سیم و کابل نانولوله کربن| تحولی عظیم در صنعت برق

نانوتیوب کربنی چطور کار می کند؟

کربن یکی از عناصر معروف جدول تناوبی است. این عنصر به دلیل داشتن آرایش الکترونی خاص، امکان برقراری پیوند با انواع اتم های دیگر، از جمله خودش را دارد. با برقراری پیوند اتمهای کربن با یکدیگر، لایه های گرافن به وجود می آیند و با وصل کردن دو سر این لایه های نازک، لوله نازکی با ساختار بسیار محکم پدید می آید که به آن نانو لوله کربن یا CNT گفته می شود. قدرت پیوند میان اتم های کربن در این ساختار، برای چنین لوله ظریف و یبکی، خارج است تصور است. نانولوله های کربن علاوه بر استحکام، خواص الکتریکی و حرارتی بسیار مهمی دارند که آن ها را برای طیف وسیعی از کاربرد ها از جمله ساختن سیم و کابل مناسب می سازد. سیم و کابل نانولوله کربن با توجه به مقاومت مکانیکی بالا و رسانندگی الکتریکی زیاد، جایگزین خوبی برای سیم و کابل های معمولی هستند.

کابل نانو لوله کربن که از وصل کردن دو سر چند ورقه گرافن تشکیل شده است.

هدایت الکتریکی در نانو لوله کربن نتیجه‌ی ویژگی‌های الکترونیکی منحصر به فرد آن است. الکترون‌ها در نانو لوله‌های کربن به صورت موثری حرکت می‌کنند. خاصیت رسانندگی به دلیل ساختار خاص و حرکت الکترون های ظرفیت در جهت طولی نانو لوله افزایش یافته است. توزیع گسترده‌ی حالات الکترونی و خاصیت فلزی یا نیمه‌فلزی برخی از نانو لوله‌های کربن، به آنها این امکان را می‌دهد که به عنوان مواد هدایت‌کننده‌ی بسیار عالی در سیستم‌های الکترونیکی عمل کنند. این ویژگی باعث شده است که نانو لوله‌های کربن به شکل سیم و کابل در سنسورها، ترانزیستورها، و دیگر دستگاه‌های الکترونیکی نانومتری مورد استفاده قرار گیرند.

بهبود هدایت الکتریکی در سیم و کابل نانو لوله کربن

برای بهبود هدایت الکتریکی سیم و کابل نانولوله کربن می توان نواقص ساختاری آن را حذف کرد و ساختاری یکنواخت‌تر ایجاد کرد یا پوشش هایی با رسانایی بالا برای این لوله ها در نظر گرفت. این نانو لوله ها همچنین ممکن است جهت افزایش رسانایی با مواد دیگری ترکیب شوند. افزایش رسانایی الکتریکی نانوتیوب های کربن با این روش ها، می‌توانند به توسعه فناوری‌های پیشرفته‌تر و کاربردهای گسترده‌تر در حوزه‌های الکترونیک، سنسورها، و سایر زمینه‌ها منجر شوند.

مزایای استفاده از سیم و کابل نانولوله کربن

همانطور که گفته شد، نانو لوله‌های کربن دارای هدایت الکتریکی بسیار بالا هستند. این خصوصیت امکان استفاده از سیم و کابل نانولوله کربن در تراشه‌ها، ترانزیستورها، سنسورها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی را فراهم می‌کند. اما این تنها فایده استفاده از این هادی های الکتریسیته نیست. در ادامه بره برخی از مزایای مهم نانه لوله های کربن اشاره کرده ایم:

مقاومت مکانیکی بالا:

سیم و کابل نانولوله کربن، دارای مقاومت مکانیکی بسیار بالا هستند که آن ها را به  گزینه مناسبی جهت سازه‌سازی تبدیل می کند.

وزن سبک:

وزن سبک نانو لوله‌های کربن، این مواد را به گزینه‌ای ایده‌آل برای صنایع هوافضا و خودروسازی تبدیل کرده است. چرا که وزن مواد مورد استفاده در این صنایع دارای اهمیت است.

خصوصیات حرارتی عالی:

نانو لوله های کربن دارای رسانایی حرارتی بسیار خوبی هستند، که می‌تواند در افزایش کارایی سیستم‌های خنک کننده و سایر کاربردهای حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.

سازگاری با محیط زیست:

نانو لوله‌های کربن به دلیل قابلیت بازیافت، سازگاری بالایی با محیط زیست دارند. این مواد نانوتکنولوژیک می‌توانند بارها مورد استفاده قرار بگیرند و فرآیند تجزیه آن ها هیچگونه مواد مضری تولید نمی کند. این ویژگی باعث مهم ترین مزیت سیم و کابل نانولوله کربن در مقابل سایر مواد جایگزین است.

