أنابيب الكربون

إن الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) هي عبارة عن مصادر مختلفة من الكربون ذات بنية نانوية أسطوانية. تتميز هذه الجزيئات الكربونية الأسطوانية بخصائص غير عادية ، والتي تعد ذات قيمة بالنسبة لتقنية النانو ، والإلكترونيات ، والبصريات وغيرها من مجالات علوم وتكنولوجيا المواد. بسبب قوة المادة وتصلبها الاستثنائيين ، تم بناء الأنابيب النانوية مع نسبة الطول إلى القطر التي تصل إلى 132،000،000: 1 ، أكبر بكثير من أي مادة أخرى.

بالإضافة إلى ذلك ، وبفضل الموصلية الحرارية الاستثنائية والخواص الميكانيكية والكهربائية ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية تجد التطبيقات كإضافات للمواد البنائية المختلفة. على سبيل المثال ، تشكل الأنابيب النانوية جزءًا صغيرًا من المادة (المواد) في بعض خفافيش البيسبول (ألياف الكربون) أو نوادي الجولف أو قطع السيارات أو صلب دمشق.

الأنابيب النانوية هي أعضاء في العائلة الهيكلية الفوليرين. واشتق اسمها من هيكلها الطويل المجوف مع الجدران التي تكونت من صفائح سميكة من الكربون ، تسمى الجرافين. يتم دحرجة هذه الأوراق في زوايا محددة (منفصلة) ، وتحدِّد زاوية الدوران ونصف القطر خصائص الأنابيب النانوية ؛ على سبيل المثال ، ما إذا كانت قشرة الأنابيب النانوية الفردية عبارة عن معدن أو أشباه موصلات. تصنف الأنابيب النانوية على أنها أنابيب نانوية أحادية الجدار (SWNTs) وأنابيب نانوية متعددة الجدران (MWNTs). تصنع الأنابيب النانوية الفردية نفسها بشكل طبيعي في “الحبال” التي تجمعها قوى فان دير فالس ، وبشكل أكثر تحديدًا ، التراص.

كيمياء الكم التطبيقية ، على وجه التحديد ، التهجين المداري يصف أفضل الترابط الكيميائي في الأنابيب النانوية. تتضمن الرابطة الكيميائية للأنابيب النانوية ذرات كربون-هجينة كليا. هذه الروابط ، التي تشبه تلك التي تحتوي على الجرافيت وأقوى من تلك الموجودة في الألكانات والماس (التي تستخدم ذرات الكربون الهجينة sp3) ، توفر الأنابيب النانوية بقوتها الفريدة.

أنواع الأنابيب النانوية الكربونية والهياكل ذات الصلة
لا يوجد توافق في الآراء حول بعض المصطلحات التي تصف الأنابيب النانوية الكربونية في الأدبيات العلمية: يتم استخدام كل من “-wall” و “walled” بالاشتراك مع “single” أو “double” أو “triple” أو “multi” ، والحرف C غالبًا ما يتم حذفه في الاختصار ؛ على سبيل المثال ، أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWNT).

احد الجدران

حيث a = 0.246 نانومتر.

تعد SWNTs مجموعة مهمة من الأنبوب النانوي الكربوني لأن معظم خصائصها تتغير بشكل كبير مع قيم (n، m) ، وهذا الاعتماد غير رتيب (انظر مخطط Kataura). على وجه الخصوص ، يمكن أن تختلف فجوة فرقهم من صفر إلى حوالي 2 فولت ، ويمكن أن تُظهر التوصيلية الكهربائية سلوكًا معدنيًا أو شبه موصلًا. وتعتبر الأنابيب النانوية أحادية الجدار مرشحة على الأرجح لتصنيع الإلكترونيات. وأهم بناء أساسي لهذه الأنظمة هو السلك الكهربائي ، ويمكن أن تكون أسلاك SWNT بأقطار من نانومتر موصلًا ممتازًا. تطبيق واحد مفيد من SWNTs هو في تطوير أول الترانزستور تأثير المجال intermolecular (FET). تم إنشاء أول بوابة منطقية بين الجزيئات باستخدام SWCNT FETs في عام 2001. تتطلب البوابة المنطقية كل من F-FET و n-FET. لأن SWNTs هي p-FETs عندما تتعرض للأكسجين و n-FETs على خلاف ذلك ، فمن الممكن فضح نصف الـ SWNT للأكسجين وحماية النصف الآخر منه. يعمل SWNT الناتج كبوابة منطقية مع كل من FET و n من النوع في نفس الجزيء.

انخفضت أسعار الأنابيب النانوية أحادية الجدار من حوالي 1500 دولار للجرام في عام 2000 إلى أسعار التجزئة بحوالي 50 دولار للغرام من إنتاج 40-60٪ بالوزن من SWNTs اعتبارًا من مارس 2010. اعتبارًا من عام 2016 ، بلغ سعر البيع بالتجزئة 75. كانت SWNTs بالوزن 2 دولار لكل غرام ، وهي رخيصة بما يكفي لاستخدامها على نطاق واسع. من المتوقع أن تحدث تقنية SWNT تأثيرًا كبيرًا في تطبيقات الإلكترونيات بحلول عام 2020 وفقًا لتقرير السوق العالمية لتقدير الكربون النانوي.

