مقدمه:
كربن يكي از عناصر شگفتانگيز طبيعت است و كاربردهاي متعدد آن در زندگي بشر، به خوبي اين نکته را تاييد مي کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه يكي از مهمترين آلياژهاي مهندسي است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل مي شود؛ با تغيير درصد كربن (بهميزان تنها چندصدم درصد) مي توان انواع فولاد را به دست آورد. «شيمي آلي» نيز علمي است که به بررسي ترکيبات حاوي «كربن» و «هيدروژن» مي پردازد و مهندسي پليمر هم تنها براساس عنصر كربن پايهگذاري شده است.
كربن، به چهار صورت مختلف در طبيعت يافت ميشود که همه اين چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتمهاي كربن به صورت كاملاً منظم در كنار يکديگر قرار گرفتهاند. اين ساختارها عبارتند از:
1- گرافيت
2- الماس
3- نانولولهها
4- باكيبالها (مانند C[SUB]60[/SUB] در شکل زير )
گرافيت:
گرافيت يكي از مهمترين ساختارهاي كربن در طبيعت است و از قرارگرفتن شش اتم كربن در کنار يکديگر به وجود آمده است. اين اتم هاي كربن به گونه اي با يکديگر ترکيب شده اند كه يك شش ضلعي منتظم را پديد مي آورند و از مجموع آنها، صفحه اي به دست مي آيدكه به عنوان يک « لاية گرافيت» در نظر گرفته ميشود.
اتمهاي كربن با پيوندهاي كووالانسي ـ كه پيوندي قوي و محکم است ـ به يکديگر متصل شدهاند. لازم به ذكر است كه اتم هاي كربن به کار رفته در يک لاية گرافيت نميتوانند با كربني خارج از اين لايه پيوند كووالانسي بدهند. بنابراين يک لاية گرافيت از طريق پيوندهاي واندروالس ـ كه پيوندهايي ضعيف هستندـ به لاية زيرين متصل مي شود. اين مساله باعث ميشود كه صفحههاي گرافيت بهراحتي روي يکديگر بلغزند. به همين دليل از اين ترکيب در «روغنكاري» و «روانكاري» استفاده ميشود. علت نرمي سطوحي که با مداد روي آنها نوشته شده است نيز همين نکته مي باشد.
نانولولهها
يك لايه گرافيت را در نظر بگيريد. اتمهايي را كه در يك رديف قرار گرفتهاند با ( n,m ) ـ كه نشاندهندة مختصات يك نقطه در صفحه است ـ مكانيابي ميكنيم. به طوري كه مختصات n، مربوط به ستون اتمها و مختصات m مربوط به رديف اتمها باشد.
همانطور كه ميدانيم براي تهيه يک لوله از يک صفحه، کافي است يك نقطه از صفحه را روي نقطه ي ديگر قرار دهيم. يك نانولوله مانند صفحة گرافيتي است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اينکه چگونه دو سر صفحه گرافيتي به يکديگر متصل شده باشند، انواع مختلفي از نانولوله ها را خواهيم داشت.