نانو فیبر کربنی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

نانو فیبر کربنی یا نانو الیاف کربنی ، (به انگلیسی: Carbon nanofibers) به‌ صورت مخفف به آن سی‌ان‌اف (CNFs) گفته می‌شود.

این نانو فیبرها الیاف کربنی رشد یافته با بخار (VGCFs) هستند که با تشکیل نانوساختارهای استوانه‌ای متشکل از لایه‌های گرافن، ساختاری قیف‌مانند، فنجانی و یا صفحه‌ای را تولید می‌کنند.

نانوالیاف کربنی دارای لایه‌های گرافنی که به‌صورت استوانه‌ای پیچیده شده باشند، منجر به تشکیل نانو لوله‌های کربنی می‌شوند.

تاریخچه نانو فیبر کربنی

تاریخچه نانوفیبر کربنی به سال 1889 باز می‌گردد، زمانی که Hughes و همکارانش به سنتز کربن رشته‌ای پرداختند. آنها از گازهای متان و هیدروژن به عنوان مواد اولیه استفاده کرده و با استفاده از پیرولیز گاز، رسوب کربن را ایجاد و رشد رشته‌های کربنی را آغاز کردند. اما تا مدت‌ها بعد، ساختار و ویژگی‌های دقیق این نانوفیبرها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

انواع نانوفیبر کربنی

نانوفیبرهای کربنی به اشکال مختلفی مرتب شده‌اند، از جمله:

1. مخروط انباشته: نانوفیبرهای کربنی به شکل مخروطی با طراحی خاص.
2. فنجان: نانوفیبرهای کربنی به شکل فنجان با ویژگی‌های منحصر به فرد.
3. صفحات بدون هسته توخالی اما با سایت‌های لبه‌ای بسیار در لبه بیرونی: نانوفیبرهای کربنی با ساختاری خاص که در لبه‌های خارجی دارای سایت‌های لبه‌ای هستند.
4. VGCFs (ویژگی‌های فیبر کربن رشد یافته از بخار): فیبرهای کربنی که از بخار سنتز می‌شوند.

همچنین، انواع کوچکتری از نانوفیبرهای کربنی نیز وجود دارد که به عنوان VGCNFs (ویژگی‌های نانو فیبر کربن رشد یافته از بخار) شناخته می‌شوند، از جمله فیبرهای کربنی کوتاه.

خواص عمومی نانوفیبر کربنی

نانوفیبرهای کربنی دارای خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی هستند. این خواص عبارتند از:

1. رسانایی الکتریکی بالا: نانوفیبرهای کربنی به عنوان رساناهای بسیار خوب شناخته می‌شوند و برای انتقال الکتریسیته در انواع اپلیکیشن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. رسانایی گرمایی بالا: این نانوفیبرها دارای رسانایی گرمایی بسیار بالا هستند، که در انتقال گرما و انرژی حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3. خصوصیات مکانیکی استثنایی: نانوفیبرهای کربنی دارای مدول الاستیکی بسیار بالا (تا 600 GPa) و مقاومت کششی قوی (تا 8.7 GPa) هستند.
4. ساختار توخالی: این نانوفیبرها دارای هسته‌های توخالی هستند و توسط الیاف استوانه‌ای شکلی که از ذره کاتالیزور احاطه شده است، ساخته شده‌اند. الیاف از صفحات پایه گرافیت تشکیل شده و 25 درجه از محور طولی الیاف انباشته شده‌اند.

مسائل ایمنی

استفاده از نانوفیبرهای کربنی نیازمند مراعات مسائل ایمنی و بهداشتی است. مطالعات نشان می‌دهند که این نانومواد ممکن است به سلامتی انسان‌ها آسیب بزنند، به خصوص در زمینه تنفس و اثرات التهابی مانند التهاب ریه، گرانولوم و فیبروز. اگرچه برخی از این تأثیرات در موش‌ها مشاهده شده است، اثرات مشابه در انسان‌ها هنوز مورد تحقیق دقیق قرار نگرفته است. به همین دلیل، تلاش‌هایی برای کاهش معرض افراد به این نانومواد در حال انجام است.

