أنابيب الكربون النانوية: مادة ثورية تضاهي الماس في أهميتها

منذ أن اكتشف ليجيما (Iijima) الأنابيب النانوية الكربونية في عام 1991، بدأ فرع جديد من علم المواد بالتطور، وهو علم النانو. بدأت الدول باستثمار مئات الملايين من الدولارات في محاولة لكشف أسرار هذه المواد الثورية، التي بات من الواضح أن لديها مجموعة متنوعة من الخصائص الفريدة والرائعة والتي لم يسبق لها مثيل من قبل.

ما هي أنابيب الكربون النانوية؟

أنابيب الكربون النانوية (CNTs) عبارة عن جزيئات أسطوانية تتكون من ترتيب سداسي من ذرات الكربون (يشبه قرص العسل)، والتي يمكن تشكيلها بطريقتين:

عن طريق لف طبقة واحدة من الجرافين، وتسمى أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار (SWCNT) بقطر أقل من 1 نانومتراً.
عن طريق لف عدة صفائح من الجرافين وتسمى متعددة الجدران (MWCNT)، تتكون في هذه الحالة من عدة أنابيب نانوية متحدة المركز، بأقطار تصل إلى أكثر من 100 نانومتراً.

تعتبر أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدران أو المتعددة هما النوعان الأساسيان لها، ويمكن فيهما أن يصل طول الأنبوب إلى عدة ميكرومترات أو حتى مليمترات. (للتوضيح: النانومتر الواحد أصغر من قطر شعرة الإنسان بـ 10 آلاف مرة).

لنتحدث عن الكربون

أتاحت لنا مميزات عنصر الكربون الوصول إلى هذه التقنية، فهو رابع أكثر العناصر وفرة في الكون، واعتماداً على ترتيبات ذراته في البنية البلورية، يتخذ مجموعة متنوعة من الأشكال، تتمتع بخصائص فريدة أهمها القوة والتوصيل الكهربائي.

أشهر أشكال الكربون هما الماس والجرافيت، ثم اكتُشف شكل ثالث مكوّن من 60 ذرة كربون، مرتبة بشكل متماثل تماماً يُعرف باسم C60 أو الفوليرين أو كرات بوكي. كان هذا الاكتشاف هو ما مهد الطريق لاكتشاف أنابيب الكربون النانوية والجرافين.

في الأنابيب النانوية، ترتبط ذرات الكربون فيما بينها بروابط كيميائية قوية جداً، كتلك الروابط الموجودة في الجرافين، وترتبط الأنابيب معاً عبر قوى فاندرفالس. بسبب وجود هاتين الميزتين، أمكن تطوير مواد فائقة القوة وخفيفة الوزن تتمتع بخصائص كهربائية وحرارية عالية التوصيل، ما يجعلها مناسبة للغاية للعديد من التطبيقات.

خصائص أنابيب الكربون النانوية

تتمتع أنابيب الكربون النانوية بخصائص كهربائية وحرارية وميكانيكية عديدة:

يحدد اتجاه الالتفاف اللولبي لطبقات الجرافين الخصائص الكهربائية للأنابيب النانوية، فبحسب طريقة التفافها تكون موصلة للكهرباء، أو شبه موصلة، أو غير موصلة للكهرباء.
لها قوة شد ميكانيكية أقوى بـ 400 مرة من الفولاذ.
خفيفة الوزن للغاية، فكثافتها تساوي سدس كثافة الفولاذ.
الموصلية الحرارية فيها أفضل من الماس.
نسبة عرضها إلى ارتفاعها مرتفعة جداً، فهي أكبر من 1000، أي أنها رقيقة جداً بالنسبة لطولها.
مستقرة كيميائياً وتقاوم أي تأثير كيميائي ما لم تتعرض لدرجات حرارة عالية وأكسجين، وهذا يجعلها شديدة المقاومة للتآكل.
يمكن ملء جزئها الداخلي المجوف بمواد متناهية الصغر، ما يعزل هذه المواد عن البيئة المحيطة بها، وهي خاصية مفيدة للغاية لتطبيقات الطب النانوي مثل توصيل الأدوية.
يمكن إجراء التعديلات عليها بسهولة.