متعدد الجدران
تتكون الأنابيب النانوية متعددة الجدران (MWNTs) من طبقات متعددة (أنابيب متحدة المركز) من الجرافين. هناك نوعان من النماذج التي يمكن استخدامها لوصف هياكل الأنابيب النانوية متعددة الجدران. في نموذج الدمية الروسية ، يتم ترتيب صفائح الجرافيت في اسطوانات متحدة المركز ، على سبيل المثال ، أنابيب نانوية (أحادية الجدار) (0،8) داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار أكبر (17،0). في نموذج الرق ، يتم تدحرج ورقة واحدة من الجرافيت حول نفسها ، تشبه لفافة من الرق أو صحيفة ملفوفة. المسافة البينية في الأنابيب النانوية متعددة الجدران قريبة من المسافة بين طبقات الجرافين في الجرافيت ، حوالي 3.4 Å. لوحظ هيكل دمية الروسي أكثر شيوعا. يمكن وصف قذائفها الفردية باسم SWNTs ، والتي يمكن أن تكون معدنية أو شبه موصلة. بسبب الاحتمالية الإحصائية والقيود المفروضة على الأقطار النسبية للأنابيب الفردية ، فإن واحدة من القذائف ، وبالتالي MWNT بأكمله ، عادة ما تكون معادن ذات فجوة صفرية.

وتشكل الأنابيب النانوية الكربونية مزدوجة الجدران (DWNTs) طبقة خاصة من الأنابيب النانوية لأن مورفولوجيتها وخصائصها تشبه تلك الخاصة بـ SWNTs ولكنها أكثر مقاومة للمواد الكيميائية. هذا مهم بشكل خاص عندما يكون من الضروري توزيع وظائف كيميائية على سطح الأنابيب النانوية (functionalization) لإضافة خصائص إلى CNT. إن عملية التساهمية التساهمية من SWNTs سوف تكسر بعض الروابط المزدوجة C = C ، تاركة “ثقوب” في البنية على الأنابيب النانوية ، وبالتالي تعديل كل خصائصها الميكانيكية والكهربائية. في حالة DWNTs ، يتم تعديل الجدار الخارجي فقط. تم اقتراح توليف DWNT على مقياس الجرام لأول مرة في عام 2003 بتقنية CCVD ، من الاختزال الانتقائي لمحاليل الأكسيد في الميثان والهيدروجين.

قدرة الحركة التلسكوبية للأصداف الداخلية وخصائصها الميكانيكية الفريدة ستسمح باستخدام الأنابيب النانوية متعددة الجدران كأذرع متحركة رئيسية في الأجهزة النانوميكانيكية القادمة. [المضاربة؟] قوة التراجع التي تحدث للحركة التلسكوبية الناجمة عن تفاعل لينارد-جونز بين القذائف وقيمته حوالي 1.5 ن ن.

تقاطعات و crosslinking
وقد تمت مناقشة تقاطعات بين 2 أو أكثر من الأنابيب النانوية على نطاق واسع نظريا. كثيرًا ما يتم ملاحظة هذه التقاطعات في العينات المحضرة بواسطة تفريغ القوس وكذلك بترسيب البخار الكيميائي. تم النظر إلى الخواص الإلكترونية لمثل هذه التقاطعات من الناحية النظرية من قبل لامبين وآخرون ، الذين أشاروا إلى أن العلاقة بين الأنبوب المعدني والأنبوب شبه الموصلة من شأنه أن يمثل عملية تجانس نانوية غير متجانسة. وبالتالي ، يمكن أن يشكل هذا التقاطع مكوِّناً لدائرة إلكترونية قائمة على الأنابيب النانوية. تظهر الصورة المجاورة تقاطع بين اثنين من الأنابيب النانوية متعددة الطبقات. وقد اعتبر من الناحية النظرية تقاطعات بين الأنابيب النانوية والجرافين ، ولكن لا تدرس على نطاق واسع تجريبيا. وتشكل هذه التقاطعات أساس الجرافين المسدود ، حيث يتم فصل صفائح الجرافين المتوازية بواسطة أنابيب نانوية قصيرة. الجرافين المعزولة يمثل فئة من البنى ثلاثية الأبعاد للأنابيب النانوية الكربونية.

في الآونة الأخيرة ، أبرزت العديد من الدراسات إمكانية استخدام الأنابيب النانوية الكربونية ككتل بناء لتصنيع أجهزة بصرية ثلاثية الأبعاد مجهرية (& nt؛ 100 نانومتر في جميع الأبعاد الثلاثة). لالواني وآخرون. أبلغت عن طريقة تشابك حراري راديكالية جديدة بدأت في تصنيع السقالات المجهريّة ، القائمة بذاتها ، المسامية ، الكلّية الكربون باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية ومتعدّدة الجدران ككتل بناء. وتمتلك هذه السقالات مسامًّا ميكروية ومُنَظّمة النانو ، ويمكن تصميم المسامية لتلائم تطبيقات محددة. يمكن استخدام هذه السقالات / التراكيب ثلاثية الأبعاد الكربونية لتصنيع الجيل التالي من تخزين الطاقة ، المكثفات الفائقة ، ترانزستورات انبعاثات المجال ، الحفز عالي الأداء ، الخلايا الكهروضوئية ، والأجهزة الطبية الحيوية والزرعات.

المورفولوجيا الأخرى
الكربون النانوبودي هي مادة تم تكوينها حديثا تجمع بين مقولين من الكربون تم اكتشافهما سابقا: أنابيب الكربون النانوية والفوليرين. في هذه المادة الجديدة ، يتم ربط “البراعم” الشبيهة بالفوليرين بشكل تساهمي بالجدران الخارجية للأنبوب النانوي الكربوني. هذه المادة المختلطة لها خصائص مفيدة لكل من الفوليرين والكربون النانوي. على وجه الخصوص ، تم العثور عليها لتكون بواعث الحقل جيدة بشكل استثنائي. في المواد المركبة ، قد تعمل جزيئات الفوليرين المرفقة كمثبتات جزيئية لمنع انزلاق الأنابيب النانوية ، وبالتالي تحسين الخصائص الميكانيكية للمركب.

