مقاله کامل پایان نامه شیمی نانولوله هاي کربني

چکیده
تحقيقات اخير روي نانوسيالات، افزايش قابل توجهي را در هدايت حرارتي آنها نسبت به سيالات بدون نانوذرات و يا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان مي‌دهد. از ديگر تفاوت‌هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت حرارتي از دما، همچنين افزايش فوق‌العاده فلاکس حرارتي بحراني در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانوسيالات نتايج قابل بحثي است که به عنوان مثال مي‌توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت حرارتي با تئوري‌هاي موجود اشاره کرد. اين امر نشان دهنده ناتواني اين مدل ها در پيش‌بيني صحيح خواص نانوسيال است. بنابراين براي کاربردي کردن اين نوع از سيالات در آينده و در سيستم‌هاي جديد، بايد اقدام به طراحي و ايجاد مدل‌ها و تئوري‌هايي شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهاي سياليت نانوذرات و تصحيحات مربوط به آن کرد
سيستم‌هاي خنک کننده، يکي از مهم‌ترين دغدغه‌هاي کارخانه‌ها و صنايعي مانند ميکروالکترونيک و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبه‌رو باشد. با پيشرفت فناوري در صنايعي مانند ميکروالکترونيک که در مقياس‌هاي زير صد نانومتر عمليات‌هاي سريع و حجيم با سرعت‌هاي بسيار بالا (چند گيگا هرتز) اتفاق مي‌افتد و استفاده از موتورهايي با توان و بار حرارتي بالا اهميت به سزايي پيدا مي‌کند، استفاده از سيستم‌هاي خنک‌کننده پيشرفته و بهينه، کاري اجتناب‌ناپذير است. بهينه‌سازي سيستم‌هاي انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت مي‌گيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاه‌ها مي‌شود؛ لذا براي غلبه‌ بر اين مشکل، به خنک کننده‌هاي جديد و مؤثر نياز است و نانو سيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شده‌اند. نانوسيالات به علت افزايش قابل توجه خواص حرارتي، توجه بسياري از دانشمندان را در سال‌هاي اخير به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولوله‌هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي
اين سيالات ايجاد مي‌کند [2] [3]؛ در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيون‌هاي معمولي، به غلظت‌هاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است؛ اين در حالي است که مشکلات رئولوژيکي و پايداري اين سوسپانسيون‌ها در غلظت‌هاي بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت مي‌شود. در برخي از تحقيقات، هدايت حرارتي نانوسيالات، چندين برابر بيشتر از پيش‌بيني تئوري‌ها است. از ديگر نتايج بسيار جالب، تابعيت شديد هدايت حرارتي نانوسيالات از دما [4] [5] و افزايش تقريباً سه برابري فلاکس حرارتي بحراني آنها در مقايسه با سيالات معمولي است.
مقدمه:
نانولوله‌هاي كربني به عنوان يكي از دو جايگزين اصلي سيم‌ها در داخل تراشه‌ها و ديگر اجزاء الكترونيكي در دهه آينده مطرح هستند. اين
ساختارها نه تنها هادي خوبي براي الكتريسته هستند، بلكه فوق‌العاده كوچك‌اند، بطوري كه به سازندگان اجازه استفاده از ميلياردها ترانزيستور را در يك تراشه مي‌دهند.
امروزه نانولوله‌ها را مي‌توان تنها در آزمايشگاه و به ميزان اندك توليد كرد. دستيابي به روش‌هاي توليد انبوه، سالها به طول مي‌انجامد.
در روش كاتاليست فلزي، نيكل، آهن يا كبالت همراه با اتمهاي كربن تا ذوب شدن فلز حرارت داده مي‌شوند، سپس نانولوله‌هاي تك‌ديواره بر روي سطح فلز مذاب تشكيل مي‌شوند.
متأسفانه در اين روش ذرات فلزي به نانولوله‌ها چسبيده و آنها را مغناطيسي كرده و براي استفاده در ترانزيستورها غيرقابل استفاده مي‌گردانند. آويريس مي‌گويد: “در هر نانولوله ذره‌اي از فلز وجود دارد كه براي زدودن آنها بايد نانولوله‌ها را در اسيدنيتريك جوشانيد كه اين عمل باعث تخريب نانولوله‌ها مي‌گردد.”