بسبب امتلاك أنابيب الكربون النانوية لهذه الخصائص، أصبحت المرشح المثالي للعديد من التطبيقات في مجالات شتى.

تتوفر تجارياً كمسحوق، وتكون متشابكة للغاية ومتكتلة. لا تظهر خصائصها وهي في هذا الشكل، بل يجب فك التشابك، كما يجب أن تنتشر بالتساوي في الركيزة. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج إلى الارتباط كيميائياً بهذه الركيزة، التي تكون مادة بلاستيكية مثلاً.

لا يصعب ربط أنابيب الكربون النانوية بأي سطح، لأن خواصها الكيميائية تسمح لها بالاندماج بمواد مختلفة. ويمكن أيضاً غزل أنابيب الكربون النانوية بشكل ألياف، ما يمنحها إمكانيات مثيرة للاهتمام في مجال المنسوجات.

كيفية تصنيع أنابيب الكربون النانوية

تُنتَج أنابيب الكربون النانوية حالياً بـ 3 طرق رئيسية: تفريغ القوس، واستئصال الجرافيت بالليزر، وترسيب البخار الكيميائي (CVD). يتم في الأولى حرق الجرافيت كهربائياً وفي الثانية عن طريق الليزر، ومن ثم تُفصَل أنابيب الكربون النانوية التي تتطور في المرحلة الغازية.

أما في طريقة ترسيب البخار الكيميائي، يُدمج المحفز المعدني (مثل الحديد والكوبالت والنيكل) مع غازات التفاعل المحتوية على الكربون (مثل الهيدروجين أو أول أكسيد الكربون) لتكوين أنابيب نانوية كربونية على المحفز داخل فرن عالي الحرارة. تسمح هذه الطريقة بإنتاج كميات أكبر من أنابيب الكربون النانوية تحت ظروف يمكن التحكم فيها بسهولة وبتكلفة أقل، لذلك تعتبر الطريقة الواعدة للإنتاج.

يتكون خلال عمليات التصنيع منتجات ثانوية غير مرغوبة مثل الجسيمات النانوية المعدنية المغلّفة، والجسيمات المعدنية في طرف أنبوب الكربون النانوي، والكربون غير المتبلور، ما يعرقل عملية الحصول على أنابيب نانوية كربونية عالية النقاء، وتؤدي إلى تعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأنابيب الكربون النانوية المنتَجة. لهذا السبب، تُضاف خطوة نهائية لعمليات التصنيع، هي تنقية أنابيب الكربون النانوية بمساعدة طرق مختلفة مثل المعالجة الحمضية أو الموجات فوق الصوتية.

تطبيقات أنابيب الكربون النانوية واستخداماتها

تعتبر أنابيب الكربون النانوية مناسبة تماماً لأي تطبيق تقريباً يتطلب قوة عالية ومتانة وموصلية كهربائية وموصلية حرارية وخصائص خفيفة الوزن مقارنة بالمواد التقليدية.

المواد المركبة

حظيت المركبات المدعّمة بالأنابيب النانوية باهتمام كبير على اعتبارها بديلاً جذاباً للغاية للمواد المركبة التقليدية نظراً لخصائصها سابقة الذكر.

عند استخدام أنابيب الكربون النانوية مع هذه المواد تزيد مقاومتها للتآكل وتزداد القوة اللازمة لكسرها، وتتمتع بخصائص مضادة للكهرباء الساكنة بالإضافة إلى تقليل الوزن. على سبيل المثال، تم تقدير أن مركبات أنابيب الكربون النانوية المتقدمة يمكن أن تقلل من وزن الطائرات والمركبات الفضائية بنسبة تصل إلى 30%.

