انابيب نانو كربون ؟

[الشمعه]

السلام عليكم , انا طالبة ماجستير قسم فيزياء , أريد معلومات او روابط عن أنابيب نانو كربون أحادية الجدران والخلايا الشمسية , الخصائص ؟؟

[deadheart]

سيتم تلبية طلبك عن قريب


تحياتي

[deadheart]

[justify]
أنابيب النانو الكربونية Carbon Nanotubes CNTs


أنابيب النانو الكربونية Carbon nanotube و التي يرمز لها إختصارا CNTs هي ببساطة جزيئات كربون، و هي كيميائيا من عائلة الجرافيت و الألماس. و هذه الأنابيب الكربونية مثلها مثل جسيمات النانو الأخرى تظهر الكثير من الخواص الكهربائية و الضوئية و الميكانيكية الإستثنائية و المميزة. و من أهم خواص هذة الجسيمات هي قوتها المكانيكية العالية جدا، و التي يجعل من المتوقع أستخدامها أستخداما كبيرا جدا في تطبيقات الكترونيات النانو Nano-electronics مثل الأسلاك الكمية أحادية البعد one-dimensional quantum wire ، و كذلك في تقنيات تقوية مواد البوليمر.
من ناحية تاريخية فإن إكتشاف أنابيب النانو الكربونية CNTs لم يكن ممكن الا بعد ما تم أكتشاف جزيء الكربون المسمى التركيب "شبيه القفص" و الذي أطلق عليه الفلورين، و الذي سمي بعد ذلك "كربون-ستون" C60 و ذلك من قبل الباحثين Smalley و فريقه في الوليات المتحدة الأمريكية و كذلك Kroto و فريق بحثه في بريطانيا في عام 1985 ، و بعد ذلك التاريخ توالت الأبحاث من أجل دراسة و أكتشاف تركيبات جديدة للكربون، و في عام 1991 م أكتشف الباحث الياباني Sumio Iijima أنابيب النانو الكربونية حيث لاحظ و خلال تحضيره لتركيبات جزيئات الكربون تكون جزيئات كربونية ذات أشكال أنبوبية مفرغة و مغلقة بتركيبات ذات شكل نصف كروي حيث إستخدم في تحضيرها تقنية Direct-current arc discharge بأستخدام قطبين كربونيين مغمورين في غاز الهليوم عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية، و قد أطلق على هذه الأنابيب بعد ذلك أنابيب النانو الكربونية. و الجدير بالذكر أن هذه الأنابيب التي أكتشفت في عام 1991م هي أنابيب النانو الكربونية متعددة الجدر Multi-walled Crboon nanotubes و يرمز لها إختصارا MWCNTs حيث تم بعد ذلك و في عام 1993 و على يد نفس الباحث اليابني تحضير أنابيب النانو الكربونية وحيدة الجدار Single-walled Crboon nanotubes و التي يرمز لها إختصارا SWCNTs، و في عام 1996م تم تحضير حزمة من أنابيب النانو الكربونية و حيدة الجدار و ذلك على يد الباحث Smalley و فريق بحثه.

لتركيب الدقيق لجزيء الكربون-ستون C60



التركيب الدقيق لأنبوب النانو الكربوني متعدد الجدر (MWCNTs)




2.jpg (26.78 KiB) شوهد 351 مرات



ed094c25a2رقم 1.jpg (71.71 KiB) شوهد 339 مرات


أنبوب النانو الكربوني وحيد الجدار (SWCNTs)




التركيب الدقيق لأنابيب النانو الكربونية




هناك نوعان من أنابيب النانو الكربونية، و هي كما ذكرنا سابقا أنابيب النانو الكربونية وحيدة الجدار و أنابيب النانو الكربونية متعددة الجدر.
أنبوب النانو الكربوني و حيد الجدار يتراوح قطره من 0.7 نانو متر الى 10 نانومتر و في أغلب الحالت يكون معدل قطره في حدود 2 نانومتر، بينما يصل طوله الى عدة ميكرومترات، له نهاية واحدة مغلقة على الأقل و ذلك بتركيب نصف كروي يشبة القبعة، و سماكة جدار هذا الأنبوب هي ذرة كربون واحدة، فهو عبارة عن شريحة كربون (شريحة جرافيت) ذات سماكة ذرة واحدة تطوى على شكل أسطوانة. أما أنبوب النانو الكربوني متعدد الجدر فهو عبارة عن مجموعة من أنابيب النانو وحيدة الجدار المتداخلة و ذات المركز المتحد و يتراوح قطر هذا الأنبوب مابين 10 نانومتر الى 30 نانومتر و يبلغ عدد الأنابيب وحيدة الجدار المكونة له غالبا ما بين 7 الى 20 أنبوب.