در روش ابداعــي شركتIBM نانولوله‌ها تخريب نمي‌شوند. پژوهشگران، كريستالي كه از لايه‌هاي سيليكون و كربن تشكيل يافته را تا 1650 درجة سانتيگراد حرارت دادند. اين عمل باعث تبخير سيليكون و باقي ماندن لايه‌‌اي از كربن مي‌گردد. از آنجا كه كربن از قبل به سيليكون متصل شده است، پس از تبخير سيليكون، براي پيوند با مواد ديگر آزاد مي‌شود. در اين حالت، پيوند كربن با خودش، موجب تشكيل لوله‌هاي كربني مي‍شود.
آويريس مي‌گويد، ساختار اتمي كه اين لوله‌هاي كربني اختيار مي‌كنند بعداً به صورت الگويي براي
آرايش لوله‌ها به كار مي‌رود به طوري كه مي‌توان از آنها در ساخت پردازشگرها استفاده كرد. اين ساختارها براي ايجاد ترانزيستور بايد به صورت شبكه‌هايي از خطوط موازي تشكيل شوند.
فصل اول
توليد نانولوله هاي کربني با سوزاندن گياهان:
توليد نانولوله هاي کربني با سوزاندن گياهان:
محققين دانشگاه Northeast Normal   چين موفق به ساخت نانوتيوب هاي كربني چند ديواره با قطر 50-30 نانومتر با گرم كردن چمن در حضور اكسيژن شدند.
به گفته Enbo Wang توليد نانوتيوب هاي حاصله از چمن دستاورد جديد و سازگار با محيط زيست است. استفاده از محصولات طبيعي تجديد پذير به عنوان منبع كربن در حضور اكسيژن، به عنوان يك واكنش اكسيداسيوني، فوايد زيادي را در حفظ و نگهداري
محيط زيست، بهرهبرداري از مزارع و محصولات طبيعي عايد انسان خواهد كرد.
در اين پژوهش Wangو همكاران، پس از جمع آوري نمونه هاي چمن و قبل از خشك كردن، آنها را خرد كرده و در حرارت 250 درجه سانتي گراد به مدت 1 ساعت قرار دادند . سپس مواد حاصله را در 600 درجه سانتي گراد به مدت 20 دقيقه در ظروف دربسته حاوي 15ميلي ليتر اكسيژن گذاشته و پس از سرد نمودن به آن اكسيژن تزريق كرده و مجددا چرخه دمايي را تا 50 دوره تكرار كردند .
محصول اين فرايند  نانوتيوبي باطول µm 1، قطر خارجي nm30-50 و قطر داخلي nm 10-30 بود که محققين بازده اين آزمايش را 15% تخمين زده بودند . اخيرا با افزودن آب به اين واكنش دريافتند كه سنتز و خالص سازي نانوساختارها با سيستم C-H-O به راحتي ممكن مي شود .
به گفته Wang اين حالت ما را به دنبال روش جديدي براي ساخت مستقيم نانولوله ها از طريق تغيير  كربوهيدرات ها و تبديل آنها به آب و كربن خالص سوق مي دهد، به طوري که نه تنها  مشكل محدوديت كربن خالص را حل مي كند ، بلكه به ما ايده به دست آوردن اتم فعال كربن براي ساخت نانوتيوب ها  را هم مي دهد .
به نظر  محققين پيش تيمار چمن ها باعث از بين رفتن پروتئين ها و تركيبات روغني مي شود و در پي آن تيمار در دماي 600 درجه سانتي گراد باعث دهيدراته شدن سلولز و و تبديل آن به ساختارهاي
نانوكربني شود همانند فرايند اكسيداتيو دليگنيفيكاسيون ميشود.
اكثر گياهان و مخصوصا چمن ها داراي آوندهايي از جنس سلولز، همي سلولز و ليگنين براي حمل و نقل مواد به ساير اندام ها مي باشند. اين ساختارهاي لوله مانند منبعي از كربن هستند که نقش اساسي در توليد نانوتيوب ها ايفا مي کنند. استفاده از همان دما بر روي كربوهيدرات هايي كه فاقد شكل لوله اي هستند مانند گلوكز و ساكارز، نانو لوله هاي اندكي را توليد خواهد كرد . اما چوب و كنف- مواد گياهي با ساختار لوله اي – منبع مفيدي براي توليد نانولوله ها مي باشند.
