گروهی از دانشمندان با مطالعه نانولوله‌های دو لایه یا چند لایه دریافته‌اند که دیواره‌های خارجی باعث می‌شوند که دیواره‌های درونی با محیط برهمکنش نداشته باشند. آن‌ها توانسته‌اند با استفاده از طیف‌سنجی رامان تشدیدی، بعضی از مهمترین‌های ویژگی‌های فیزیکی چنین نانولوله‌هایی را اندازه‌گیری کنند.

در نانولوله‌های کربنی (CNT) با دیواره‌های دو یا سه لایه، دیواره‌های بیرونی بخش داخلی لوله را از برهمکنش با محیط آن محافظت می‌کنند. این یافته کلیدی پژوهشگرانی در ایالات متحده، آلمان و ژاپن است که اولین وارسی آزمایشگاهی را از نانولوله‌های سه لایه با طیف‌سنجی رامان تشدیدی انجام داده‌اند. محافظت از سوی لایه خارجی اجازه می‌دهد تا لوله‌های بسیار کوچک را دقیق‌تر از قبل مطالعه کرد و به‌زودی از CNTها برای ساخت فناوری های نوین استفاده کرد.

یک نانولوله کربنی تک لایه (SWCNT) یادآور نی بسیار ریزی است که دیواره آن تنها یک اتم کربن ضخامت دارد. نانولوله کربنی دولایه (DWCNT) دارای دو SWCNT هم‌مرکز است که با برهمکنش‌های ضعیف واندروالس به یکدیگر چسبیده‌اند. لوله‌های درونی و بیرونی می‌توانند شبه‌رسانا یا فلز باشند. هرچند بدین خاطر که لوله خارجی با محیط خود در تماس مستقیم است، کسب اطلاعات دقیق از ویژگی‌های بنیادی فیزیکی دشوار است.

دیوار سوم از دیوار دوم حفاظت می‌کند

برای به دست آوردن درک بهتری از لوله بیرونی DWCNT، توماس هیرشمن (Thomas Hirschmann) و پائولو آرائوجو (Paulo Araujo) در MIT و همکارانشان، نانولوله‌های کربنی سه لایه (TWCNT) منفرد و متصل را مطالعه کردند. TWCNT را می‌توان یک DWCNT در نظر گرفت که دور SWCNT را پوشانده است. پژوهشگران دریافتند که لوله خارجی اضافی باعث می‌شود دو لایه داخلی با محیط برهمکنش نداشته باشند و بنابراین دقیق‌تر مطالعه شوند. TWCNT بازشده را می‌توان یک روبان گرافینی سه لایه فرض کرد و تمام ویژگی‌های برجسته الکترونیکی و مکانیکی این نوع کربن را دارد.

گروه را میلدرد درسلهاوس (Mildred Dresselhaus) هدایت کرد و شامل دانشمندانی از دانشگاه هامبورگ، دانشگاه فناوری ناگااوکا و دانشگاه شینشو بود. پژوهشگران از طیف‌سنج رامان حساس بسیار سریعی استفاده کردند که بدان‌ها اجازه داد تا TWCNT منفرد را با خطوط لیزری متفاوت تحت شرایط تجربی مشابه مطالعه کنند.  هیرشمن گفت: «تنها گروه‌های اندکی در دنیا مجهز به وسیله‌ای هستند که بتواند CNTهای منفرد را به این طریق مشخص کنند.»

اندازه‌گیری‌های دیوار به دیوار

او توضیح داد: «تحلیل‌ها به ما اجازه داد تا ویژگی‌های بنیادی همانند جفت‌شدگی مکانیکی درون لوله‌ای، فاصله دیوار تا دیوار (WtW)، فلزیت و برهمکنش‌های درون لوله‌ای وابسته به خمش را مطالعه کنیم. چنین آگاهی اهمیتی اساسی برای کاربردهای فناوری دارد که این نانوساختارها استفاده می‌کند.»

پژوهشگران ۵ TWCNT مجزا را با جزییات مشخص کردند و دریافتند که فاصله WtW بین دو لوله داخلی در همه نمونه‌ها بین ۰.۳۲۳ تا ۰.۳۳۷ نانومتر است. این مقادیر بزرگتر از فاصله WtW مشاهده‌شده در مطالعات قبلی DWCNT (۰.۲۸۴-۰.۳۲۳ نانومتر) هستند. همچنین فواصل به فاصله بین‌لایه‌ای در گرافین نزدیکترند (۰.۳۳۵ نانومتر).

هیرشمن می‌افزاید: «همچنین یافتیم که برهمکنش‌های درون لوله بر نانولوله‌های میانی – به خاطر فلزیتی که دارند –  اثر متفاوتی دارد و برهمکنش جفت‌شدگی گریزان مکانیکی بین «مد تنفسی شعاعی» یا RBM در نانولوله‌های هم‌مرکز حتی برای فواصل نسبتا کوچک WtW ۰.۳۲۳ نانومتر وجود ندارد. این یافته مهمی است و نشان می‌دهد که اگرچه TWCNT سامانه‌ای ترکیبی است، خود لوله‌ها اکثرا مستقل از همند.»

فراوانی اطلاعات

RBM مهمترین اثر طیف‌سنجی یک CNT است و بسامد ارتعاش آن متناسب با معکوس قطر لوله است. همین ویژگی رامان مرتبه اول است که اطلاعات فراوانی درباره ساختار الکتریکی و ارتعاشی این نانومواد دربردارد.

آرائوجو گفت: «تحلیل‌های ما نیروهای واندروالس میانجی را در برهمکنش‌ CNTهای منظم هم‌مرکز مانند DWCNT و TWCNT روشن‌تر می‌کنند. این برهمکنش‌های کم انرژی برای کاربردهای فناوری مهم هستند زیرا بر ویژگی‌های الکترونیکی و ارتعاشی لوله‌ها اثر می‌گذارند.»

گروه اکنون مشغول تحلیل پدیده پوشش و اثرات برهمکنش درون لوله‌ای در سامانه‌های کربن-نانولوله چنددیواری است. در این جا، برهمکنش‌های درون لوله‌ای نه تنها بر RBMهای اندازه‌گیری شده را متاثر می‌کند، بلکه ویژگی‌های رامان دیگر را نیز تغییر می‌دهد. هیرشمن ذکر می‌کند: «یکی از اهداف اصلی ما یافتن شرایط بهتری است که با کنترل برهمکنش بین دیوارهای نانولوله، CNTها رشد کنند. در انتها به دنبال آنیم که با یونگ آهم کیم (Yoong Ahm Kim) و همکارانشان در دانشگاه شینشو همکاری کنیم که متخصص سنتز این نانومواد هستند.»

منبع: Scientists delve deeper into carbon nanotubes

مرجع: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn3055708