و بالنظر الى التركيب المجهري و ذلك على مستوى التركيب البنائي الدقيق لأنبوب النانو الكربوني نجد أن هذا الأنبوب له وحدة بناء (شبيكة) سداسية الشكل hexagonal lattices مكونة من ست ذرات كربون تتخذ الشكل السداسي و يجدر الإشارة هنا إلى إن أنابيب النانو الكربونية تنقسم إلى ثلاثة أنواع هي تركيب "كتف الكرسي" armchair و التركيب " المتعرج" zigzag و تركيب "تشارول" chiral و يعود السبب في تكون هذه الأنواع الثلاثة إلى معاملين مهمين هما:
أولا: متجه تشارول لأنبوب النانو الكربوني chiral vector of the nanotube و يرمز له بالرمز Ch و يعرف رياضيا

بالعلاقة التالية Ch = nâ1 + mâ2
حيث n و m أرقام صحيحة
و â1 و â2 المتجهان الأحاديان ضمن الشبيكة ثنائية الأبعاد
ثانيا: زاوية تشارول chiral angle و يرمز لها بالرمز و هي الزاوية المحصورة بين معامل تشارول Ch و المتجه â1
و هناك معامل آخر له تأثير في إختلاف تركيب أنبوب النانو الكربوني و هو محور طي شريحة الجرافيت المكونة لأنبوب النانو كربون و ذلك لأن إختلاف مواضع إلتقاء متجه تشارول يؤدي إلى إختلاف نوع الأنبوب.
و عليه فإن أنبوب النانو الكربوني من نوع "كتف الكرسي" armchair CNT يتكون عندما تكون زاوية تشارول تساوي 30 درجة و معامل n يساوي معامل m إي (n=m)، و أنبوب النانو الكربوني من نوع "المتعرج" zigzag CNT يتكون عندما تكون قيمة n أو m تساوي الصفر إي (n or m = 0) و زاوية تشارول تساوي صفر، و أخيرا فإن أنبوب النانو الكربوني من نوع "تشارول" chiral CNT يتكون عندما تأخذ زاوية تشارول إي قيمة ما بين 0 و 30 درجة.
846dd652b1ىلا.jpg



شكل يوضح المعاملات المؤثرة في تكون الأنواع الثلاثة لأنابيب النانو الكربونية التي ذكرنها سابقا



3.jpg (23.6 KiB) شوهد 332 مرات





الأنواع الثلاثة لتركيب أنبوب النانو الكربوني بناءا على إتجاه محور الطى
4.jpg (41.71 KiB) شوهد 330 مرات




خصائص أنابيب النانو الكربونية



إن الخواص الميكانيكية المذهلة لأنابيب النانو الكربونية تعود لقوى الربط الغير عادية بين جزيئاتها. فمعامل يونج (معامل صلابة المادة) و الذي هو نسبة الإجهاد الميكانيكي الى الإنفعال الميكانيكي لأنبوب النانو الكربوني يصل الى حوالي 1000GPa و هذا القيمة أكبر من قيمة معامل يونج للفولاذ و الذي هو أصلب المعادن المعروفة حتى الآن بأكثر من خمس مرات. كما يبلغ إجهاد الكسر لأنابيب النانو الكربونية حوالي 63MPa و هذا الرقم أكبر من إجهاد الكسر للفولاذ بخمسين مرة. و إيضا من الخصائص الفريدة لأنابيب النانو الكربونية هي إنخفاض كثافتها حيث تتراوح كثافة هذه الأنابيب ما بين 1.22 gm/cm3 الى 1.4 gm/cm3 بينما تبلغ كثافة الألمونيوم و هو من أخف المعادن المعروفة حتى اليوم 2.7 gm/cm3 ، و هذا يعني أن هذه الأنابيب سيكون لها تطبيقات كبيرة جدا في مجال تقنيات الفضاء و الطيران ذلك لأنها ذات كثافة منخفضة جدا إي أنها خفيفة الوزن و في نفس الوقت ذات قوة و صلابة عالية جدا تفوق صلابة المعادن. و أنابيب النانو الكربونية لها خصائص الكترونية غير إعتيادية، فيمكن أن تكون موصلة كما يمكن أن تكون شبة موصلة و ذلك بناءا على تركيبها الجزيئي، فبعض هذه الأنابيب تمتلك موصلية كهربائية أعلى من النحاس فبعض الحسابات تشير الى أن هذه الأنابيب تستطيع حمل تيار كهرابي بقوة مليار أمبير لكل سم مربع، علما بأن النحاس ينصهر تماما أذا مر فيه تيار بقوة مليون أمبير لكل سم مربع. و بعض هذه الأنابيب لها خصائص السيلكون إي أنها تتصرف مثل أشباة الموصلات. أنابيب النانو الكربونية لها إيضا خواص حرارية غير إعتيادية فهي تملك موصلية حرارية أعلى مرتين من الألماس و الذي يعد أكثر المواد توصيلا للحرارة و كل هذه الخواص و غيرها تعتمد على طبيعة التركيب الجزيئي لهذه الأنابيب.