چالش های تولید انبوه و تجاری سازی سیم و کابل نانولوله کربن

تاریخچه کشف نانو لوله کربن به سال 1991 باز می گردد اما چرا سیم و کابل نانولوله کربن در طی این سال ها وارد بازار نشده است؟ علت این امر، وجود چالش های زیاد در تولید انبوه نانو لوله ها است.

با وجود کاربردهای گسترده نانو تیوب کربن، تولید انبوه آن با چالش های بسیاری همراه است. خواص مفید و کاربردی این لوله ها در نتیجه اتصال نادرست آن ها به یکدیگر از بین می رود. چراکه این خواص تماما وابسته به ساختار نانو لوله هاست در نتیجه با به هم خوردن آرایش معین اتم ها، خبری از خواص کاربردی این نانو لوله ها نیست. در نتیجه تولید آن به دقت خاصی نیاز دارد و به کار بردن این دقت زیاد در مقیاس انبوه همیشه دشوار و هزینه بر بوده است. همچنین لازم به ذکر است که برای تولید نانولوله کربن به موادی با کیفیت بالا نیاز داریم که تهیه آن ها در مقیاس انبوه، چندان ساده نیست.

با وجود این مشکلات، امروزه تولید سیم و کابل نانولوله کربن چندان دور از انتظار به نظر نمی رسد. پیشرفت های چشمگیری در زمینه تجاری سازی و تولید انبوه CNT حاصل شده است. در سال های اخیر، روش های جدیدی برای تولید CNT با کیفیت و با خلوص بالا توسعه یافته است. همچنین، روش های جدیدی برای اتصال CNT ها به یکدیگر توسعه یافته است. این پیشرفت ها نشان می دهد که تجاری سازی CNT در آینده نزدیک امکان پذیر است.

سایرکاربردهای نانولوله کربن

همانطور که در بالا توصیح داده شد، ویژگی های منحصر بفرد نانولوله های کربنی، آن ها را به هادی های فوق العاده ای برای جریان برق تبدیل می کند. اما ساختن سیم و کابل نانولوله کربن، تنها کاربرد این نانو لوله ها نیست. نانو لوله‌ های کربن به دلیل خاصیت ترموالکتریک، قابلیت تبدیل حرارت اتلافی به الکتریسیته را دارند. این قابلیت در فناوری‌های خنک‌کننده، تولید انرژی از حرارت محیط، و حسگرهای ترموالکتریک کاربرد دارد. این فناوری نشان‌دهنده نقش پررنگ نانو لوله‌های کربن در تحولات انرژی و تکنولوژی‌های پیشرفته است. همچنین، در حوزه انرژی خورشیدی، CNTها با افزایش بهره‌وری پنل‌های خورشیدی و به کار بردن در الکترودها، الکترونیک نانوتکنولوژی، و سلول‌های خورشیدی به بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی کمک می‌کنند.

کاربرد نانو لوله های کربن در تولید لباس‌های هوشمند نیز از جالب ترین کاربردهای آن است. نانو لوله‌های کربن با ویژگی‌های حرارتی، الکتریکی و مکانیکی خود می‌توانند به تنظیم حرارت، حسگرهای ترموالکتریک و انتقال داده بی‌سیم در لباس‌ها منجر شوند، که این کاربردها ممکن است تاثیرات بزرگی در صنعت مد و تکنولوژی پوشاک ایجاد کنند.

نتیجه گیری

نانولوله کربن، دارای ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی قابل ملاحظه و مقاومت مکانیکی بالایی است. سیم و کابل نانولوله کربن به عنوان جایگزینی مناسب برای سیم‌ها و کابل‌های معمولی شناخته می‌شود. نانولوله های کربن در صنایع مختلف برای تبدیل حرارت به انرژی الکتریکی و یا رسانایی الکتریکی استفاده می شوند. با توسعه روش‌های تولید نانولوله های کربن، امکان تجاری‌سازی و بهره‌مندی از این مواد در آینده نزدیک قابل تصور است.

ما در الفبای برق در تلاشیم که شما را با مدرن ترین لوازم الکترونیکی آشنا کنیم و اطلاعات لازم را از نحوه کارکرد جدید ترین تکنولوژی ها در صنعت برق، در اختیار شما قرار دهیم. با دنبال کردن وبسایت و مقالات الفبای برق، اطلاعات خود را در صنعت برق به روز نگه دارید.