي است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل مي شود؛ با تغيير درصد كربن (به‌ميزان تنها چندصدم درصد) مي توان انواع فولاد را به دست آورد. «شيمي آلي» نيز علمي است که به بررسي ترکيبات حاوي «كربن» و «هيدروژن» مي پردازد و مهندسي پليمر هم تنها براساس عنصر كربن پايه‌گذاري شده است. كربن، به چهار صورت مختلف در طبيعت يافت مي‌شود که همه اين چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌هاي كربن به صورت كاملاً منظم در كنار يکديگر قرار گرفته‌اند. اين ساختارها عبارتند از:1- گرافيت2- الماس3- نانولوله‌ها

4- باكي‌بال‌ها 

گرافيت: 

گرافيت يكي از مهم‌ترين ساختارهاي كربن در طبيعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم كربن در کنار يکديگر به وجود آمده است. اين اتم هاي كربن به گونه اي با يکديگر ترکيب شده اند كه يك‌ شش ‌ضلعي منتظم را پديد مي آورند و از مجموع آنها، صفحه اي به دست مي آيدكه به عنوان يک « لاية گرافيت» در نظر گرفته مي‌شود.

اتم‌هاي كربن با پيوندهاي كووالانسي ـ كه پيوندي قوي و محکم است ـ به يکديگر متصل شده‌اند. لازم به ذكر است كه اتم هاي كربن به کار رفته در يک لاية گرافيت نمي‌توانند با كربني خارج از اين لايه پيوند كووالانسي بدهند. بنابراين يک لاية گرافيت از طريق پيوندهاي واندروالس ـ كه پيوندهايي ضعيف هستندـ به لاية‌ زيرين متصل مي شود. اين مساله باعث مي‌شود كه صفحه‌هاي گرافيت به‌راحتي روي يکديگر بلغزند. به همين دليل از اين ترکيب در «روغن‌كاري» و «روان‌كاري» استفاده مي‌شود. علت نرمي سطوحي که با مداد روي آنها نوشته شده است نيز همين نکته مي باشد. 

نانولوله‌ها 

يك لايه گرافيت را در نظر بگيريد. اتم‌هايي را كه در يك رديف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ كه نشان‌دهندة مختصات يك نقطه در صفحه است ـ مكان‌يابي مي‌كنيم. به طوري كه مختصات n، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به رديف اتم‌ها باشد.همان‌طور كه مي‌دانيم براي تهيه يک لوله از يک صفحه، کافي است يك نقطه از صفحه را روي نقطه ي ديگر قرار دهيم. يك نانولوله مانند صفحة گرافيتي است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اينکه چگونه دو سر صفحه گرافيتي به يکديگر متصل شده باشند، انواع مختلفي از نانولوله ها را خواهيم داشت..   

1. نوع زيگزاگ براي ساختن نوع زيگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستاي افقي (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهايي(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روي اتم ابتدايي (0و0) انطباق مي دهيم. براي اطمينان از درستي روش ساخت بايد دقت کنيم که در آخر کار، در راستاي افقي يک خط شکسته زيگزاگ به دور نانولوله ببينيم. .

2. نوع صندلي
در صورتي كه اتم ابتدايي و اتمي که در وضعيت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روي هم قرار بگيرند، نانولوله نوع صندلي به دست مي آيد. در اين حالت مي‌توانيم بين اين دو اتم يك خط مستقيم رسم كنيم كه معادلة آن «m=n» است. يعني شمارة ستون و رديف هر يک از آنها با يکديگر برابر است. در اين حالت با يک بار گردش به دور نانولوله تعدادي صندلي پشت سر هم خواهيم ديد.

.   

3. نوع نامتقارن
در اين حالت نيز مشابه روش صندلي عمل مي‌کنيم، با اين تفاوت که در مختصات اتم انتهايي، m≠n خواهد بود. اگر يک بار افقي به دور نانولوله بچرخيم مجموعه‌اي از صندلي‌ها را مي‌بينيم که نسبت به افق، به صورت مايل قرار گرفته‌اند.
براي ساختن مدلي از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافي است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ي انتهايي را بر نقطه ي ابتدايي منطبق نماييد.