و في الجدول التالي ملخص لأهم خواص أنابيب النانو الدقيقة مقارنة إلى بعض المواد المعروفة






تصنيع أنابيب النانو الكربونية

في ما يلي سنقدم عرضا مختصرا لأهم ثلاث تقنيات لتصنيع و تحضير أنابيب النانو الكربونية، علما بإن هناك عدد من التقنيات يتم إختبارها و إستخدامها من أجل توفير طرق غير مكلفة لتصنيع و توفير هذه الأنابيب ذات الخواص الغير عادية مما يؤدي الى إمكانية دراستها و إستخدامها بشكل أكبر و أوسع و ذلك لأن أنابيب النانو الكربونية ذات سعر مرتفع جدا كما أن تقنيات التصنيع ما زالت تحتاج للكثير من الدراسة و التطوير للحصول على الخواص المطلوبة في أنابيب النانو الكربونية التي يتم إنتاجها. و في ما يلي شرح لهذه التقنيات الثلاثة:

تقنية قوس التفريغ




إن تقنية أو طريقة قوس التفريغArc-Discharge technique هي من أول التقنيات إستخداما في تصنيع و تحضير تركيبات الكربون "الفلورين" حيث تم تطويرها على يد الباحث Krätschmer و فريقه، و في عام 1991م إستخدمت في إنتاج أول أنابيب النانو الكربوتية، و ذلك على يد الباحث الياباني Iijima، و في هذه التقنية يستخدم قطبين من الجرافيت أحدهما يمثل الآنود و الآخر يمثل الكاثود حيث يوضعان في حيز مغلق chamber، ويطبق بينهما جهد كهربائي يبلغ حوالي 20V ، و الجدير بالذكر أن الكاثود يحتوي جزئيا على عدد من المعادن مثل الكوبولت و النيكل و الحديد و التي تعمل كمحفزات لعملية الإنتاج، و في هذه العملية يتم ملئ الحيز المغلق بغاز خامل ثم يوضع النظام تحت التفريغ، حيث يتم تقريب القطبين من بعضهما بشكل كيف مما يسمح بحدوث قوس تفريغ كهربائي تتراوح شدة تياره ما بين 50-200A و تصل درجة الحرارة الى 4000 درجة مئوية و درجة الحرارة هذه تؤدي الى التسامي الجزيئي للكربون على الآنود، و يتم بعد ذلك ترسب ناتج العملية على جدار الحيز على شكل يشبة "شبكة العنكبوت" التقنية أستخدمت أولاً في إنتاج أنابيب النانو الكربونية متعددة الجدر، أما اليوم فيمكن و بشكل محدد إنتاج أنابيب النانو الكربونية أحادية الجدار من النوع "كتف الكرسي" و ذلك بتحكم في الغازات و المحفزات المضافة و الجدير بذكر أن نواتج هذه التقنية ليست أنابيب نانو نقية بكل إن النواتج قد تحتوي على صيغ أخرى من تركيبات الكربون مثل الجرافيت و الفلورين و بودرة الكربون الناعم


شكل تخطيطي يوضح طريقة قوس التفريغ (يسار) و صورة بجهاز TEM لأنابيب النانو الكربونية و حيدة الجدار (يمين) و التي تم تحضيرها بهذه الطريقة




طريقة التبخير بالليزر



تقنية التبخير باليزر Laser Ablation Method أو "طريقة الإستئصال الليزري" تعد التقنية الثانية بعد تقنية "قوس التفريغ" و قد تم تطويرها في عام 1992م على يد الباحث Smalley و زملائه، و ذلك بغرض تحضير كميات كبيرة من تركيبات الكربون، و في عام 1996م، تم إستخدامها في إنتاج أنابيب النانو الكربونية أحادية الجدار، و ذلك على يد نفس الفريق. و هذه التقنية تسخدم درجة حرارة عالية مثلها مثل تقنية قوس التفريغ التي تحدثنا عنها سابقا، و فيها يتم إستخدام إشعاع ليزر عالي الطاقة بحيث يركز هذا الإشعاع على هدف من الجرافيت يقع في مركز نظام تسخين مغلق (Furnace) ذو درجة حرارة مرتفعة تصل الى 1200Cο ، و يعمل الليزر على تبخير هذا الهدف في محيط يحتوي على غاز الأرجون “Argon Gas” و كذلك بعض العناصر مثل الكوبولت Co و النيكل Ni كعناصر محفزة لهذا التبخير، بعدها يتم تجميع أنابيب النانو و التي تكون على شكل بودرة ناعمة ذات لون أسود “soot”بواسطة المجمع النحاسي، كما يظهر في الشكل التوضيحي و يجدر الإشارة هنا إلى أن هذه التقنية تساعد في إنتاج كمية كبيرة من إنابيب النانو الكربونية أوحادية الجدار ذات الجودة العالية حيث تصل كمية أنابيب النانو الكربونية المنتجة بواسطة هذه التقنية الى أكثر من 85% من الناتج الكلي للعملية و الذي قد يحتوي على الفلورين كجزيء كربوني ناتج، هذا كما يمكن متابعة نمو أنابيب النانو عن طريق كاميرة فيديو عالية السرعة.



شكل تخطيطي يوضح تقنية "الليزر" لتصنيع أنابيب النانو الكربونية (يمين) و صورة بالمجهر الإلكتروني SEMتظهر أنابيب النانو الكربونية الناتجة من هذه التقنية بعد أول عملية تصفية (يسار)




تقنية ترسيب الأبخرة الكيميائية

تقنية ترسيب الأبخرة الكيميائيةChemical Vapour Deposition Method (CVD) هي الطريقة الأحدث و تم تطويرها لتتغلب على عيوب الطريقتين السابقتين من حيث إنخفاض تكلفتها و إستخدام درجة حرارة أقل في الإنتاج، كما أنها تتميز بوفرة الإنتاج و تتميز كذلك بقدرتها على إنتاج كلا النوعين إي أنابيب النانو الكربونية أحادية الجدار و متعددة الجدار. و في هذه الطريقة يتم وضع "داعم" تفاعل substrateغالبا ما يكون رقاقة سيلكون في وسط حيز التفاعل الذي يشبه الفرن oven-like و ترفع درجة حرارة الحيز الى 600 درجة مئوية، ثم يضاف غاز الهيدروكربون أو إي غازات للكربون إلى نظام التفاعل و الذي ينتج عنه فصل لذرات الكربون ثم تشكل أنابيب الكربون على الرقاقة السيلكونية، و يتم تشكيل الكثير من تركيبات الكربون الأخرى إلى جانب أنابيب النانو الكربونية مثل مسحوق الكربون و شرائح الكربون السميكة و الرقيقة و غيرها، و على الرغم من بعض العيوب التي قد توجد في الأنابيب المنتجة بهذه الطريقة ألا إن هذه الطريقة هي أكثر الطرق إنتشارا بين المجموعات البحثية لإنتاج أنابيب النانو الخاصة بهم، و ذلك لسهولة عملها و و توفر تجهيزاتها.


[/justify]

هذا الطلب الاول

[deadheart]

==تعريف الخلايا الشمسية ومبدأ عملها :==

الخلايا الشمسية محولات تأخذ طاقة من أشعة الشمس وتحولها إلى نوع آخر من الطاقة حيث تحول الخلايا الشمسية نور الشمس إلى كهرباء وتطرد كمية كبيرة من الحرارة بدون أي أجزاء مؤثرة ( ضوضاء أو تلوث أو إشعاع أو صيانة .. ) .

مميزات استخدام هذه المنظومات :

1- هذه الخلايا الشمسية بسيطة ولا تتضمن أي أجزاء متحركة .
2- لا تتطلب مولدات القدرة الشمسية أي صيانة تكنولوجية ، وبالتالي لا توجد تكلفة عملية للصيانة أو التشغيل .
3- لا تتطلب إعادة حك بالوقود .
4- لا تنتج أية عوادم تلوث للهواء .
5- قادرة على العمل بكفاءة وجودة عالية في كثير من الاستخدامات .
6- يمكن استخدامها لمدة طويلة غير محدودة .
7- لا تتأثر بالأحوال الجوية أو تغيرات الطقس أو الأحوال المحيطة .