إن الكربون peapod هو مادة كربونية هجينية جديدة تحبس الفوليرين داخل أنبوب نانوي كربوني. يمكن أن تمتلك خصائص مغناطيسية مثيرة للاهتمام مع التدفئة والإشعاع. كما يمكن تطبيقه كمذبذب خلال التحقيقات والتنبؤات النظرية.

من الناحية النظرية ، فإن النانوتور هو أنبوب نانوي كربوني مرن في شكل طارة (شكل الدونات). من المتوقع أن يكون لدى نانوتوري العديد من الخصائص الفريدة ، مثل اللحظات المغناطيسية 1000 مرة أكبر مما كان متوقعًا سابقًا لبعض الأقطار المحددة. تختلف الخصائص مثل العزم المغناطيسي ، الاستقرار الحراري ، وما إلى ذلك اعتمادًا كبيرًا على نصف قطر الطرقة ونصف قطر الأنبوب.

إن الأنابيب النانوية الكربونية النحاسية الممغنطة عبارة عن هجين جديد نسبيًا يجمع بين الأوراق الورقية الجرافيتية التي تزرع على طول الجدران الجانبية للجنازات CNT ذات الجدران المتعددة أو البامبو. يمكن أن تختلف كثافة أوراق الشجر كدالة لظروف الترسيب (مثل درجة الحرارة والوقت) مع تراكيبها التي تتراوح من عدة طبقات من الجرافين (<10) إلى أكثر سمكا ، مثل الجرافيت. تتمثل الميزة الأساسية لهيكل الجرافين- CNT المتكامل في ارتفاع سطح الإطار ثلاثي الأبعاد لـ CNTs إلى جانب الكثافة العالية للجرافين. يمكن أن يؤدي إيداع الكثافة العالية من أوراق نبات الجرافين على طول طول الأنابيب المغنطيسية المحورية إلى زيادة قدرة الشحن الكلية لكل وحدة من المساحة الاسمية مقارنةً ببنى نانوية الكربون الأخرى. وتختلف الأنابيب النانوية الكربونية (CSCNTs) المكدسة بالكوب عن غيرها من هياكل الكربون شبه القاعدية ، والتي عادة ما تتصرف كموصلات شبه معدنية للإلكترونات. تعرض CSCNTs سلوكيات شبه موصلة بسبب التراص المجوف لطبقات الجرافين. الأنابيب النانوية الكربونية الشديدة وقد لوحظ في عام 2013 رصد أطول أنابيب كربون نانوية نمت حتى أكثر من 1/2 متر (550 مم). وقد نمت هذه الأنابيب النانوية على ركائز السيليكون باستخدام طريقة ترسيب كيميائية محسنة (CVD) وتمثل صفائف موحدة كهربائياً الأنابيب النانوية الكربونية وأقصر الأنبوب النانوي الكربوني هو مركب سيكلوبارهاينيلين العضوي ، الذي تم توليفه في عام 2008. أنانوتيوب الكربون الأنحف هو الكرسي ذو الذراعين (2،2) CNT بقطر 0.3 نانومتر. نمت هذه الأنابيب النانوية داخل أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران. وقد تم تعيين نوع الأنابيب النانوية الكربونية من خلال مجموعة من المجهر الإلكتروني ذي الدقة العالية (HRTEM) ، ونظرية رامان الطيفية ونظرية الكثافة الوظيفية (DFT). يبلغ قطر الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار الأكثر نحافة حوالي 0.43 نانومتر. اقترح الباحثون أنه يمكن أن يكون إما (5،1) أو (4،2) SWCNT ، لكن النوع الدقيق للأنبوب النانوي الكربوني يبقى محل شك. (3 ، 3) ، (4،3) و (5،1) أنابيب الكربون النانوية (حوالي 0.4 نانومتر في القطر) تم تحديدها بشكل لا لبس فيه باستخدام الفحص المجهري للإلكترونات عالي الدقة بتصحيح الزيغ داخل الأنابيب النانوية الكربونية مزدوجة الجدران. وقد تم تحقيق أعلى كثافة لمركبات الكربون النانوية في عام 2013 ، حيث نمت على سطح نحاسي موصل بطبقة من التيتانيوم مطلي بالمحفزات المشتركة للكوبالت والموليبدنوم في درجات حرارة تقل عن 450 درجة مئوية. وبلغ متوسط ​​الأنبوب 380 نانومتر وكثافة كتلة 1.6 غم سم 3. وأظهرت المواد الموصلية الأومية (أدنى مقاومة ∼22 kΩ). الخصائص ميكانيكي تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية هي أقوى وأقسى المواد التي تم اكتشافها من حيث قوة الشد ومعامل المرونة على التوالي. هذه القوة تنتج من روابط تساهمية sp2 شكلت بين ذرات الكربون الفردية. في عام 2000 ، تم اختبار أنبوب نانوي كربوني متعدد الجدران ليكون له قوة شد تبلغ 63 غيغاباسكال (9،100،000 رطل). (للتوضيح ، يُترجم ذلك إلى القدرة على تحمل شد وزن يعادل 6422 كيلوجراما من القوة (62،980 نيوتن ، 14،160 رطل) على كبل مع مقطع عرضي يبلغ 1 مليمتر مربع (0.0016 مربع)). وكأحد أجريت في عام 2008 ، كشفت أن قذائف CNT الفردية لديها قوة تصل إلى 100 g جيجاباسكال (15،000،000 رطل) ، وهو ما يتفق مع النماذج الكمومية / الذروية. بما أن الأنابيب النانوية الكربونية ذات كثافة منخفضة لصوامع من 1.3 إلى 1.4 غم / سم 3 ، فإن قوتها المحددة التي تصل إلى 48،000 كيلو نيوتن متر مكعب − 1 هي أفضل المواد المعروفة ، مقارنةً بصلب الكربون العالي 154 كيلو نيوتن. KG-1. على الرغم من أن قوة قذائف CNT الفردية عالية للغاية ، إلا أن تفاعلات القص الضعيفة بين القذائف والأنابيب المجاورة تؤدي إلى انخفاض كبير في القوة الفعالة للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران وحزم الأنابيب النانوية الكربونية وصولاً إلى عدد قليل فقط من GPa. وقد تم التعامل مع هذا القيد مؤخرًا من خلال تطبيق تشعيع بالإلكترونات عالية الطاقة ، والذي يعمل على توصيل الأصداف الداخلية والأنابيب ، ويزيد من قوة هذه المواد بفعالية إلى -60 جيجا للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران و- 17 جيجا للجرعات النانوية الكربونية ذات الجدران المزدوجة . CNTs ليست قوية تقريبا تحت ضغط. نظرًا لبنيتها الجوفاء ونسبة ارتفاعها إلى الارتفاع ، فإنها تميل للخضوع للالتواء عند وضعها تحت الضغط الانضغاطي أو الالتوائي أو الانحناء. من ناحية أخرى ، كان هناك دليل على أنه في الاتجاه الشعاعي فهي ناعمة نوعا ما. أوضحت أول مراقبة لمجهر الإلكترونيات المرسلة للمرونة الشعاعية أنه حتى قوات فان دير فالس يمكنها تشويه اثنين من الأنابيب النانوية المتجاورة. في وقت لاحق ، تم تنفيذ nanindentations مع مجهر القوة الذرية من قبل عدة مجموعات لقياس المرونة شعاعي من الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الاتجاهات