به گفته  Zhenhui Kang ، نانولوله هاي توليدي داراي نقص هايي در ديواره مي باشند اما با اين وجود از آنها مي توان در كاتاليز مواد مانند كاتاليزورها استفاده نمود.
به گفتهُ وي محققان با بررسي تاثير واكنش هاي  مختلف بر ميزان توليد نانو لوله هاي كربني به دنبال يافتن راه ايده آل  با راندمان بالا و هزينه كم مي باشند که اين پروسه راه جديدي را براي گسترش ساخت نانولوله هاي كربني فراهم مي كند.
فصل دوم
انتقال گرما به وسيله نانوسيالات
2 . تهيه نانوسيالات
3 . انتقال حرارت در سيالات ساکن
4 . جريان، جابه‌جايي و جوشش
5 . هدايت حرارتي نانوسيال
6 . چشم‌انداز
انتقال گرما به وسيله نانوسيالات
اخيراً استفاده از نانوسيالات که در حقيقت سوسپانسيون پايداري از نانوفيبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان راهبردي جديد در عمليات انتقال حرارت مطرح شده است. تحقيقات اخير روي نانوسيالات، افزايش قابل توجهي را در هدايت حرارتي آنها نسبت به سيالات بدون نانوذرات و يا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو
ذرات) نشان مي‌دهد. از ديگر تفاوت‌هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت حرارتي از دما، همچنين افزايش فوق‌العاده فلاکس حرارتي بحراني در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانوسيالات نتايج قابل بحثي است که به عنوان مثال مي‌توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت حرارتي با تئوري‌هاي موجود اشاره کرد. اين امر نشان دهنده ناتواني اين مدل ها در پيش‌بيني صحيح خواص نانوسيال است. بنابراين براي کاربردي کردن اين نوع از سيالات در آينده و در سيستم‌هاي جديد، بايد اقدام به طراحي و ايجاد مدل‌ها و تئوري‌هايي شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهاي سياليت نانوذرات و تصحيحات مربوط به آن کرد.
سيستم‌هاي خنک کننده، يکي از مهم‌ترين دغدغه‌هاي کارخانه‌ها و صنايعي مانند ميکروالکترونيک و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبه‌رو باشد. با پيشرفت فناوري در صنايعي مانند ميکروالکترونيک که در مقياس‌هاي زير صد نانومتر عمليات‌هاي سريع و حجيم با سرعت‌هاي بسيار بالا (چند گيگا هرتز) اتفاق مي‌افتد و استفاده از موتورهايي با توان و بار حرارتي بالا اهميت به سزايي پيدا مي‌کند، استفاده از سيستم‌هاي خنک‌کننده پيشرفته و بهينه، کاري اجتناب‌ناپذير است. بهينه‌سازي سيستم‌هاي انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت مي‌گيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاه‌ها مي‌شود؛ لذا براي غلبه‌ بر اين مشکل، به خنک
کننده‌هاي جديد و مؤثر نياز است و نانو سيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شده‌اند. نانوسيالات به علت افزايش قابل توجه خواص حرارتي، توجه بسياري از دانشمندان را در سال‌هاي اخير به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولوله‌هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي اين سيالات ايجاد مي‌کند [2] [3]؛ در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيون‌هاي معمولي، به غلظت‌هاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است؛ اين در حالي است که مشکلات رئولوژيکي و پايداري اين سوسپانسيون‌ها در غلظت‌هاي بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت مي‌شود. در برخي از تحقيقات، هدايت حرارتي نانوسيالات، چندين برابر بيشتر از پيش‌بيني تئوري‌ها است. از ديگر نتايج بسيار جالب، تابعيت شديد هدايت حرارتي نانوسيالات از دما [4] [5] و افزايش تقريباً سه برابري فلاکس حرارتي بحراني آنها در مقايسه با سيالات معمولي است [6 و7 [اين تغييرات در خواص حرارتي نانوسيالات فقط مورد توجه دانشگاهيان نبوده در صورت تهيه موفقيت‌آميز و تأييد پايداري آنها، مي‌تواند آينده‌اي اميدوارکننده در مديريت حرارتي صنعت را رقم بزند. البته از سوسپانسيون نانوذرات فلزي، در ديگر زمينه‌ها از جمله صنايع دارويي و درمان سرطان نيز استفاده شده است [8]. به هر حال تحقيق
در زمينه نانوذرات، داراي آينده‌اي بسيار گسترده است .

