راه طولانی نانولوله‌های کربنی برای تحول جهان

اینکه چه زمانی قرار است این رشته های سبک، قدرتمند و میکروسکوپی جهان را تغییر دهند نامشخص است اما در ادامه چند شیوه جدید که محققان از این نانو لوله ها استفاده می کنند تا جهان را به مکانی شگفت انگیزتر تبدیل کنند، معرفی می شوند:

کارایی حقیقی نانولوله های کربنی

اگر در یک سیستم رایانه ای یک کابل مسی نتواند الکترونها را انتقال دهد کل سیستم از کار خواهد افتاد. در حالی که بیشتر مطالعات بر روی تولید نانولوله های کربنی متمرکز شده که کم هزینه و کارآمد هستند، محققان در موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی یا NIST در حال اکتشاف بر روی کاربردهای واقعی نانولوله های کربنی هستند.

با کوچکتر شدن روز به روز الکترونیکها، تولید کنندگان در جستجوی شیوه هایی برای بهبود گنجایش آنها برای گنجاندن تجهیزات مورد نیاز هستند و به نظر می آید نانولوله ها بهترین راهکار برای مینیاتوری کردن اتصالات میان رایانه ها باشند. علاوه بر ابعاد کوچک این نانولوله ها، از کارایی بسیار زیادی برخوردارند و به صورت نظری می توانند هزار برابر رساناهای رایج فلزی جریان الکتریکی را انتقال دهند.

تصور نانو لوله های کربنی در حالی که در آینده ای نه چندان دور درون الکترونیکهای مصرفی جایگزین کابلهای مسی شده اند کار چندان دشواری نیست. با این همه توماس ادیسون نیز در زمان خود و در حالی که بر روی ساخت لامپ کار می کرد از رشته های کربنی استفاده کرد، رشته هایی که ابعاد نانویی نداشتند و به سرعت در آزمایشها سوخته می شدند، مشکلی که دانشمندان امروزی نیز باید برای برطرف کردن آن راهکاری بیاندیشند.

محققان بر این باورند که باید سطح مشترک نانولوله ها با دیگر فلزات به دقت مورد بررسی قرار گیرد. اکتشافات جدید در این زمینه می تواند منجر به مقرون به صرفه شدن و امکان پذیرشدن تولید انبوه نانولوله ها شده و سرعت جایگزینی آنها را درون الکترونیکهای مصرفی بالا ببرد.

متاسفانه جایگزینی کابلهای مسی توسط این نانولوله های کربنی در یک تراشه امیدوار کننده نبود زیرا الکترودهای فلزی تراشه زمانی که جریان از سطحی بالاتر رفت، مختل شدند و مدار طی 40 ساعت از کار افتاد. به گفته محققان NIST شاید این نانو رشته ها برای جایگزینی سیمهای مسی در ابزارهای مختلف کارامد نباشند، اما به طور حتم در ساخت ابزارها و نمایشگرهای قابل انعطاف کاربردی خواهند بود.

ترانزیستورها

نانولوله‌ها در آستانه كاربرد در ترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می‌شوند. بسیاری از طراحان دستگاه‌ها تمایل دارند به پیشرفت‌هایی دست یابند كه آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاه‌ها در فضای كوچك تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله‌ها دارای آستانه می‌باشند (یعنی سیگنال باید از یك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشكار كند) كه می‌توانند سیگنال‌های الكتریكی زیر آستانه را در شرایط اختلال الكتریكی یا نویزآشكار و ردیابی نمایند. همچنین از آنجایی كه ضریب تحرك، شاخص حساسیت یك ترانزیستور برای كشف بار یا شناسایی مولكول مجاور می‌باشد، لذا ضریب تحرك مشخص می‌كند كه قطعه تا چه حد می‌تواند خوب كار كند. ضریب تحرك تعیین می‌كند كه بارها در یك قطعه چقدر سریع حركت می‌كنند و این نیز سرعت‌ نهایی یك ترانزیستور را تعیین می‌نماید.

لذا اهمیت استفاده از نانولوله‌ها و تولید ترانزیستورهای نانولوله‌ای با داشتن ضریب تحرك برابر با 100 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیكون با ضریب تحرك 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرك 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می‌شود.

حسگرها

حسگرها ابزارهایی هستند كه تحت شرایط خاص، از خود واكنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای كه بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الكترونیكی و تحولات عظیمی كه در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، كوچك تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.

حسگرهایی كه امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند،‌ دارای حساسیت بالایی هستند به طوری كه به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت،‌ بهره و دقت این حسگرها نیاز به كشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر فناوری نانو، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یكی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها می‌توان،‌ هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مكانیكی ساخت. به خاطر كوچك و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واكنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای كه حتی به چند اتم از یك گاز نیز واكنش نشان خواهند داد.

تحقیقات نشان می‌دهد كه نانولوله‌ها به نوع گازی كه جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الكتریكی خارجی،‌ قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانولوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است كه نانولوله‌های كربنی به تغییر شكل مكانیكی از قبیل كشش حساس هستند. گاف انرژی نانولوله‌های كربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شكل‌ها می‌تواند تغییر كند. همچنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانولوله‌های كربنی و سیستم، نانولوله‌های كربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه كاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد بكارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مكانیكی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.

