همانطور که میدانید، اتمهای کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت دارند و پایه و اساس فناوریهای مختلفی هستند. این اتمها علاوه بر ترکیب شدن با عناصر دیگر، میتوانند با اتمهای کربن نیز پیوند دهند. اتمهای کربن از نظر ترتيب پر شدن اوربیتالها، دارای ساختار الکترونی 1s22s22p2 هستند. بنابراین چهار الکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتمها مهیا میسازد. پیوندهایی که این اتمها تشکیل میدهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده میشود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد میکند. این اتمها در ساختار الماس چهار پیوند یگانهی کوالانس ایجاد میکنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند میدهد. بنابراین از تمام 4 ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. در ساختار گرافیت، نانولوله و فولرن نیز پیوندهای یگانهای بین اتمهای کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند میدهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها اتم کربن یکی از ظرفیتهای خود را مصرف نمی‌کند. اين ظرفيت خالی که در واقع يک الکترون اضافی است، به شکل یک پیوند آزاد در خارج از صفحهای که دیگر اتمها در آن قرار دارند، قرار میگیرد. این پیوند آزاد یا معلق میتواند در شرایطی با گروههای عاملی یا دیگر اتمهای رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثير بسياری بر خواص مواد می‌گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولولههای کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوهی چینش اتمها در ساختار نانولوله، تعداد دیوارهها، نقصهای ساختاری و گروههای عاملی موجود بر روی نانولوله از جمله خواص فيزيکی و شيميايي هستند که در تعیین خواص نقش دارند. در این مقاله و مقالهی بعدی به نحوهی چینش اتمها در نانولولههای کربنی میپردازیم. برای این منظور نانولولههای کربنی را بر اساس ظاهر فیزیکی دستهبندی میکنیم. این قبیل دستهبندیها، موجب سهولت بررسی این مواد میگردد.
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمیآید، یک استوانهی تو خالی با قطری در حد نانومتر است. طول هر نانولوله میتواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولولهی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیوارهی آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتمهای کربن به نام گرافن به دست میآید. در این مقاله برای بررسی شکل ظاهری نانولولهها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز میکنیم.
گرافن
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتمهای کربن تشکیل میشوند. در يک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با 120° است. در این حالت، اتمهای کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکهای از شش ضلعیهای منتظم را ایجاد میکنند (شکل 1). البته این ایدهآلترین حالت یک صفحهی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونهای تغییر میکند که در آن پنجضلعیها و هفتضلعیهایی نيز ایجاد میشود.
شکل 1- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتمهای کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شدهاند.
در يک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروههای عاملی و هم چنین اتمهای هیدروژن است. پیوند بین اتمهای کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار میرود که نانولولههای کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک مادهی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایههای گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل میشود. اما همانطور که میدانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟
*
*
*
*
آنچه لایههای گرافن را روی یکدیگر نگه میدارد، پیوندهای واندروالس بین آنهاست. این پیوند بسیار ضعیف است. بنابراین لایههای گرافن به راحتی میتوانند روی هم بلغزند و به همين دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
گرافن، به عنوان يک لایهی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولولههای کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولولههای کربنی مستقیما به شکل ظاهری آنها بستگی دارد که در آينده به آن اشاره خواهيم كرد.
صفحهی مختصات گرافنی:
صفحهی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را میشناسید. این صفحه، شبکهای است که از مربعهایی با طول و عرض واحد تشکیل شده است. در این صفحه دو بردار یکهی i و j هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آنها میتوان از نقطهی مبدا به هر نقطهی دیگری مثل (nوm) رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل k=mi+nj امکان پذیر میگردد.
شکل 2- صفحهی مختصات دکارتی؛ بردارهای یکهی i و j هم اندازه و بر یکدیگر عمود هستند.
دستگاه مختصات کارتزین، يك دستگاه دو بعدي است كه در آن دو بردار یکهی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاههای مختصات به این شکل نیستند. بلکه میتوان دستگاه هایی را تعریف کرد که در آن اندازهی بردارهای یکه نابرابر و زاویهی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحهی مختصات گرافنی. برای توصیف نانولولههای کربنی ما به يك صفحهي دو بعدي متشکل از ششضلعیهای منتظم احتياج داريم (صفحهی مختصات گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتمهای کربن (به ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.
در این صفحهیِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکهی هم اندازهی i و j را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، تعریف میکنیم. زاویهی بین این دو بردار برابر با 60° است. برای حرکت روی این صفحه میتوانیم بردار C=mi+nj را تعریف نماییم. این بردار را بردار کایرال مینامیم (بعدها می‌گوييم که چگونه میتوانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کرده‌ايم.
شکل 3- بردارهای یکهی i و j در صفحهی مختصات گرافنی
شکل 4- بردارهاي كايرال c=4i+2j و c=i+3j در صفحهي مختصات گرافني
همچنين ميتوانيم زاويهي بين بردار كايرال و محور متناظر با بردار يكهي i را به عنوان زاويه كايرال كه مشخصهي راستاي بردار كايرال است در نظر بگيريم. اين زاويه در شكل 5 نشان داده شده است. همانطور كه در آينده خواهيم ديد، اين زاويه يكي از مشخصههاي نانولولههاي كربني ميباشد.
شکل 5- زاويهي كايرال بين بردار c=4i+3j و محور مربوط به بردار يكهي i
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند 
آمار
وبلاگ:
