(نانو فولرن ها fullerene و باکی بال ها Bucky ball)خواص ساختاری و الکترونیکی منحصر به فرد

فولرن ها را با توجه به تعداد اتم های موجود در ساختمان شان شناسایی می کنند. برای نامگذاری فولرن ها از یک حرف C استفاده می شود که بیانگر اتم کربن موجود در ساختار آن هاست.

فولرنها از جمله موادی هستند که بسیاری از مواد نانو بر پایه آن بنا شده است.خواص ساختاری و الکترونیکی منحصر به فرد، و نیز کاربرد آنها در زمینه های مختلف از قبیل کاربردهای الکترونیکی مانند ساخت  نانو الکترود های به کار رفته در مدار های الکتریکی خاص، نانو فوتونیکی در نانو سلول های خورشیدی و جاذب نانو طول موج های خاص میباشد.لایه های نانو لوله ها  می توانند مانند یک فلز رفتار کنند و از نظر الکتریکی زوایه دار انجام شوند. تغییر ساختار و ساختمان در آنها میتواند نمایش خصوصیات نیمه هادی. یا غیر هدایت کننده باشد به عنوان مثال ، تغییر جزئی در قسمت مارپیچ می تواند لوله را از یک فلز به یک نیمه هادی با شکاف بزرگ تبدیل کند.لایه های نانو لوله ها  می توانند مانند یک فلز رفتار کنند و از نظر الکتریکی زوایه دار انجام شوند. تغییر ساختار و ساختمان در آنها میتواند نمایش خصوصیات نیمه هادی. یا غیر هدایت کننده باشد به عنوان مثال ، تغییر جزئی در قسمت مارپیچ می تواند لوله را از یک فلز به یک نیمه هادی با شکاف بزرگ تبدیل کند.

خواص ساختاری و الکترونیکی منحصر به فرد، و نیز کاربرد نانو باکی بال ها Bucky ball  در زمینه های مختلف از قبیل کاربردهای نانو الکترونیکی مانند ساخت  نانو الکترود های به کار رفته در مدار های الکتریکی خاص، نانو فوتونیکی در نانو سلول های خورشیدی و جاذب نانو طول موج های خاص میباشد.

باکی بال (C60) و فولرنها از جمله موادی هستند که بسیاری از مواد نانو بر پایه آن بنا شده است.خواص ساختاری و الکترونیکی منحصر به فرد، و نیز کاربرد آنها در زمینه های مختلف از قبیل کاربردهای الکترونیکی مانند ساخت  نانو الکترود های به کار رفته در مدار های الکتریکی خاص، نانو فوتونیکی در نانو سلول های خورشیدی و جاذب نانو طول موج های خاص میباشد.