شکل 1. تصاوير TEM از نانو سيال مس (چپ)، نانو ذرات اکسيد مس (وسط) و ذرات کلوئيدي طلاسرب (راست) که در مطالعات مقاومت فصل مشترک استفاده شده اند. ذرات اکسيد مس حالت خوشه اي دارند و کلوئيد هاي طلاسرب توزيع مناسب و اندازه يکسان دارند.
2 . تهيه نانوسيالات
بهبود خواص حرارتي نانوسيال احتياج به انتخاب روش تهيه مناسب اين سوسپانسيون‌ها دارد تا از ته‌نشيني و ناپايداري آنها جلوگيري شود. متناسب با کاربرد، انواع بسياري از نانوسيالات از جلمه نانوسيال اکسيد فلزات، نيتريت‌ها، کاربيد فلزات و غيرفلزات که به وسيله يا بدون استفاده از سورفکتانت در سيالاتي مانند آب، اتيلن گليگول و روغن به وجود آمده است. مطالعات زيادي روي چگونگي تهيه نانوذرات و روش‌هاي پراکنده‌سازي آنها درسيال پايه انجام شده است که در اينجا به طور مختصر چند روش متداول‌ را که براي تهيه نانوسيال وجود دارد ذکر مي‌کنيم. يکي از روش‌هاي متداول تهيه نانوسيال، روش دو مرحله‌اي است [10]. در اين روش ابتدا نانوذره يا نانولوله معمولاً به وسيله روش
رسوب بخار شيميايي (CVD) در فضاي گاز بي‌اثر به صورت پودرهاي خشک تهيه مي‌شود [11] [ شکل 1. وسط]، در مرحله بعد نانوذره يا نانولوله در داخل سيال پراکنده مي‌شود. براي اين کار از روش‌هايي مانند لرزاننده‌هاي مافوق صوت و يا از سورفکتانت‌ها استفاده مي‌شود تا توده‌هاي نانوذره‌اي به حداقل رسيده و باعث بهبود رفتار پراکندگي شود. روش دو مرحله‌اي براي بعضي موارد مانند اکسيد فلزات در آب، ديونيزه شده بسيار مناسب است [10] و براي نانوسيالات شامل نانوذرات فلزي سنگيني، کمتر موفق بوده است
روش دو مرحله‌اي داراي مزاياي اقتصادي بالقوه‌اي است؛ زيرا شرکت‌هاي زيادي توانايي تهيه نانوپودرها در مقياس صنعتي را دارند
روش يک مرحله‌اي نيز به موازات روش دو مرحله‌اي پيشرفت کرده است؛ به طور مثال نانوسيالاتي شامل نانوذرات فلزي با استفاده از روش تبخير مستقيم تهيه شده‌اند [2] و [12]. در اين روش، منبع فلزي تحت شرايط خلاء تبخير مي‌شود [14] [شکل 1. چپ[در اين روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل خود مي‌رسد، اما فشار بخار پايين سيال يکي از معايب اين فرايند محسوب مي‌شود؛ ولي با اين حال روش‌هاي شيميايي تک مرحله‌اي مختلفي براي تهيه نانوسيال به وجود آمده است که از آن جمله مي‌توان به روش احياي نمک فلزات و تهيه سوسپانسيون آن در حلال‌هاي مختلف براي تهيه نانوسيال فلزات اشاره کرد [16] [شکل 1. راست]. مزيت اصلي روش يک مرحله‌اي، کنترل
بسيار مناسب روي اندازه و توزيع اندازه ذرات است.

شکل 2. ارتباط هدايت الکتريکي با جزء حجمي نانو ذرات، بر اساس تئوري ميانگين متوسط براي نانو ذرات بسيار هادي (خط چين پايين) و مدل کلوخه هاي متراکم
3 . انتقال حرارت در سيالات ساکن
خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيون‌هاي معمولي، رابطه غيرخطي بين هدايت وغلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما و افزايش شديد فلاکس حرارتي در منطقه جوشش است. اين خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهيه نسبتاً آسان و ويسکوزيته قابل قبول باعث شده تا اين سيالات به عنوان يکي از مناسب‌ترين و قوي‌ترين انتخاب‌ها در زمينه سيالات خنک کننده مطرح شوند. نتايج يکي از تحقيقات منتشر شده در زمينه تغيير هدايت حرارتي نانوسيال به عنوان تابعي از غلظت در شکل (2) آمده است.