عموماً، تستخدم هذه المواد المركبة في:

السلع الرياضية مثل إطارات الدراجات ومضارب التنس وعصي الهوكي وكرات الجولف والزلاجات والزوارق والسهام الرياضية.
صواري اليخوت وهياكلها وأجزاء أخرى من المراكب الشراعية.
المنسوجات المقاومة للكهرباء الساكنة والموصلة للكهرباء والتي تسمى المنسوجات الذكية، والسترات الواقية من الرصاص والمنسوجات المقاومة للماء واللهب.
هياكل السيارات والطيران والفضاء لتصبح خفيفة الوزن ومتينة.
الهندسة الصناعية مثل طلاء ريش توربينات الرياح، وأذرع الروبوت الصناعية.

محفزات العمليات الكيميائية

تُستخدم أنابيب الكربون النانوية كمحفزات في العديد من العمليات الكيميائية، فهي تمتلك مساحة سطح واسعة، ولها القدرة على ربط أي مركب كيميائي بجدرانها الجانبية. لكن التحكم في نشاطها التحفيزي ليس بالأمر السهل.

في البداية، تم دمج أنابيب الكربون النانوية مع الجزيئات عبر روابط قوية جداً هي الروابط التساهمية، التي تؤدي إلى مركبات مستقرة جداً، ومع ذلك، فإن هذا الارتباط يعني تغييراً في بنية الأنبوب النانوي وبالتالي في خصائصه. لذلك تم استخدام القوى غير التساهمية الضعيفة، والتي تحافظ على بنية الأنابيب النانوية سليمة، ولكنها تنتج عادةً مركبات غير مستقرة.

للتغلب على هذه المشكلة، يعمل الباحثون على تطوير طرق التعديل الكيميائي للأنابيب النانوية الكربونية عن طريق الترابط الميكانيكي، وهو المثال الأول للأنابيب النانوية الكربونية المتشابكة ميكانيكاً (MINTs). هذا النوع من المركبات مستقر مثل المركبات التساهمية، ولكن في نفس الوقت يحافظ على البنية الأولية مثل المركبات غير التساهمية.

تخزين الطاقة

تتمتع أنابيب الكربون النانوية بالخصائص الجوهرية المرغوبة في المواد المستخدمة كأقطاب كهربائية في البطاريات والمكثفات، إذ إن لديها أعلى قدرة قابلة للعكس من أي مادة كربونية أخرى للاستخدام في بطاريات الليثيوم أيون، بالإضافة إلى ذلك، فإن الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن مواد رائعة للأقطاب الكهربائية ذات المكثف الفائق، ويتم تسويقها الآن لهذا التطبيق.

تحتوي أيضاً على تطبيقات في مجموعة متنوعة من مكونات خلايا الوقود. حيث تسمح خصائصها باستخدامها كمحفز قطب كهربائي في خلايا الوقود.

الترانزستورات

إن أنابيب الكربون النانوية شبه الموصلة مرشحة قوية للجيل التالي من الترانزستورات عالية الأداء ودقيقة الحجم وذات الأغشية الرقيقة. لكنها لم تثبت نفسها في هذا المجال حتى الآن، إذ يختلف الخبراء فيما يتعلق بما إذا كانت هذه الترانزستورات ستحافظ على أدائها المثير للإعجاب أم لا، وذلك حسب أطوال الأنابيب المستخدمة. حيث يقول البعض إنها قد تتسبب في انهيار الأجهزة، بينما يرى آخرون أنها ستكون ترانزستورات ممتازة.

المجسات والمستشعرات

يتم حالياً تطوير المستشعرات النانوية الكهروكيميائية القائمة على ترانزستورات أنابيب الكربون النانوية، انطلاقاً من خصائصها الكهربائية والهيكلية، حيث تُستخدم مثلاً على نطاق واسع في التطبيقات البيئية للكشف عن الغازات مثل غازات الاحتباس الحراري.