از مهمترین و منحصر به فرد ترین خواص فولرن ها، توانایی آنها در حفظ اتم ها و یا مولکول های کوچک در درون قفس کربنی می باشد. قفس های کربنی اندو هدرال (EFs) ،به دلیل پایداری ذاتی،نانو ساختارهای اندو هدرال آنها که حاوی یک یا دو اتم فلزی مانند ScوLa و یا حاوی یک فلز –نیترید خوشه ای مانندSc3N میباشند سنتز شده اند. اهمیت پارامترهای فضائی و الکترونی مرتبط با ساختار قفس مانند فولرن در عوامل این واهمیت درون گیر نانو ساختار ها و پایداری این ترکیبات میباشد. خواص نوری ، انرژی های یونش و الکترون خواهی و پایداری نسبی چند گانگی های مختلف فلرون ها بسیار تاثیر گذار در تکثیر ادوات نانو الکترونیکی میباشد. از میان مجموعه فولرن ها، ساختارهایC60 ,C70 بیشترین فراوانی را دارا می باشند. این مقادیر به ترتیب شامل 75 و 24 درصد می باشند و 1 در صد باقیمانده نیزاز فولرن های C74 تا C100 تشکیل شده است.قفس C60 با تقارن Ih قطری در حدود 7Å دارد. مولکول C70 نیز به شکل توپ راگبی است و تقارن آن معمولا ساختاری مسطح دارد اما در فولرن ها آرایش 5h ،عرض آن 7Å و طول آن Å 10 است. کربن پیوندی کربن از حالت مسطح خارج می شود به طوری که سه پیوند، یک هرم کم عمق را ایجاد می کنند. فشار حاصل از این تغییر، در مولکول C60 حدود mol/kcal 400 تفاوت انرژی ایجاد می کند که این مطلب می تواند دلیل قانع کننده ای برای واکنش پذیری بیشتر فولرن ها نسبت به نانو لوله ها باشد.این دسته از ترکیبات نانو ساختار اولین بار به روش تخلیه ی الکتریکی بدست آمدند. البته مکانیسم دقیقی برای تشکیل فولرنها شناخته نشده است، اما به نظر میرسد آنها در طی ایجاد پلاسما کربن تولید می شوند. خالص سازی فولرن ها معمولا توسط کروماتوگرافی ستونی با عملکرد بالا انجام میشود. همچنین در مقیاس کوچکتر، عمل تصعید میتواند برای تولید فولرن های عاری از حلال با خلوص بالا استفاده شود. فولرنها جامد های دوده مانند وتیره رنگ و در بعضی از موارد درخشان هستند. حلالیت فولرنها در حلالهای هیدروکربنی ناچیز است معمولا اما در حلال های نانو مولکول  آروماتیک  زیاد است و در ترکیبات نانو ساختار  فولرنهای بزرگتر از فولرنهای کوچکتر کمتر حل میشوند.

نانو فولرین ها با قابلیت ذخیره انرژی الکترو استاتیکی که آنها را می توان به عنوان نانو ابر خازنی با ظرفیت بسیار بالا بکار برد. همچنین بوسیله این نانو لوله ها میتوان شبکه عصبی را ترمیم کرد. نانو فولرین های کربنی، آلوتروپی از کربن نظیر الماس و گرافیت هستند این ترکیبات از کربن ساخته شده اند که شکلهای کروی، بیضوی به خود می گیرند به آن دسته که کروی شکل هستند، باکی بال می گویند.فولرینها فعالیت شیمیایی زیادی ندارند. پهنای صفحه گرافیت حدود چند نانومتر.طول نانو لوله ها در بازه ای در حدود چند میکرومتر تا کمتر از یک متر است.ساختار مولکولی منحصربفرد آنها باعث ایجاد خواص ماکروسکوپی غیرمعمول است

نانو فولرین های غیرکربنی

در فولرین های غیرکربنی، عناصر دیگر، ساختاری مشابه فولرین ها را به وجود می آورند، ساختار شیمیایی این فولرین ها اغلب اکسید فلزی است، اکسید وانادیوم یک نمونه از آنهاست.

فولرین های درون وجهی

اتم های مختلف را داخل خود محصور می کنند، نانو ساختارهای به دست آمده برای کاربردهایی از جمله ردیابی عناصر و فرایندهای زیست شناختی به کار می روند.

فولرین های چند لایه

فولرین های چند لایه شامل چند فولرین است که در داخل یکدیگر قرار دارند. به همین دلیل به این ساختار نانو پیاز نیز گفته می شود.

فولرین ها به نور حساس اند و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی شان به شدت تغییر می کند. مانند: دیودهای نور افشان آلی با طول عمر و عملکرد بالا ودرون مولکول های فولرین ها را می توان توسط عناصر دیگر پر کرد. به عنوان مثال با قرار دادن برخی عناصر فلزی درون فولرین ها می توان خواص الکتریکی آنها را ارتقاء داد. همچنین از مولکول فلورین برای ذخیره سازی در نانو ابر خازن ها و حبس اتم های غیرکربنی می توان استفاده کرد.