بيشترين تحقيقات روي هدايت حرارتي نانوسيالات، در زمينه سيالات حاوي نانوذرات اکسيد فلزي انجام شده است .
ماسودا افزايش 30 درصدي هدايت حرارتي را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمي آلومينا به آب گزارش کرده است. لي [15] افزايش 15 درصدي را براي همين نوع نانوسيال با همين درصد حجمي گزارش کرده است که تفاوت اين نتايج را ناشي از تفاوت در اندازه نانوذرات به‌کار رفته در اين دو تحقيق مي‌داند. قطر متوسط ذرات آلوميناي بکاررفته در آزمايش اول 13نانومتر و در آزمايش دوم 33 نانومتر بوده است. زاي و همکاران [20] [19] افزايش 20 درصدي را براي 50 درصد حجمي از همين نانوذرات گزارش کرده‌اند. گروه مشابهي [21] براي نانوذرات کاربيد سيليکون نيز به نتايج مشابهي رسيدند. لي بهبود نسبتاً کمتري را در هدايت حرارتي نانوسيالات حاوي نانوذرات اکسيد مس، نسبت به نانوذرات آلومنيا مشاهده کرد؛ در حالي که ونگ [24] 17 درصد افزايش هدايت حرارتي را براي فقط 4/0 درصد حجمي از نانوذرات اکسيد مس در آب گزارش کرده است. براي نانوسيال با پايه اتيلن گليکول، افزايش بالاي 40 درصد براي 3/0 درصد حجمي مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است. پتل [5] افزايش بالاي 21 درصد براي سوسپانسيون 11 درصد حجمي از نانوذرات طلا و نقره که به ترتيب در آب و تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد. در مواردي هم هيچ افزايش قابل توجهي در هدايت مشاهده نشده است [23]. اخيراً تحقيقات ديگري روي وابستگي هدايت به دما براي غلظت‌هاي بالاي نانوذرات اکسيد فلزات و
غلظت‌هاي پايين نانوذرات فلزي در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دماي 20 تا 50 درجه سانتيگراد افزايش دو تا چهار برابري در هدايت مشاهده شده است و در صورت تأييد اين خواص براي دماهاي بالاتر مي‌توان نانوسيال را در سيستم‌هاي گرمايشي نيز استفاده کرد.
بيشترين افزايش هدايت در سوسپانسيون نانولوله‌هاي کربني گزارش شده است که علاوه بر هدايت حرارتي بالا، نسبت طول به قطر بالايي دارند[شکل 3]. از آنجا که نانولوله‌هاي کربني، تشکيل يک شبکه فيبري مي‌دهند، سوسپانسيون آنها بيشتر شبيه کامپوزيت‌هاي پليمري عمل مي‌کند. بيرکاک[25] افزايش 125 درصدي هدايت را در اپوکسي پليمر- نانولوله حاوي يک درصد نانولوله تک ديواره گزارش کرد، همچنين مشاهده کرد که با افزايش دما، هدايت حرارتي افزايش مي‌يابد. چوي[3] براي سوسپانسيون يک درصد نانولوله‌هاي چند ديواره در روغن [شکل 3 ب] 16 درصد افزايش هدايت حرارتي گزارش کرده است. گزارش‌ها و تحقيقات مختلفي در زمينه افزايش هدايت حرارتي سوسپانسيون نانولوله‌کربني ارائه شده است؛ زاي [26] افزايش ده تا 20 درصدي هدايت حرارتي را در سوسپانسيون يک درصد حجمي با سيال آب گزارش کرده است. ون و دينگ [27] نيز 25درصد افزايش هدايت را در سوسپانسيون 8/0 درصد حجمي در آب گزارش کرده است. اسيل [23] بيشترين افزايش را 38 درصد براي سوسپانسيون شش درصد حجمي در آب گزارش کرده است.

فایل : 153 صفحه

فرمت : Word