==كيفية عمل هذه الخلايا :==

توجه لوحة الخلايا الضوئية بزاوية ميل مناسبة في واجهة الشمس حتى تتساقط أشعة الشمس عمودياً على اللوحة .
تحول الخلايا الشمسية القدرة الشمسية مباشرة إلى قدرة كهربائية بدون عمليات وسطية ، فهي تمتص معظم الطيف الشمسي وتحول جزء من هذه الإشعاعات إلى طاقة كهربائية حيث يمكن استخدامها في الحال أو تخزينها .
والمنظومات من هذا النوع تصمم أساساً لأجل المنشآت في المواقع البعيدة لفترات طويلة حيث تتصف عادة مثل هذه المواقع بقساوة عالية في طقسها ، ولذلك يجب أن تكون هذه المنظومات ذات مقاومة عالية للرياح والرطوبة والبرد والعواصف الرملية وأن تحاط بتصميم ضد هجمات الطيور والحيوانات والتآكل ، لهذا فإن المواد الأساسية التي تثبت بها الخلايا يجب أن تقاوم هذه الأشياء المحيطة ومعدن هذه الخلايا لا يتعرض للتآكل وهذه نقطة هامة جداً حيث تصنع غالبية الخلايا الشمسية من السيليكون وهو نصف معدن وقد يكون عازل ومعدن .

في حالته كمعدن لا تكون إلكترونات ذراته مرتبطة بإحكام مما يؤدي إلى جريانها بسهولة عندما يطبق عليها ضغط كهربائي ، بينما تكون الكترونات ذراته في حالة العازل مرتبطة بشدة ولا يحدث جريان عندما يطبق عليها الضغط الكهربائي .

ومن أسباب اختيار المواد السيليكونية :

1- أنـه عالي التوصـــيل الحراري .

2- الثبات الجيد مع الطقس المحيط .

3- عـــــازل ممتـــاز للكهربــــــاء .

4- عـــــــــــالي الـــــــــــــــــقدرة .

تصنع الخلايا الشمسية بجمع أو ضم نوعين من أشباه المعادن أحدهما سلبي والآخر إيجابي ، حيث أن نصف المعدن الإيجابي يصنع لاحتواء آيونات سلبية ونصف المعدن السلبي يصنع لاحتواء آيونات إيجابية ، وهذه الآيونات الإيجابية والسلبية تهيء البيئة الضرورية لمرور تيار كهربائي يتحرك ضمن الخلية الشمسية ، والضوء الصادر من الشمس هو عبارة عن جدول من جزيئات الطاقة الصافية المسماة فوتونات .

تتدفق هذه الطاقة الصافية من الشمس على الخلية الشمسية فتقوم هذه الفوتونات باختراق السيليكون وتضرب ذراته بشكل عشوائي مما يؤدي إلى تأبين ذرات السيليكون حيث يؤدي ذلك إلى إفلات إلكترون خارجي من مداره محولاً طاقته إلى طاقة حركة للالكترون ، وحركة هذه الالكترونات بطاقتها تسمى بالتيار الكهربائي .

===تطبيقات الخلايا الشمسية :===

1- تأمين الطاقة الكهربائية لقوارب الملاحة واليخوت البحرية .

2- تغذي بعض الاحتياجات المنزلية كمضخة الماء والنيون والتلفزيون ....
3- الإمداد بالقدرة لإنارة المنازل .
4- إضاءة الأرصفة على سواحل الميناء والمنشآت البحرية على الشاطىء وداخل البحر .
5- في عملية التكييف والتدفئة باستخدام مباشر لهذه الخلايا من الطاقة الحرارية المطرودة منها .
6- في الاتصالات ( الراديو ومستقبلات الراديو ) .
7- تشغيل طلمبات الري وماء الشرب .
8- علامات الطرق السريعة والسكك الحديدية في الطرق الصحراوية وغيرها من الاستخدامات الأخرى .


وقد تم مؤخراً صنع خلايا شمسية بقاعدة متحركة تدعى التابعات الشمسية ، حيث أنه خلال فترة النهار تمر الشمس عبر الخلايا الشمسية في مسار شبه دائري متجهة من الشرق إلى الغرب عبر الأفق ، لذلك فإن الزاوية بين الشمس والخلايا تختلف بشكل كبير علماً أن أفضل زاوية موجودة هي عندما تسقط أشعة الشمس عمودية على الخلايا .

وبناءً على ذلك فإن أفضل النتائج هي حين تكون الأشعة الشمسية عمودية على سطح الخلايا طيلة اليوم .


هي الطلب الثاني

[غامضة]

وااو اشكرك كثيييييرا معلومات جديدة علي ^__^

[deadheart]

إقتباس:
المشاركة الأصلية بواسطة غامضة
وااو اشكرك كثيييييرا معلومات جديدة علي ^__^

لا شكر على واجب

[الشمعه]

شكرا جزيلا, بارك الله فيك