الأحبار النانوية

تعد تركيبات الحبر القائمة على الأنابيب النانوية جذابة لتطبيقات الإلكترونيات المطبوعة مثل الأقطاب الكهربائية الشفافة والترانزستورات ذات الأغشية الرقيقة والأجهزة الباعثة للضوء والخلايا الشمسية.

الأقطاب الكهربائية

تم استخدام أنابيب الكربون النانوية على نطاق واسع كأقطاب كهربائية لتطبيقات الاستشعار الكيميائي والحيوي والعديد من الدراسات الكهروكيميائية الأخرى. بفضل هندستها الجزيئية أحادية البعد الفريدة ومساحة السطح الكبيرة مقترنة بخصائصها الكهربائية الممتازة، أصبحت أنابيب الكربون النانوية مواداً مهمة للهندسة الجزيئية لأسطح الإلكترودات.

طب النانو والتكنولوجيات الحيوية

تلعب أنابيب الكربون النانوية دوراً مهماً في مجال الطب والتكنولوجيات الحيوية، وأصبحت تستخدم في العديد من التطبيقات، بسبب خصائصها الفيزيائية مثل القوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي والخصائص الضوئية لصناعة مواد حيوية متقدمة، ولكونها تتكون من الكربون، وهو العنصر ذاته الذي يدخل في تركيب جسم الإنسان، تعتبر مادة متوافقة حيوياً.

يمكن أيضاً استخدام أنابيب الكربون النانوية مع المواد الحيوية للحصول على الخصائص المناسبة للتطبيقات الحيوية، مثل زيادة قابلية الذوبان والتوافق الحيوي وتعزيز توافق المواد والاستجابة الخلوية. على سبيل المثال، تم تطوير أنابيب الكربون النانوية المشبعة بالنيتروجين لتطبيقات توصيل الأدوية.

في المقابل، يهتم الباحثون أيضاً بدراسة السمية الخلوية التي يمكن أن تنتج عن استخدام هذه التقنية، لكنهم لم يجدوا حتى الآن ضرراً يذكر عند استخدامها في هذا المجال.

على الرغم من ذلك يجب إجراء تقييمات حيوية أكثر لاستخدام الأنابيب النانوية الكربونية ذات الخصائص الكيميائية والفيزيائية المختلفة من أجل تحديد الحرائك الدوائية الدقيقة، والسمية الخلوية، والجرعات المثلى.

الترشيح

من المهم تنقية المياه باستخدام الأغشية، لكن الطرق التقليدية بطيئة وتستهلك طاقة كبيرة. في المقابل، أثبتت الأغشية المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية ذات الثقوب التي تقل عن نانومتر واحد كفاءتها في تنقية المياه بسرعة، مع توفير الطاقة، فعندما يتم تضمينها في الأغشية الدهنية، تضغط الأنابيب النانوية على جزيئات الماء ما يؤدي إلى ترشيح سريع للغاية.

إن تدفق المياه من خلالها أسرع بـ 10 مرات من التدفق في أنابيب الكربون النانوية الأعرض وبـ 6 مرات منه في أفضل غشاء حيوي.

يتم استخدام أنابيب الكربون النانوية أيضاً لصنع المنسوجات الواقية ذات الأغشية فائقة التهوية. توفر هذه الأغشية معدلات نقل لبخار الماء تتجاوز تلك الموجودة في الأقمشة التجارية التي يمكن التنفس عبرها على الرغم من أن مسامها لا يتجاوز عرضها بضعة نانومترات.

بالإضافة إلى ذلك، توفر الحماية من العوامل الحيوية نظراً لصغر حجم مسامها، وعرضها الذي يقل من 5 نانومتر، أما البكتيريا أو الفيروسات أكبر بكثير، ويزيد حجمها عن 10 نانومتر.

