إكتشاف أنابيب النانو كربون

العالم الياباني "سوميو ايجيما"، اكتشف أنابيب النانو كربون ، في سناج كاثود قوسي كان قطباه من الكربون. و قد بينت الصورة المجهرية الالكترونية ذات دقة الوضوح العالية و التي التقطها لأنابيب النانو كربون متعدد الطبقات Multi-walled carbon nanotubes أن هذا النوع الجديد من الكربون الذي ينتهي بوجود رءوس دائرية الشكل هو في الأصل إحدى اشكال الفلورينات ، التي تحدثنا عنها في اللقاء السابق:ريتشارد فاينمان و أسس تكنولوجيا النانو

كيف نميز بين الجرافيت و الماس و جزيء الكربون C60

الجرافيت:

يعد الكربون سادس العناصر من حيث الوفرة في الكون المنظور ، و قد اكتشفه الإنسان منذ آلاف السنين. و تجدر الإشارة إلى أن نحو 10 ملايين من المركبات الكيميائية يحتوي على عنصر الكربون ، و أن مئات الآلاف من هذه المركبات ضرورية للغاية في العمليات البيولوجية التي تقوم بها اجسام الكائنات الحية؛ مثل عملية البناء الضوئي، و الهضم.

و الجرافيت يعرفه معظم الناس  بأنه المادة السوداء الملساء الخفيفة المستعملة في اقلام الرصاص. و حين يكتب الطفل بأقلام الجرافيت، تسقط فتات من الجرافيت فوق سطح الورقة؛ نتيجة الاحتكاك بين سن القلم و الورقة، فيلتصق الجرافيت بالورق مكونة الحروف أو الاشكال التي يرسمها الطفل.

التركيب الهندسي لطبقات الجرافيت

كما نرى في الصورة بالاعلى، ترتبط ذرات الكربون ببعضها بالروابط التساهمية؛ حيث تستخدم كل ذرة كربون ثلاثة 3 إلكترونات في تكوين تلك الروابط التساهمية مع الذرات الثلاثة القريبة منها. و كما نرى أيضا توجد قوى جذب ' فان دير فالز' Van der Waals Forces التي تضمن التماسك بين طبقات الجرافيت، حتى يكون صلبا.

الجرافيت التجاري

يمكن تصنيع الجرافيت التجاري بمعالجة رواسب القطران الاسود المتبقي من عملية تكرير البترول ، و ذلك داخل أفران خالية من الأكسجين.

الماس Diamond

كان الماس اقوى الجزيئات المعروفة، قبل اكتشاف جزىء C60، 

كما نرى بالصورة فإن ذرات الكربون يتم ترتيبها في صورة اشكال صلبة ثلاثية الأبعاد من خلال الروابط التساهمية؛ 

حيث ترتبط ذرة الكربون الواحدة مع أربعة ذرات كربون أخرى بالروابط التساهمية. تذكر أن في الجرافيت ترتبط ذرة الكربون الواحدة مع ثلاثة ذرات فقط.

هذا الشكل البللوري ثلاثي الأبعاد يجعل الماس في غاية الصلابة، بحيث يصعب قطعه أو ثقله باستخدام الادوات الصلبة الآلية أو اي مواد أخرى .

و الماس لا ينصهر إلا في درجات الحرارة المرتفعة للغاية ؛ تصل إلى 4000 درجة مئوية، و هي درجة مرتفعة إذا علمنا أن درجة انصهار الحديد 1450 درجة مئوية فقط!. 

و يرجع سبب ارتفاع درجة انصهار الماس إلى إلروابط التساهمية القوية التي تربط بين ذرات الكربون؛ و التي لابد أن تتكسر قبل الانصهار.

و على عكس الجرافيت فإن الماس غير موصل للتيار الكهربائي؛ حيث إن جميع الالكترونات متماسكة جدا بين الذرات و لا يمكن أن تتحرك بسهولة خلال تلك المادة الصلبة.

و لكن الماس ، على عكس اللافلزات، يعتبر افضل موصل للحرارة دون أن يتمدد بدرجة كبيرة.

كذلك لا يتفاعل الماس مع الأحماض أو القواعد القوية. 

أنابيب النانو وحيدة الطبقة Single-walled carbon nanotubes

تم اكتشافها سنة 1993، عن طريق علماء شركة IBM . و هي تختلف عن أنابيب النانو الكربونية متعددة الطبقات، كما بالصورة التالية.

أوضح العلماء أن عناصر الحديد Fe و النيكل Ni و الكوبلت Co إذا تم إدخالها في انود anode ذي قوس قطبيه من الكربون؛ و ذلك لإنتاج جزيء الكربونC60، فانها ستفرز نوعاً مطاطيا من السناج على الطبقات.

  

و أظهرت الصورة المجهرية التي تم التقاطها بواسطة الميكروسكوب الالكتروني النافذ Transmission Electron Microscope و الذي يختصر إلى TEM أن السناج كان يتكون من عدة أنابيب نانو كربونية وحيدة الطبقة ذات أقطار مختلفة. و لكن هذا السناج لم يكن يحتوي على أنابيب الكربون متعددة الطبقات.

خصائص فريدة لأنابيب النانو كربون

تحتوي أنابيب النانو كربون على إعداد هائلة من ذرات الكربون ، و ذلك حسب طول تلك الأنابيب. و لها خصائص فلزية تشبه خصائص النحاس الأحمر. أيضا يمكن اعتبار تلك الأنابيب من أشباه الموصلات Semi conductors، مثل السيليكون Si المستخدم في الترانزستور. 

و أنابيب الكربون قادرة على توصيل الحرارة مثل الماس.

 و يرى العلماء أن أنابيب النانو سوف تنتج اقوى الألياف؛ حيث تتميز بقوة تحمل تزيد 100 مرة عن قدر قوة الحديد الصلب، على الرغم من أن وزنها اخف منه بنحو 6 مرات!.