اين لوله هاا به علت آنکه داراي قطر چند نانومتري مي باشند «نانولوله» نام گرفته اند. يعني ما با اتصال دونقطه ي يك صفحة گرافيتي به هم، لوله‌اي را به دست آورده‌ايم كه قطر فضاي خالي داخلي آن چند ميلياردم يك متر است. (اگر طول يك متر را به يك ميليارد قسمت تقسيم كنيم، ضخامتي معادل يك نانومتر به دست مي‌آيد)
خواص نانولوله‌ها
هريك از سه نوع نانولوله، به خاطر آرايش اتمي خاصي خود،‌ داراي خواصي مي‌باشند كه در اينجا به چند ويژگي مشترك بين آنها اشاره مي‌كنيم: 
1. خواص مكانيكي 
نانولوله‌ها داراي پيوندهاي محكمي در بين اتم‌هايشان مي باشند وبه همين علت در برابر نيروهاي کششي مقاومت واستحکام زيادي از خود نشان مي دهند. به عنوان مثال نيروي لازم براي شکستن يک نانولوله ي کربني چند برابر نيرويي است که براي شکستن يک قطعه فولاد ـ با ضخامتي معادل يک نانو لوله ـ احتياج داريم. 
اما جالب است که بدانيم پيوندهاي بين اتمي در نانولوله‌ها علاوه بر ايجاداستحكام بالا، شكل‌پذيري آسان و حتي پيچش را درآنها ميسر مي سازد! در حالي که فولاد تنها دربرابر نيروهاي كششي داراي مقاومت است و براي پيچش انعطاف پذيري لازم را ندارد. 
در بررسي كاربرد نانولوله‌ها و به کار گيري خواص آنها ، مي توانيم به استفاده از اين ترکيبات به عنوان «رشته» در مواد مركب،اشاره كنيم؛ به چنين موادي «كامپوزيت» مي‌گويند. ملموس‌ترين مثال كامپوزيت «کاه‌گِل» است. كاه‌گِل مخلوطي از «کاه» و «گِل» است که در آن، كاه به عنوان رشته‌هايي كه استحكام و انعطاف‌پذيري بهتري نسبت به گل دارد، پراكنده شده است تا مانع از ترك‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمينه» مي ناميم. نانولوله ها نيز چون استحكام و شكل‌پذيري خوبي دارند، ‌در مواد مركب با زمينه‌هاي فلزي، پليمري و سراميكي استفاده مي‌شوند. اما مهم‌ترين فاكتوري که كه باعث برگزيدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزيت) شده است، وزن كم آن است ، در حالي که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترين موارد استفادة چنين مواد مركبي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
بدنة هواپيما و هليكوپتر، زه راكت‌هاي تنيس و ... 
2. خواص فيزيكي 
مهم‌ترين خاصيت فيزيكي نانولوله‌ها،«هدايت الكتريكي» آنهاست. هدايت الكتريكي نانولوله‌ها بسته به زاويه و نوع پيوندها، از دسته‌اي به دستة ديگر كاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جايگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتي كه يك الكترون (يا بار الكتريكي) وارد مجموعه اي از اتم ها مي‌شود، ارتعاش اتم‌ها بيشتر شده و در اثر برخورد با يکديگر بار الكتريكي وارد شده را انتقال مي‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بيشتر باشد، هدايت الكتريكي آن دسته از نانولوله‌ها بيشتر خواهد بود. تقسيم بندي ابتداي متن بر اساس نظم اتمهاي کربن در نانولوله و در نتيجه رسانايي آنها‌ انجام شده است؛ براي مثال نانولوله نوع صندلي 1000 بار از مس رساناتر است، در حالي که نوع زيگزاگ و نوع نامتقارن نيمه رسانا هستند. خاصيت نيمه رسانايي نانولوله ها بسته به نوع آنها تغيير مي کند.
* خواص فوق‌العادة نانولوله‌ها و روشهاي پيچيده توليد آنها باعث شده است که قيمت هرگرم از اين ماده حدود چندصد دلار باشد.

منبع: باشگاه نانو

کاتالیست ها

اساسآ کاتاليزور به عنوان يک ترکيب شيميايي در نظر گرفته مي شود که قادر به اعمال اثر تسريع کنندگي و اثر جهت دهندگي بر پيشرفت واکنشي باشد که از نظر ترموديناميکي امکان پذير است. هنگامي که کاتاليزور به صورت محلول در محيط واکنشي است "کاتاليزور همگن" و وقتي که کاتاليزور فازي مجزا از فاز واکنش تشکيل ميدهد "کاتاليزور ناهمگن" ناميده مي شود.
در اکثر موارد کاتاليزور ناهمگن، کاتاليزور جامدي است که از تماس با آن واکنش گرهاي گازي يا مايع، متحول مي شوند و در نتيجه خيلي اوقات عبارت "کاتاليست" براي ناميدن کاتاليزور ناهمگن به کار مي رود .

بطور کلي کاتاليستها به سه دسته تقسيم مي شوند:
1- کاتاليستهاي فلزي، از قبيل Fe، Co، Ni، Rh، Pt و غيره.
2- کاتاليستهاي عايق، از قبيل سيليکا، آلومينا، زئوليتها و آلوميناي فعال شده. (اين نوع کاتاليستها نسبت به آمونياک و بازهاي الي حساس هستند.)
3- کاتاليستهاي نيمه هادي، از قبيل اکسيدهاي فلزي و سولفيدها.

غيرفعال شدن کاتاليستها 
کاتاليستها تحت سه پديده غير فعال مي شوند که عبارتند از :
1- Fouling
2- Sintering
3- Poisoning

Fouling : يک پديده فيزيکي است که در ان Active Site و یا تمام سطح نگه دارنده کاتالیست، توسط کک یا رسوبهای غیرالی پوشیده می شود. دز این حالت احیا و یا بازیابی کاتالیست با روشهای نسبتآ ساده انجام می شود.

ُSintering : یک فرآیند حرارتی است که در نتیجه آن سطح کاتالیست شکل اصلی خود را از دیدگاه میکروسکوپی از دست می دهد. پدیده Sintering معمولآ در درجه حرارتهای بالای C 650- 500 به سرعت رخ میدهد، ولی در درجه حرارتهای پایین نیز در مدت طولانی مشاهده می شود.

Poisoning : مسموم شدن یا ترکیب شیمیایی سطح کاتالیست با ترکیب ناخواسته است که در نتیجه وجود ناخالصیها در ترکیب شونده ها رخ میدهد. به دلیل واکنش شیمیایی ناخالصیهای ترکیب شونده ها با سطح کاتالیست، فعالیت آن به صورت عمده کاهش می یابد.

واکنشهای کاتالیزوری جامد
این واکنشها دوفازی هستند که کاتالیست فاز جامد، و ترکیب شونده ها و محصولات، فاز سیال می باشند. اصولآ واکنشهای کاتالیزوری شامل شکسته شدن یا سنتز مولکولها است و معمولآ این واکنشها انرژی اکتیواسیون بالایی دارند و در نتیجه بدون وجود یک ماده تسریع کننده، انجام واکنش ممکن نیست. مانند تولید امونیاک. (بعضی کاتالیستها سرعت واکنش را کند می کنند یعنی Inhibitors)

یکی از مهمترین خواصی که باید کاتالیستها داشته باشند، مسئله انتخاب پذیری (Selecting) آنهاست. یعنی کاتالیستها بین صدها واکنش که ممکن است صورت گیرد، فعل وانفعالی که ما می خواهیم را تسریع کند و معمولآ واکنشها و کاتالیستهای حیاتی، صددرصد چنین وضعیتی را دارند، مثل آنزیمها.
در بعضی موارد انتخاب کاتالیزور مبنای علمی دارد. اگر واکنش هیدروژناسیون باشد از Pt استفاده می شود، اگر اکسید کنندگی باشد از مولیبدن، اهن، نقره و... استفاده می شود و در خیلی از موارد انتخاب کاتالیزور به صورت حدس و خطاست.