ووضع التنصت / الاتصال تم إجراء الفحص المجهري القوة الذرية أيضا على أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار. أظهر معامل يونغ على ترتيب العديد من جي بي أي أن الأنابيب النانوية الكربونية هي في الواقع لينة جدا في الاتجاه الشعاعي. الكهرباء على عكس الجرافين ، وهو نصف قطر ثنائي الأبعاد ، تكون الأنابيب النانوية الكربونية إما معدنية أو شبه موصلة على طول المحور الأنبوبي. بالنسبة للأنبوب النانوي المعطى (n، m) ، إذا كان n = m ، يكون الأنبوب النانوي معدنياً ؛ إذا كان n - m مضاعفًا لـ 3 و n ≠ m و nm ≠ 0 ، فإن الأنبوب النانوي شبه معدني مع فجوة صغيرة جدًا ، وإلا تكون الأنبوب النانوي شبه موصل معتدل. وبالتالي فإن جميع الأذرع النانوية (n = m) مصنوعة من المعدن ، والأنابيب النانوية (6،4) ، (9،1) ، إلخ ، هي شبه موصلة. لا تكون الأنابيب النانوية الكربونية شبه شبه مترابطة لأن النقطة المتدرجة (تلك النقطة التي يلتقي فيها النطاق π [الرابطة] مع النطاق anti * [anti-bonding]] ، الذي تنتقل عنده الطاقة إلى الصفر) قد تحولت قليلاً عن نقطة K في منطقة Brillouin. بسبب انحناء سطح الأنبوب ، مما يسبب التهجين بين النطاقات المضادة bond * و π * المضادة للترابط ، تعديل تشتت الفرقة. إن القاعدة المتعلقة بالسلوك المعدني مقابل أشباه الموصلات لها استثناءات ، لأن تأثيرات الانحناء في الأنابيب ذات القطر الصغير يمكن أن تؤثر بقوة على الخواص الكهربائية. وبالتالي ، فإن SWCNT (5،0) التي يجب أن تكون شبه موصلة في الواقع تكون معدنية وفقًا للحسابات. وبالمثل ، فإن SWCNT المتعرجة والمرتبطة بأقطار صغيرة يجب أن تكون معدنية لها فجوة محدودة (تبقى الأنابيب النانوية ذات الكرسي معدنية). من الناحية النظرية ، يمكن للأنابيب النانوية المعدنية أن تحمل كثافة تيار كهربائي 4 × 109 أمبير / سم 2 ، أي أكثر من 1000 مرة من تلك الخاصة بالمعادن مثل النحاس ، حيث تكون الروابط النحاسية الحالية محدودة بالكهرباء الكهرطيسية. وبالتالي يتم استكشاف الأنابيب النانوية الكربونية كتركيبات ، ومكونات تعزيز التوصيلية في المواد المركبة ، وتحاول العديد من المجموعات تسويق الأسلاك الكهربائية عالية التوصيل التي يتم تجميعها من الأنابيب النانوية الكربونية الفردية. ومع ذلك ، هناك تحديات كبيرة يجب التغلب عليها ، مثل التشبع الحالي غير المرغوب فيه تحت الجهد الكهربي ، والتقاطعات والشوائب النانوية للأنابيب النانوية الأكثر مقاومة بكثير ، والتي تؤدي جميعها إلى خفض التوصيل الكهربائي لأسلاك الأنابيب النانوية العيانية بأحجام كبيرة ، إلى التوصيلية للأنابيب النانوية الفردية. وبسبب المقطع العرضي النانوي ، تنتشر الإلكترونات فقط على طول محور الأنبوب. ونتيجة لذلك ، يشار إلى الأنابيب النانوية الكربونية بشكل متكرر على أنها موصلات أحادية البعد. الحد الأقصى من التوصيل الكهربائي للأنبوب النانوي الكربوني أحادي الجدار هو 2G0 ، حيث G0 = 2e2 / h هو إجراء قناة كمية واحدة ذاتية الدفع. بسبب دور نظام π-electron في تحديد الخواص الإلكترونية للجرافين ، تختلف عملية التشويب في الأنابيب النانوية الكربونية عن أشباه الموصلات البلورية السائبة من نفس المجموعة من الجدول الدوري (مثل السيليكون). الاستبدال الجرافيتي لذرات الكربون في جدار الأنابيب النانوية بواسطة البورون أو المواد النتروجينية يؤدي إلى سلوك النوعين ونوع n ، على التوالي ، كما هو متوقع في السيليكون. ومع ذلك ، فإن بعض المواد الدوبستية غير التبادلية (المقواة أو الممتزعة) التي يتم إدخالها في أنابيب نانوية كربونية ، مثل الفلزات القلوية بالإضافة إلى metallocenes الغنية بالإلكترونات ، ينتج عنها التوصيل من النمط N لأنها تتبرع بالالكترونات إلى نظام π-electron للأنبوب النانوي. على النقيض من ذلك ، فإن مستقبلات π-electron مثل FeCl3 أو ميتالوسينيس ناقصة الإلكترون تعمل كمشتقات من النوع p حيث أنها تجذب π-electron من قمة نطاق التكافؤ. تم الإبلاغ عن الموصلية الفائقة الداخلية ، على الرغم من أن التجارب الأخرى لم تجد أي دليل على ذلك ، تاركة المطالبة موضوع نقاش. بصري تمتلك الأنابيب النانوية الكربونية امتصاصًا مفيدًا ، وضوء ضوئي (مضان) ، وخصائص طيفية رامان. توفر الطرق الطيفية إمكانية توصيف سريع وغير مدمر لكميات كبيرة نسبياً من الأنابيب النانوية الكربونية. هناك طلب قوي على مثل هذا التوصيف من وجهة النظر الصناعية: يمكن تغيير العديد من معلمات تخليق الأنابيب النانوية ، عن قصد أو عن غير قصد ، لتغيير جودة الأنابيب النانوية. كما هو مبين أدناه ، يسمح الامتصاص البصري ، الضوئية الضوئية وطارق رامان بتوصيف سريع وموثوق "لجودة الأنابيب النانوية" من حيث محتوى الكربون غير الأنبوبي ، والبنية (الشكلية) للأنابيب النانوية المنتجة ، والعيوب الهيكلية. تحدد هذه الميزات تقريبًا أي خصائص أخرى مثل الخصائص البصرية والميكانيكية والكهربائية. إن الأنابيب النانوية الكربونية هي "أنظمة أحادية البعد" فريدة من نوعها والتي يمكن تصورها على شكل صفائح مفردة من الجرافيت (أو على وجه التحديد الجرافين). يمكن إجراء هذا الدوران بزوايا ومنحنيات مختلفة مما يؤدي إلى خصائص أنابيب نانوية مختلفة. يتراوح القطر عادة في النطاق من 0.4 إلى 40 نانومتر (أي "فقط" ~ 100 مرة) ، ولكن يمكن أن يختلف الطول إلى 1000000000.000 مرة ، من 0.14 نانومتر إلى 55.5 سم. يمكن أن تصل نسبة العرض إلى الارتفاع للأنبوب النانوي ، أو نسبة الطول إلى القطر ، إلى 132،000،000: 1 ، والتي لا مثيل لها بأي مادة أخرى. وبالتالي ، فإن جميع خصائص الأنابيب النانوية الكربونية نسبة إلى خصائص أشباه الموصلات النموذجية تكون متباينة للغاية (تعتمد بشكل مباشر) ويمكن ضبطها. في حين أن الخصائص الميكانيكية والكهربائية والكهروكيميائية (supercapacitor) للأنابيب النانوية الكربونية هي راسخة ولها تطبيقات فورية ، إلا أن الاستخدام العملي للخصائص البصرية غير واضح حتى الآن. من المحتمل أن تكون إمكانية توافق الخصائص المذكورة أعلاه مفيدة في البصريات والضوئيات. على وجه الخصوص ، تم إنتاج الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وأجهزة الكشف عن الصور القائمة على أنبوب نانوي واحد في المختبر. ولا تكمن الميزة الفريدة في ذلك في الكفاءة ، التي لا تزال منخفضة نسبيًا ، ولكن الانتقائية الضيقة في طول الموجة للانبعاثات والكشف عن الضوء وإمكانية ضبطها من خلال هيكل الأنابيب النانوية. وبالإضافة إلى ذلك ، فقد تم تحقيق أجهزة قياس ضغط الدم والبولييوترونيك في مجموعات من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. كما تؤثر عيوب البلورات على الخواص الكهربائية للأنبوب. النتيجة المشتركة هي انخفاض الموصلية من خلال المنطقة المعيبة من الأنبوب. يمكن أن يتسبب خلل في أنابيب من نوع الكرسي (الذي يمكنه توصيل الكهرباء) في أن تصبح المنطقة المحيطة بها شبه موصلة ، وأن الوظائف الشاغرة أحادية الذرة تؤدي إلى خصائص مغناطيسية. حراري من المتوقع أن تكون جميع الأنابيب النانوية عبارة عن موصلات حرارية جيدة للغاية على طول الأنبوب ، وتظهر خاصية تعرف باسم "التوصيل الباليستي" ، ولكن العوازل الجيدة الجانبية لمحور الأنبوب. تبين القياسات أن SWNT فرديًا لديه موصلية حرارية في درجة حرارة الغرفة على طول محوره حوالي 3500 W • m − 1 • K − 1؛ قارن ذلك بالنحاس ، وهو معدن معروف جيدًا بتوصيله الحراري الجيد ، والذي ينقل 385 W • m − 1 • K − 1. يمتلك جهاز SWNT الفردي موصلة حرارية في درجة حرارة الغرفة عبر محوره (في الاتجاه الشعاعي) لحوالي 1.52 W • m − 1 • K − 1 ، وهو عبارة عن موصل حراري للتربة. ووصلت التجميعات المجهرية للأنابيب النانوية مثل الأفلام أو الألياف إلى 1500 وات في المتر المكعب حتى الآن. ويقدر استقرار درجة الحرارة في الأنابيب النانوية الكربونية بما يصل إلى 2800 درجة مئوية في الفراغ وحوالي 750 درجة مئوية في الهواء. تؤثر العيوب البلورية بشدة على الخصائص الحرارية للأنبوب. هذه العيوب تؤدي إلى تشتت الفونون ، والذي بدوره يزيد من معدل الاسترخاء من الفونونات. هذا يقلل من متوسط ​​المسار الحر ويقلل من التوصيل الحراري لهياكل الأنابيب النانوية. تشير محاكاة نقل الفونون إلى أن عيوبًا بديلة مثل النيتروجين أو البورون ستؤدي في المقام الأول إلى تشتيت الفونونات البصرية عالية التردد. ومع ذلك ، فإن العيوب الكبيرة مثل عيوب ستون ويلز تسبب تشتت الفونون على نطاق واسع من الترددات ، مما يؤدي إلى انخفاض أكبر في التوصيل الحراري. نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة وقد تم تطوير تقنيات لإنتاج الأنابيب النانوية بكميات كبيرة ، بما في ذلك التفريغ القوسي ، والاستئصال بالليزر ، ترسب البخار الكيميائي (CVD) وعدم تناسُب أول أكسيد الكربون عالي الضغط (HiPCO). من بين هذه التفريغ القوسي ، الاجتثاث بالليزر ، ترسيب البخار الكيميائي (CVD) هي دفعة من خلال عملية الدفع و HiPCO هي عملية مستمرة في مرحلة الغاز. معظم هذه العمليات تتم في فراغ أو بغازات العملية. تعتبر طريقة نمو CVD شائعة ، لأنها تنتج كمية عالية ولديها درجة من السيطرة على القطر والطول والتشكل. وباستخدام محفزات الجسيمات ، يمكن تصنيع كميات كبيرة من الأنابيب النانوية بهذه الطرق ، ولكن تحقيق التكرار يصبح مشكلة رئيسية في نمو الأمراض القلبية الوعائية. تساهم عملية HiPCO في التحفيز والنمو المستمر في جعل CNTs أكثر قابلية للتطبيق تجاريًا. وتساعد عملية HiPCO في إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار عالية النقاء بكميات أكبر. يعمل مفاعل HiPCO عند درجة حرارة عالية 900-1100 درجة مئوية وضغط عالي ~ 30-50 بار. ويستخدم أول أكسيد الكربون كمصدر للكربون و كربونيل النيكل / الحديد كمحفز. هذه المحفزات بمثابة موقع التنوي لنمو الأنابيب النانوية. كما تزرع صفائف الأنابيب النانوية الكربونية المحاذية عموديا بترسيب بخار كيميائي حراري. يتم طلاء الركيزة (الكوارتز والسيليكون والفولاذ المقاوم للصدأ ، إلخ) بطبقة من الفلزات التحفيزية (Fe، Co، Ni). عادة ما تكون هذه الطبقة من الحديد ، ويتم ترسبها عن طريق التصفيح إلى سمك يتراوح بين 1 و 5 نانومتر. غالباً ما يتم وضع طبقة أساس من 10 إلى 50 نانومتر من الألومينا على الطبقة التحتية أولاً. هذا يضفي ترطيب يمكن السيطرة عليها وخصائص بينية جيدة. عندما يتم تسخين الركيزة إلى درجة حرارة النمو (~ 700 درجة مئوية) ، يتفكك الفيلم الحديدي المستمر إلى جزر صغيرة ... ثم تقوم كل جزيرة بتكوين أنبوب نانوي كربوني. تتحكم سماكة الرشح في حجم الجزيرة ، وهذا بدوره يحدد قطر الأنابيب النانوية. وتنخفض طبقات الحديد الرقيقة إلى أسفل قطر الجزر ، وتؤدي إلى خفض قطر الأنابيب النانوية المزروعة. كمية الوقت التي يمكن أن تجلس فيها الجزيرة المعدنية في درجة حرارة النمو محدودة ، لأنها متحركة ، ويمكن أن تندمج في جزر أكبر (ولكن أقل). يقلل التليين عند درجة حرارة النمو من كثافة الموقع (عدد CNT / mm2) مع زيادة قطر المحفز. تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية المعدّة دائمًا على شوائب مثل الأشكال الأخرى من الكربون (الكربون غير المتبلور ، الفوليرين ، إلخ) والشوائب غير الكربونية (البوصلة المعدنية المستخدمة في المحفز). تحتاج هذه الشوائب إلى إزالتها لاستخدام الأنابيب النانوية الكربونية في التطبيقات. علم القياس هناك العديد من معايير المقاييس والمواد المرجعية المتاحة للأنابيب النانوية الكربونية. بالنسبة للأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، يصف المعيار ISO / TS 10868 طريقة قياس لقطر النانو ، والنقاء ، وجزء من الأنابيب النانوية المعدنية من خلال مطيافية الامتصاص الضوئي ، في حين تضع المواصفة ISO / TS 10797 و ISO / TS 10798 طرقًا لتوصيف التشكل والتكوين العنصري. من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ وفحص المجهر الإلكتروني على التوالي ، إلى جانب تحليل طيف الأشعة السينية المشتت للطاقة. بالنسبة للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران ، تحدد ISO / TR 10929 الخصائص الأساسية ومحتوى الشوائب ، بينما يصف ISO / TS 11888 التشكل باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح ، والمجهر الإلكتروني النافذ ، وفحص اللزوجة ، وتحليل تشتت الضوء. كما أن المعيار ISO / TS 10798 صالح للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران. التعديل الكيميائي يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية للوصول إلى الخصائص المرغوبة التي يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. الطريقتان الرئيسيتان لوظائف الأنابيب النانوية الكربونية هي تساهمية التساهمية والتعديلات غير التساهمية. وبسبب طبيعتها الكارهة للماء ، تميل الأنابيب النانوية الكربونية إلى التكتل الذي يعوق تشتتها في المذيبات أو يذوب البوليمر اللزج. تعمل حزم أو تقسيمات الأنابيب النانوية الناتجة على تقليل الأداء الميكانيكي للمركب النهائي. يمكن تعديل سطح الأنابيب النانوية الكربونية لتقليل تحمل الكربون ، وتحسين الالتصاق البيني مع البوليمر السائب من خلال التعلق الكيميائي. يمكن أيضًا أن يتم سطح الفلورة النانوية الكربونية أو الفلوروفلين باستخدام طريقة CVD مع الفلوروكربونات والهيدروفلوروكربون عن طريق التسخين عند تلامس هذه المادة الكربونية مع مادة الفلورورجانيك لتشكيل ذرات الفلور المفلورة جزئياً (ما يسمى بمواد Fluocar) مع الفلوروكلس المطعمة (الهالة) وظائف. تطبيقات تيار كان الاستخدام والتطبيق الحالي للأنابيب النانوية مقصورًا في الغالب على استخدام الأنابيب النانوية السائبة ، وهي كتلة من أجزاء من الأنابيب النانوية غير منظمة إلى حد ما. قد لا تحقق مواد الأنابيب النانوية السائبة أبدًا مقاومة شدّية مماثلة لتلك الموجودة في الأنابيب المفردة ، إلا أن هذه المركبات المركبة قد تؤدي ، على الرغم من ذلك ، إلى الحصول على قوة كافية للعديد من التطبيقات. تم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية السائبة بالفعل كألياف مركّبة في البوليمرات لتحسين الخواص الميكانيكية والحرارية والكهربائية للمنتج السائب. وقد شاركت Easton-Bell Sports، Inc. في شراكة مع Zyvex Performance Materials ، باستخدام تقنية CNT في عدد من مكونات الدراجات الخاصة بها - بما في ذلك المقاود المسطحة والرافعة ، والكرانيق ، والشوك ، ومقاعد الجلوس ، والسيقان ، والحانات الهوائية. كما قامت شركة Zyvex Technologies ببناء سفينة بحرية سعة 54 بوصة ، وهي السفينة البيرانية السطحية غير المأهولة ، كمتظاهر تكنولوجيا لما هو ممكن باستخدام تقنية CNT. تساعد لوحات CNT على تحسين الأداء الهيكلي للسفينة ، مما ينتج عنه زورق خفيف وزنه 8000 رطل يحتوي على حمولة 15،000 رطل على مدى 2500 ميل. تقوم شركة Amroy Europe Oy بتصنيع راتنجات الكربون النانوية النشوتية Hybtonite حيث يتم تنشيط الأنابيب النانوية الكربونية كيميائياً للترابط مع الايبوكسي ، مما ينتج عنه مادة مركّبة أقوى بنسبة 20٪ إلى 30٪ من المواد المركبة الأخرى. وقد تم استخدامه لتوربينات الرياح والدهانات البحرية ومجموعة متنوعة من المعدات الرياضية مثل الزحافات وعصي هوكي الجليد وخفافيش البيسبول وأسهم الصيد وألواح التزلج على الماء. حصلت شركة بوينغ على براءة إختراع لاستخدام الأنابيب النانوية الكربونية لمراقبة الصحة الإنشائية للمركبات المستخدمة في هياكل الطائرات. سوف تقلل هذه التكنولوجيا إلى حد كبير من خطر حدوث فشل في الطيران بسبب تدهور الهيكل في الطائرات. التطبيقات الحالية الأخرى تشمل: نصائح لتحقيقات مجهر القوة الذرية في هندسة الأنسجة ، يمكن أن الأنابيب النانوية الكربونية بمثابة السقالات لنمو العظام البحث الحالي للتطبيقات الحديثة ما يلي: باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية كسقالة لتقنيات التصنيع المتنوعة الدقيقة. تبدد الطاقة في الهياكل النانوية ذاتية التنظيم تحت تأثير مجال كهربائي. استخدام الأنابيب النانوية الكربونية في الرصد البيئي بسبب منطقة سطحها النشط وقدرتها على امتصاص الغازات. محتمل إن قوة ومرونة الأنابيب النانوية الكربونية تجعلها ذات استخدام محتمل في التحكم في الهياكل النانوية الأخرى ، مما يوحي بأنها ستلعب دوراً مهماً في هندسة تكنولوجيا النانو. تم اختبار أعلى قوة شد للأنبوب النانوي الكربوني أحادي الجدار إلى 63 جيجا. تم العثور على الأنابيب النانوية الكربونية في صلب دمشق من القرن السابع عشر ، وربما تساعد في حساب القوة الأسطورية للسيوف المصنوعة منها. في الآونة الأخيرة ، أبرزت العديد من الدراسات إمكانية استخدام الأنابيب النانوية الكربونية ككتل بناء لتصنيع أجهزة مجهرية ثلاثية الأبعاد (> 1 مم في جميع الأبعاد الثلاثة). لالواني وآخرون. وقد أبلغت عن طريقة تشابك حراري راديكالية جديدة بدأت في إنتاجها ، إلى السقالات المجهري ، القائمة بذاتها ، والمسامية ، والكربون بالكامل باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية ومتعددة الجدران كبنات. وتمتلك هذه السقالات مسامًّا ميكروية ومُنَظّمة النانو ، ويمكن تصميم المسامية لتلائم تطبيقات محددة. يمكن استخدام هذه السقالات / التراكيب ثلاثية الأبعاد الكربونية لتصنيع الجيل التالي من تخزين الطاقة ، المكثفات الفائقة ، ترانزستورات انبعاثات المجال ، الحفز عالي الأداء ، الخلايا الكهروضوئية ، والأجهزة الطبية الحيوية والزرعات.