مطالعات نشان داده‌اند که در حضور مواد آغازگر، نانوفیبرهای کربنی چند جداره می‌توانند عوارضی مانند تومور را در موش‌ها ایجاد کنند. با این حال، در غیاب مواد آغازگر، این تأثیرات مشاهده نمی‌شوند. برای بررسی اثرات احتمالی در انسان‌ها نیاز به مطالعات بیشتری داریم.

خاصیت مکانیکی

برخی CNF ها خواص مکانیکی بسیار خوبی را نشان می دهند. از آنها می توان در ورقه های ساختاری تقویت شده با الیاف و کامپوزیت های بافته شده ، فیلترها و داربست ها استفاده کرد. اساساً ، آزمایش مکانیکی الیاف نانو شامل آزمایش تک فیبر و آزمایش مجموعه فیبر است. CNF هایی که در 1400 درجه سانتیگراد کربن شده اند ، بالاترین مقاومت کششی را دارند. از آنجا که افزایش دمای کربن منجر به وجود کریستالیتهای کربن توربوستراتیکی به طور تصادفی می شود ، فیبر سفت می شود ، که می تواند منجر به پارگی فیبر اولیه و کاهش قدرت شود.

کاربرد های نانو فیبر کربنی

اخیراً ، تهیه کامپوزیت های نانوالیاف کربن با پشتیبانی از اکسید فلز از طریق الکتروپینینگ به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. نانوکامپوزیت های کربن در کاربردهای مختلفی مانند تبدیل و ذخیره انرژی ، یونیزاسیون خازنی ،مواد الکترود، کاتالیز ، جذب / جداسازی ، ترمیم نشت روغن و در زمینه پزشکی زیستی  مانند انتقال ژن استفاده می شود. ساختار منحصر به فرد این نانوالیاف کربنی متخلخل منجر به عملکرد خوب الکتروشیمیایی مانند ظرفیت برگشت پذیر بالا و ثبات چرخه خوب در هنگام استفاده به عنوان آند برای باتری های لیتیوم یون قابل شارژ می شود.

کاربرد در هوافضا

نانو الیاف کربن (CNF) در کاربردهای بسیار متنوعی از مواد هوافضا به عنوان ماده تقویت کننده یا پرکننده های رسانا استفاده میشوند. آنها برای بهبود خصوصیات مکانیکی ، الکتریکی و حرارتی کامپوزیت های ماتریس پلیمری به صنعت انرژی به عنوان مواد آند برای کاربردها ، استفاده شده و در باتری های لیتیوم یونی برای بهبود خصوصیات ذخیره انرژی و چرخه زندگی میباشد.

قطر نانو فیبرهای کربن

قطر نانوالیافهای کربنی تاثیر زیادی روی کاربردشان  دارد. اما کنترل قطر نانوفیبر بسیار زمان‌بر و پر هزینه است . نانوفیبر کربنی نیز مانند نانو لوله های کربنی یکی از گزینه های امیدبخش جهت تقویت انواع مختلف زمینه‌های پلیمری می باشند. قطر این نانو ذرات در حدود 10 تا 500 نانومتر می باشد.

در آخر

نانو الیاف کربن (CNF) یک نانو مواد کربنی است که عمدتا در مواد کامپوزیت پیشرفته برای بهبود مقاومت ، سختی ، دوام ، هدایت الکتریکی یا مقاومت در برابر حرارت استفاده می شود (دارن و همکاران ، 2010). هزینه تولید CNF به طور قابل توجهی کمتر از نانو لوله های کربنی (CNT) است و بنابراین مزایای قابل توجهی نسبت به نانو لوله ها برای کاربردهای خاص ارائه می دهد. و نسبت عملکرد به هزینه بالایی را ارائه می دهد. کاربرد گسترده علم نوین نانو و نانو مواد در نتیجه افزایش دانستنیهای روز و فن آوری های رایانه است. بنابراین ، توجه دقیق به مسائل سم شناسی مربوط به نانوذرات ، از جمله نانو مواد مختلف الیافی ، از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.