شرائط الجرافين النانوية داخل أنابيب الكربون النانوية

اكتشف فيزيائيون من جامعات في السويد وفنلندا طريقة فعالة لتصنيع شرائط الجرافين النانوية مباشرة داخل أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار

اكتشف فيزيائيون من جامعات في السويد وفنلندا طريقة فعالة لتجميع شرائط الجرافين النانوية مباشرة داخل أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار.
وقد نشرت النتائج مؤخرا في المجلة العلمية Nano Letters.

تتمتع مادة الجرافين، وهي طبقة أحادية الذرة من الكربون النظيف، بمجموعة واسعة من الخصائص غير العادية والرائعة بشكل خاص. كموصل للكهرباء، تؤدي هذه المادة نشاطها مثل النحاس. وباعتباره موصلًا للحرارة، فإنه يؤدي نشاطه بشكل أفضل من جميع المواد المعروفة الأخرى. يمكن تحقيق تغييرات كبيرة في خصائص الجرافين من خلال تحضيره على شكل شرائح ذات سماكات متغيرة، تُعرف باسم الشرائح النانوية. أصبحت هذه الشرائح النانوية الآن موضع اهتمام عملي في مجالات الفيزياء باعتبارها مادة واعدة بشكل خاص في تطوير المكونات الإلكترونية والخلايا الشمسية والعديد من المنتجات الأخرى. ومع ذلك، فإن صنع هذه الأشرطة النانوية لم يكن سهلاً على الإطلاق.

اكتشف فريق مشترك من علماء الفيزياء من السويد وفنلندا بقيادة البروفيسور ألكسندر تاليزين طريقة لاستخدام المساحات الفارغة داخل أنابيب الكربون النانوية كمفاعل كيميائي أحادي البعد لصنع الجرافين المغلف. ومن السمات الرائعة لهذا الفضاء أن التفاعلات الكيميائية المختلفة تحدث داخله مقارنة بالظروف ثلاثية الأبعاد في وسط عادي.
"لقد استخدمنا مادتي الكورونين والبيريلين، وهي جزيئات عضوية طويلة، كعناصر بناء لتحضير شرائح الجرافين النانوية الضيقة والمطولة داخل الأنابيب. إن فكرة استخدام هذه الجزيئات كوحدات بناء لتخليق الجرافين كانت مبنية على أبحاثنا السابقة"، يشير الباحث الرئيسي.

اكتشفنا في بحثنا أن جزيئات الكورونين قادرة على التفاعل مع بعضها البعض في ظل ظروف معينة لتكوين ثنايا وقواطع وهياكل أطول في شكل مسحوقها. أشارت النتائج إلى إمكانية استخدام جزيئات الكورونين لتحضير الجرافين، لكن كان من الضروري تثبيتها على مستوى مشترك حتى يحدث التفاعل المطلوب. يبدو أن الفضاء الداخلي لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار هو المكان المثالي لإجبار الجزيئات على ترتيب نفسها في الشكل "من طرف إلى طرف" الضروري جدًا لتفاعل البلمرة.

وفي الدراسة الجديدة، أظهر العلماء أن هذا ممكن بالفعل. عندما نظر الباحثون إلى العينات الأولى من خلال المجهر الإلكتروني، توصلوا إلى اكتشاف مثير: جميع الأنابيب النانوية كانت مملوءة بأشرطة الجرافين النانوية. "إن نجاح التجارب يعتمد أيضًا إلى حد كبير على اختيار الأنابيب النانوية المعينة. يقول الباحث الرئيسي: "تم توفير الأنابيب النانوية ذات القطر المناسب والجودة العالية لنا من قبل زملائنا في جامعة آلتو".

وفي الخطوة التالية، وجد الباحثون أن شكل شرائط الجرافين النانوية المحبوسة في الأنابيب يمكن تغييره من خلال استخدام أنواع مختلفة من الهيدروكربونات العطرية. تختلف خصائص الشرائح النانوية كثيرًا وتعتمد على شكلها وسمكها. على سبيل المثال، يمكن أن تكون الأشرطة النانوية معدنية أو شبه موصلة اعتمادًا على سمكها ونوعها. ومن المثير للاهتمام أن الأنابيب النانوية نفسها يمكن أن تكون معدنية، أو شبه موصلة، أو عازلة اعتمادًا على قطرها.

"تؤدي هذه القدرة إلى إمكانات هائلة لتطوير مجموعة واسعة من التطبيقات. "في المستقبل، سنكون قادرين على إعداد مواد هجينة تجمع بين الجرافين والأنابيب النانوية في جميع التركيبات الممكنة"، يوضح الباحث.

على سبيل المثال، تشكل الشرائط النانوية المعدنية الموجودة داخل الأنابيب النانوية العازلة كهربائيًا أسلاكًا معزولة بالغة الصغر. سيكون من الممكن استخدامها مباشرة داخل الأنابيب النانوية لإنتاج الضوء، بحيث نحصل على المصابيح النانوية. يمكن استخدام الشرائح النانوية شبه الموصلة لتطوير الترانزستورات أو الخلايا الشمسية، ويمكن لمجموعة من الهياكل المعدنية أن تشكل نوعًا جديدًا تمامًا من الكابلات النانوية - موصل كهربائي يمكن استخدامه، على سبيل المثال، في نقل إشارات الراديو.

الطريقة الجديدة لتصنيع المواد الهجينة بسيطة، وقابلة للتطوير بسهولة، وتسمح بمستوى ملء الأنابيب في الشرائح النانوية بنسبة 100٪ تقريبًا. وأظهرت عمليات المحاكاة النظرية أيضًا أن شرائح الجرافين النانوية تحتفظ بخصائصها الفريدة داخل الأنابيب النانوية لأنها محمية من بيئتها الخارجية.

"تبدو المادة الجديدة واعدة بشكل خاص، ولكن لا يزال يتعين علينا إجراء أبحاث واسعة النطاق في مجالات الفيزياء والكيمياء المتعلقة بها. تركيب المادة هو مجرد البداية. ويوضح الباحث الرئيسي: "نحن الآن مهتمون بدراسة خصائصها الكهربائية والمغناطيسية والكيميائية وفهم كيفية استخدام المواد الهجينة في التطبيقات العملية".

أخبار الدراسة