CNTs هم المرشحين المحتملين للمستقبل والمواد الأسلاك في دوائر VLSI نانو النطاق. القضاء على مخاوف موثوقية الكهرومغناطيسية التي تصيب الوصلات النحاسية اليوم ، يمكن أن تحمل الأنابيب النانوية الكربونية المعزولة (أحادية ومتعددة الجدران) الكثافات الحالية التي تزيد عن 1000 متر مربع / سم بدون تلف الكهرومغناطيسي.

يمكن تحويل الكميات الكبيرة من الأنابيب النانوية الكربونية الصرفة إلى صفائح أو أفلام مستقلة عن طريق تقنية تصنيع صب الشريط السطحي المهندسة (SETC) ، وهي طريقة قابلة للتطوير لتصنيع صفائح مرنة وقابلة للطي مع خصائص فائقة. عامل شكل آخر ذكرت هو ألياف CNT (خيوط الملقب) عن طريق الغزل الرطب. يتم إما نسج الألياف مباشرة من وعاء التركيب أو نسج من CNTs المذابة مسبقا. يمكن تحويل الألياف الفردية إلى خيوط. وبصرف النظر عن قوته ومرونته ، فإن الميزة الرئيسية هي صنع خيوط موصلة للكهرباء. تخضع الخواص الإلكترونية للألياف CNT الفردية (أي حزمة CNT الفردية) للبنية ثنائية الأبعاد لـ CNTs. تم قياس الألياف ليكون لها مقاوم واحد فقط من حيث الحجم أعلى من الموصلات المعدنية عند 300 ألف. من خلال زيادة تحسين الألياف CNTs و CNT ، يمكن تطوير ألياف CNT مع خصائص كهربائية محسنة.