نانولوله های کربنی جایگزین حسگرهای زیستی

حسگرهای زیستی از الکترودهای پوشیده شده از آنزیمهایی خاص، برای احساس ترکیباتی ویژه استفاده می کند. زمانی که ترکیبات واکنش آنزیم را دریافت می کنند سیگنالهای قابل محاسبه الکتریکی از خود ایجاد می کنند. نانولوله ها می توانند این میدان مطالعاتی را متحول کنند همانطور که دانشمندان در دانشگاه پوردو در حال مطالعه بر روی کاربرد نانولوله ها به عنوان حسگرهای زیستی هستند.

محققان برای اینکار باید ابتدا نانولوله ها را با آب سازگار سازند و از این رو محققان DNA ترکیبی را ایجاد کرده اند که درون مایع به نانولوله ها متصل می شود. به گفته دانشمندان دانشگاه پوردو در آینده می توان توالی از DNA را به وجود آورد که مکمل نانولوله ها بوده و می تواند جایگزین آنزیمها در حسگرهای زیستی شوند.

نمایشگرهای گسیل میدانی

بسیاری از متخصصان بر این باورند كه فناوری نمایشگرهای با صفحه  تخت امروزی از نظر هزینه، كیفیت و اندازه صفحه نمایش، برای مصارف خانگی مناسب نیستند. آن ها معتقدند كه با استفاده از نمایشگرهایی كه از نانولوله‌های كربنی به عنوان منبع انتشار استفاده می‌كنند، می توانند این مشكلات را بر طرف ‌كنند .

نانولوله‌های كربنی می‌توانند عنوان بهترین گسیل كننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الكترونی با راندمان وكارایی بالاتری تولید كنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولوله‌ها، تولیدكنندگان را قادر به تولید نوعی جدید از صفحه نمایش‌های تخت خواهد ساخت كه ضخامت آن ها به اندازه چند اینچ بوده و نسبت به فناوری‌های فعلی از قیمت مناسب‌تری برخوردار باشد. به علاوه كیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.

در پدیده گسیل میدانی، الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك از فیلم‌های ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن می‌شوند. هر نقطه از این فیلم، یك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكترونی) كوچك است كه تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد می‌كند. ولتاژ لازم برای نمایشگر گسیل میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متكی بر نانولوله‌ نسبت به آنچه به صورت سنتی در روش اشعه كاتدی استفاده می‌شد، كمتر می‌باشد و این نانولوله‌ها با ولتاژ كمتر، نور بیشتری تولید می‌كنند.

حافظه‌های نانولوله‌ای

به دلیل كوچكی بسیار زیاد نانولوله‌های كربنی ‌(كه در حد مولكولی است)، اگر هر نانولوله‌ بتواند تنها یك بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظه‌هایی كه از این نانولوله‌ها ساخته می‌شوند می‌توانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب، بسیاری از محققان در حال كار بر روی ساخت حافظه‌های نانولوله‌ای می‌باشند؛ بنابراین رؤیای ساخت رایانه‌های با سرعت بالا عملی خواهد شد.

از كاربردهای دیگر نانو لوله ها می توان به امكان ذخیره هیدروژن در پیل‌های سوختی، افزایش ظرفیت باتری‌ها و پیل‌های سوختی، افزایش راندمان پیل‌های خورشیدی، جلیقه‌های ضدگلوله سبك و مستحكم، كابل‌های ابررسانا یا رسانای سبك، رنگ‌های رسانا،‌ روكش‌‌های كامپوزیتی ضد رادار، حصار حفاظتی الكترومغناطیسی در تجهیزات الكترونیكی، پلیمرهای رسانا، فیبرهای بسیار مقاوم، پارچه های با قابلیت ذخیره انرژی الكتریكی جهت راه اندازی ادوات الكتریكی، ماهیچه‌های مصنوعی با قدرت تولید نیروی 100 مرتبه بیشتر از ماهیچه‌های طبیعی، صنایع نساجی، افزایش كارایی سرامیك‌ها، مواد پلاستیكی مستحكم، تشخیص گلوكز، محلولی برای اتصال درونی تراشه‌های بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازنده‌های فوق سریع، كمك به درمان آسیب‌دیدگی مغز، دارورسانی به سلول‌های آسیب دیده، از بین بردن تومورهای سرطانی، تجزیه هیدروژن، ژن‌درمانی، تصویربرداری، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهای شیمیایی ، SET و LED، پیل‌های خورشیدی و نهایتاً LSI اشاره كرد. البته در چند مورد اخیر بیشتر از نوع تك جداره آن استفاده می‌شود.

نانولوله های کربنی با این گستره كاربردها می‌تواند در آینده‌ای نه چندان دور بازار بزرگی را به خود اختصاص داده و زندگی بشر را تحت تأثیر خود قرار دهد.