من أجل جعل هذه الأغشية تحمي أيضاً من العوامل الكيميائية، التي هي أصغر حجماً منها، قام الباحثون بتعديل أسطح الأنابيب بمجموعات وظيفية تستجيب للتهديدات الكيميائية. ستستشعر هذه المجموعات الوظيفية التهديد وتمنعه.

أضرار أنابيب الكربون النانوية على الصحة

انتشرت أنابيب الكربون النانوية في العديد من المنتجات التي نستخدمها، وظهرت الآثار الجانبية من التعرض المستمر للعاملين في تصنيعها، فقد ارتبط التعرض لها بورم الظهارة المتوسطة، وهو سرطان يصيب بطانة الرئة.

تعتبر المخاطر الصحية المحتملة مدعاة للقلق، ليس فقط بالنسبة للمشتركين في التصنيع، ولكن لعامة الناس أيضاً، ولم تُجرَ الأبحاث الكافية لتحديد ما إذا كانت هناك مخاطر على صحة الإنسان عندما يتم سحق المنتجات التي تحتوي على الأنابيب النانوية أو حرقها في مكبات النفايات.

مشروع إنتاج أنابيب الكربون النانوية في السعودية

كان هذا غيض من فيض من تطبيقات أنابيب الكربون النانوية، ولأنه من الواضح أن تقنياتها واعدة للغاية، لذلك تُنتجها دول العالم بكثرة، والدول العربية ليست ببعيدة عن ذلك. على سبيل المثال، بدأت مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية (كاكست) في المملكة العربية السعودية بمشروعٍ لإنتاج أنابيب الكربون متناهية الصغر بمواصفات ميكانيكية وفيزيائية جيدة جداً.

يمر مشروع الإنتاج بعدة مراحل:

التخطيط والتصميم الفني والهندسي لتصنيع المعدات وعمليات الإنتاج للأنابيب الكربونية المتناهية الصغر.
تصنيع المعدات الخاصة بتقنية إنتاج أنابيب الكربون، واختبارها لمعرفة مدى مطابقتها للمواصفات المطلوبة.
تطوير المخططات الهندسية والتصاميم الخاصة بالمعدات المستخدمة في إنتاج أنابيب الكربون.
نقل المعدات وتركيبها.
إنتاج الأنابيب الكربونية النهائية.

مشروعات #كاكست في قطاع علم المواد تسهم في توطين تقنية المواد المتقدمة التي تستخدم في الصناعات المختلفة#LEAP22 pic.twitter.com/ArprgKEYyl

— مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية (@KACST) February 3, 2022

وتكمن أهمية هذا المشروع في نقل تقنية إنتاج أنابيب الكربون وتوطينها واستخدام المنتج النهائي في المواد المركبة المعدنية وغير المعدنية التي من شأنها رفع مستوى التعاون مع القطاع الصناعي في المملكة، وتطوير وتدريب كوادر متخصصة في هذا المجال. ويستخدم في العديد من التّطبيقات المتعلقة باستخدام المواد المركّبة المعدنية وغير المعدنية، وصناعة مواد البناء، ومن هذه التطبيقات صناعة الطاقة، والبتروكيماويات، والصناعات العسكريّة، وتطبيقات الفضاء والطيران، وتطبيقات البناء والتّشييد، وغيرها.

يهدف هذا المشروع إلى تطوير وإنتاج أنابيب الكربون متناهية الصغر بطاقةٍ إنتاجية قدرها كيلوغرام واحد بالساعة. وقد تم حتى الآن إعداد المخططات الهندسية والتصاميم الأولية للمعدات المستخدمة في إنتاج أنابيب الكربون، وتطوير المخططات الهندسية والتصاميم الخاصة بالمعدات المستخدمة في إنتاج أنابيب الكربون. وعمل التجهيزات اللازمة والبنية التحتية لتركيب المعدات الخاصة بتقنية إنتاج أنابيب الكربون.