در علم نانو و نانو الکترونیک نانو لوله های کربنی کاربرد های بسیاری دارند. کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است که به چهار صورت مختلف گرافیت، الماس، نانو لوله ها و باکی بالها در طبیعت یافت میشود. همه این چهار شکل، جامد هستند و در ساختار آنها اتمهای کربن به صورت کامل  و منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.

کربن از مهمترین عناصر موجود در طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید میکند. به عنوان مثال فولاد که یکی از اصلی ترین آلیاژهای مهندسی است از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل میشود ؛ با تغییر درصد کربن به میزان تنها چندصدم درصد میتوان انواع فولاد را به دست آورد. »شیمی آلی« نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی »کربن« و »هیدروژن« میپردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایه گذاری شده است. کربن، به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت میشود که همه این چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتمهای کربن به صورت کامل منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.

این ساختارها عبارتند از:

01.گرافیت

02.الماس

03.(باکی بالها) مانندC60

04 .نانولوله ها

گرافیت یکی از مهمترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از قرارگرفتن شش اتم کربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. این اتمهای کربن به گونهای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک شش ضلعی منتظم را پدید میآورند و از مجموع آنها، صفحهای به دست میآید که به عنوان یک (الیه گرافیت) در نظر گرفته میشود.

اتمهای کربن با پیوندهای کوالانسی که پیوندی قوی و محکم است به یکدیگر متصل شده اند. لازم به ذکر است که اتمهای کربن به کار رفته در یک الیه گرافیت نمیتوانند با کربنی خارج از این الیه پیوند کوواالنسی بدهند. بنابراین یک الیه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس  که پیوندهایی ضعیف هستند به الیه زیرین متصل میشود. این مساله باعث میشود که صفحههای گرافیت بهراحتی روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب در »روغنکاری« و »روانکاری« استفاده میشود. علت نرمی سطوحی که با مداد روی آنها نوشته شده است نیز همین نکته است.

الماس- 1-2

در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم کربن با چهار اتم پیوند کوالانسی برقرار کرده است. به سبب وجود پیوند قوی کوواالنسی کربن-کربن جزو سختترین مواد موجود در طبیعت با سختی 01 در مقیاس مورس محسوب میشود. همین ساختار باعث ایجاد خواص شگفتانگیزی در الماس گردیده است که از آن جمله میتوان به هدایت گرمایی چند برابر مس و دمای ذوب حدود 3111 اشاره کرد.

3-1 -باکی بالها

باکی بالها ساختارهای کربنی گلوله ای شکل و توخالی هستند که معروفترین آنها C60 یا فولرین است. C60 ساختاری شبیه به توپ فوتبال دارد. اتمهای کربن در آن با پیوند کوالانسی به صورت پنج ضلعی و شش ضلعی به هم متصل شده اند. در واقع این کره از 30 قسمت که 01 تای آن شش ضلعی و 00 تای آن پنج ضلعی است تشکیل شده است. باکی بالها بخاطر خصوصیات شیمیایی و شکل توخالی و قفس مانند خود کاربردهای بسیاری دارند. باکی بالها بی نهایت پایدار هستند و میتوانند فشارها و دماهای بسیار بالا را تحمل کنند. اتمهای کربن باکی بالها میتوانند با اتمها و مولکولها واکنش دهند بدون آنکه پایداری و ساختمان کروی آنان دچار تغییر یا عیب شود.

4-1 -نانو لوله های کربنی

نانولوله های کربنی از مهمترین و پرکاربردترین ساختارهای کربنی هستند که اخیرا کشف شدهاند. آنها از خواص و ویژگیهای منحصر بفردی برخوردار هستند. نانولوله های کربنی علاوه بر اینکه استحکام بسیار بالایی دارند، از انعطاف و پیچش پذیری خوبی نیز برخوردارند. یکی از کاربردهای آنها، کامپوزیت است. مهمترین خاصیت نانولولهها، هدایت الکتریکی آنهاست که بستگی به میزان نظم قرار گرفتن اتمها، مقدار این پارامتر متغیر است.