تعتبر الخيوط القائمة على CNT مناسبة للتطبيقات في مجال الطاقة ومعالجة المياه الكهروكيميائية عندما تكون مغلفة بغشاء التبادل الأيوني. أيضا ، يمكن أن الخيوط المستندة إلى CNT تحل محل النحاس كمادة متعرجة. بيرهونن وآخرون. (2015) قاموا ببناء محرك باستخدام لفائف CNT.

السلامة والصحة
المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنيتين (NIOSH) هي الوكالة الفيدرالية الرائدة في الولايات المتحدة التي تجري الأبحاث وتقدم إرشادات بشأن الآثار المترتبة على السلامة المهنية والصحة وتطبيقات تكنولوجيا النانو. وقد أشارت الدراسات العلمية المبكرة إلى أن بعض هذه الجسيمات النانوية قد تشكل خطراً صحياً أكبر من الشكل الأكبر حجماً لهذه المواد.في عام 2013 ، نشر المعهد الوطني للمعلومات الصحية (NIOSH) نشرة استخبارية حالية توضح بالتفصيل المخاطر المحتملة والحد الموصى به للتعرض للأنابيب النانوية الكربونية والألياف.

اعتبارًا من أكتوبر 2016 ، تم تسجيل الأنابيب النانوية الكربونية ذات الجدار الواحد من خلال لوائح الاتحاد الأوروبي للتسجيل والتقييم والترخيص وتقييد المواد الكيميائية (REACH) ، بناءً على تقييم الخواص المحتملة الخطيرة لـ SWCNT. واستنادًا إلى هذا التسجيل ، يُسمح للتسويق في SWCNT في الاتحاد الأوروبي بما يصل إلى 10 أطنان مترية. حالياً ، يقتصر نوع SWCNT المسجل من خلال REACH على النوع المحدد من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار المصنعة من قبل OCSiAl ، التي قدمت الطلب.