کاتالسیتهای جامد از مراکز فعالی (Active Site) تشکیل شده اند که این مراکز هم روی سطح خارجی هستند و اگر متخلخل باشند، در داخل تخلخل هم هست. وقتی مولکولها به نقاط فعال نزدیک می شوند، طبق یک تئوری مولکولی جذب سطحی مراکز فعال می شود و به صورت یک ماده واسطه درمی اید. در تئوری دیگر، مولکولها تحت تأثیر نقاط فعال قرار می گیرند ولی جذب نمی شوند (تحت تأثیر نیروها هستند) و تحرکشان کم می شود و انرژیشان تغییر می کند و به صورت یک ماده واسطه در می آیند. در تئوری دیگر، ماده جذب مراکز فعال می شود، تبدیل به ماده واسطه شده و به صورت یک ریشه آزاد وارد فاز سیال شده و واکنش انجام می گیرد. در تئوری اول و دوم فعل و انفعال در حوالی نقاط فعال صورت می گیرد و در تئوری سوم واکنش در توده سیال صورت می پذیرد.

اگر کاتالیزور ارزان باشد، در انها تخلخل ایجاد می کنیم (مدل فشار، اکسترود، یا رسوب دادن) و اگر ماده گرانبها باشد مثل Pt، از یک پایه برای کاتالیست استفاده می کنیم، مثل سیلیکاتها یا مواد سرامیکی.(این مواد را به صورت متخلخل تهیه کرده و بعد کاتالیزور گرانبها را روی این پایه رسوب می دهیم. مثل ابکاری به صورت یک لایه نازک)
علت اینکه تئوری (Active Site) وارد شده، این است که اگر ماده ای به صورت کاتالیست داشته باشیم، مثلآ (%70 Fe2O3) و (%30 MgO)، چنانچه در تهیه این مواد رعایت دستورالعمل را نکنیم، کاتالیست همین ماده را دارد، ولی خاصیت کاتالیستی ندارد. اگر کاتالیست تهیه شده کاملآ خاصیت لازم را داشته باشد و بخواهیم گرم و سریعآ سرد کنیم، بیشتر نقاط فعال از بین می روند ولی جنس ماده همان است. پس نقاط فعال یک خصوصیت فیزیکی هستند که می توانند به وجود ایند یا از بین بروند.

مشخصات اصلی کاتالیستها
1- در طی واکنش، کاتالیست بدون تغییر باقی می ماند وتنها سرعت واکنش را افزایش می دهد.
2- هنگامی که سازوکارهای متعددی برای انجام واکنش موجود باشند، کاتالیست بایستی خاصیت انتخاب پذیری داشته باشد. در اصل بایستی کاتالیست نسبت تولید ماده مطلوب را نسبت به ماده ناخواسته افزایش دهد.
3- سرعت واکنش متناسب با غلظت کاتالیست است و برای واکنشهای گاز-جامد، سطح کاتالیست وسطوح فعال بسیار مهم است.
4- در یک واکنش برگشت پذیر کاتالیست به همان نسبت که سرعت واکنش رفت را افزایش می دهد، بر سرعت واکنش برگشت هم مؤثر است. بنابراین ترکیبی درصد تعادلی سیستم چه در حضور کاتالیست و چه بدون آن یکسان است.
5- در واکنشهای اتوکاتالیستی مقدار کمی از محصول بایستی در ابتدا وجود داشته باشد.

 

دی اکسید کربن محلول ، PH ، قلیائیت ، سختی

دی اکسید کربن محلول ، PH ، قلیائیت ، سختی

تعداد صفحات مقاله: ۱۹ صقحه

حجم فایل: ۶۲۳ کیلو بایت

پسورد: chemistmag.com

دریافت فایل