تعرف أنابيب النانو الكربونية (Carbon nanotubes) التي يرمز لها اختصارا بـ (CNT) بأنها جزيئات كربون، وهي كيميائياً من عائلة الجرافيت والماس. وهذه الأنابيب الكربونية شأنها شأن جسيمات النانو الأخرى، حيث تظهر الكثير من الخواص الكهربائية، والضوئية، والميكانيكية الاستثنائية والمميزة. ومن أهم خواص هذه الجسيمات قوتها الميكانيكية العالية جدا، والتي يتوقع استخدامها استخدامًا كبيرًا جدًّا في تطبيقات إلكترونيات النانو (Nano – electronics)، مثل: الأسلاك الكمية quantum wire)) أحادية البعد (dimensional – one)، وكذلك في تقنيات تقوية مواد البوليمر.

وأنابيب الكربون النانوية بمنزلة أسطوانات فارغة في شكل أنابيب بحجم النانومتر، وتتكوّن من مجموعة ضخمة من الهياكل السداسية التي تتكون من ذرات الكربون.

كما تعد أنابيب الكربون النانوية ظاهرة فيزيائية رصدت أول مرة في عام 1991 م، في شركة (NEC) للصناعات الإلكترونية في اليابان، وذلك بواسطة العالم سوميو إيجيما (Sumio Iijima)، حينما كان يدرس الرماد الناتج عن عملية التفريغ الكهربي بين قطبين من الكربون باستخدام ميكروسكوب إلكتروني عالي الكفاءة
((High – resolution transmission electron microscope حيث لحظ ليجيما (انظر الشكل رقم 7) وجود بعض اللمعان أو البريق داخل هذا الرماد، فاعتقد أنّ الكربون تحوّل إلى ألماس، فقرر فحصه بطريقة جيدة.

استخدم سوميو إيجيما الميكروسكوب الإلكتروني في فحص الرماد، فوجد أن جزيئات الكربون في وضع غير طبيعي، حيث إنه من المفترض أن يكون ترتيب جزيئات الكربون كما هو موضح في الشكل رقم (8).

ولكنه فوجئ بشيء آخر، وهو أن جزيئات الكربون قد التفت؛ لتتصل ببعضها بعضا مكونة ما يشبه الأنبوب (انظر: الشكل رقم 9). وبعد تكرار التجربة عدة مرات ظهر بعد كل فحص أمر جديد. وكان مجمل ما توصل إليه سوميو ليجيما على النحو التالي:

1. جزيئات الكربون تأخذ ترتيبا يشبه الأنابيب.
2. أنابيب الكربون الناتجة غير متساوية في الحجم.
3. إنتاج أنابيب متعددة الطبقات (انظر الشكل رقم 10)، بمعنى أنها مجموعة من الأنابيب المتداخلة (Multi-Wall) ذات الخواص المختلفة.

شكل رقم (7) صورة للعالم سوميو إيجيما في معمله (91).

شكل رقم (8) ترتيب جزيئات الكربون (92).

شكل رقم (9) جزيئات كربون ملتفة مكونة أنبوب كربون نانوي (92).

شكل رقم (10) مجموعة من أنابيب الكربون النانوية المتداخلة ذات الخواص المختلفة (92)

وهذا الاكتشاف لفت انتباه شركة IBM))، فقررت الدخول إلى هذا المجال، ففي عام 1993 م تمكن العالم دونالد بثيون (Donald Bethane) من شركة IBM لتكنولوجيا الحاسبات في الولايات المتحدة الأمريكية من رصد أنابيب كربون نانوية ذات جدار واحد (single-wall)، يبلغ قطر الأنبوب الواحد منها 12 نانومتر (انظر: الشكل رقم 11) ^{(37، 38)}. ثم انطلق العلماء بعد ذلك في مجال النانوتيوب، حتى استطاع فريق من العلماء الصينيين في عام 2007 م. رصد أصغر نانوتيوب في العالم، حيث يصل قطره إلى 0.5 نانومتر فقط، مع العلم أن أقل قطر لأي شيء في العالم نظريًّا يبلغ 0.4 نانومتر. ورصد هذا الأنبوب الصغير جدًّا بعد تطوير العلماء الصينيين طرقا جديدة في تقنية النانو ⁽³⁹⁾.

شكل رقم (11) أنبوب كربوني نانوي ذو جدار واحد (92).

وعند دراسة الخواص الفيزيائية لأنابيب الكربون النانوية كانت النتائج مبشرة جدا؛ فقد وجد أن مقدار مقاومة الشد لأنابيب الكربون النانوية (باستخدام ميكروسكوب القوة الذرية) تساوي 100 ضعف قيمة مقاومة أقصى أنواع الصلب؛ لإجهاد الشدّ! وذلك على الرغم من خفة أوزانها، حيث تتدنى كثافتها إلى سدس (16) قيمة كثافة الصلب ⁽²⁴⁾.

ولأنابيب الكربون خواص فيزيائية وميكانيكية فريدة، حيث يمكنها أن تكون موصلاً جيّدًا جدا للكهرباء، كما يمكن أن تكون شبه موصل (Semiconductor)، وهذا يعتمد على طريقة تصنيعها، وكيفية ترتيب الذرات داخل الهيكل الذري. وعند قياس درجة توصيلها الكهرباء، وجد أنها أعلى من النحاس في درجة حرارة الغرفة، أما توصيلها الحرارة فيلحظ أنه أعلى من درجة توصيل الماس. ويمكن دمج مواد أخرى (نحاس، وكوارتز... إلخ) داخل أنابيب الكربون؛ للحصول على خواص إضافية أي تصنيع أنبوب واحد ذي وظائف متعددة (انظر الشكل رقم 12) ⁽⁴⁰⁾.

شكل رقم (12) مواد مدمجة داخل أنبوب كربون نانوي (40).

________________________________________

هوامش

(24) الاسكندراني؛ محمد شريف. تكنولوجيا النانو من اجل غد أفضل. الكويت: عالم المعرفة (ابريل 2010 م).

(37) Bethune, D. S. ;Kiang, C.; Beyers, R. and Salem, J. R. Carbon and Metals: A path to Single-Wall Carbon Nanotubes. Physica B: Physics of Condensed Matter 323 (1-4), 2002, 90-96.

(38) www.almaden.ibm.com/st/past_projects/nanotubes/

(39) Meng, D. G. ; Zhang,S.; Hao,Y.; An, X.; Wei, Q.; Ye, M. and Zhang, L. Chem. Commun., 2007, 1733-1735

(40) www.personal.reading.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

(91) www.Wikipedia.org

(92) www.ShutterStock.com