نانولوله‌های کربنی معمولا به‌عنوان صفحات گرافنی لوله‌شده توصیف می‌شوند، اما این تصویرسازی فرآیند واقعی ساخت آن‌ها را به‌درستی نشان نمی‌دهد. معمولا نانولوله‌های کربنی به صورت عمودی و با استفاده از روش رسوب شیمیایی بخار CVD بر روی یک بستر رشد می‌کنند. در این فرآیند، گازهایی حاوی کربن از روی بستری که ذرات کاتالیستی روی آن قرار دارند عبور داده می‌شوند. کاتالیست‌ها گاز را تجزیه کرده و اتم‌های کربن را آزاد می‌کنند تا در قالب لوله‌های عمودی شکل بگیرند. روش CVD کنترل دقیقی بر ویژگی‌های فیزیکی نانولوله‌ها، مانند طول، قطر و جهت‌گیری شبکه فراهم می‌کند. اما با این حال، به دلیل عوامل مختلف از جمله انتخاب بستر، تولید انبوه با این روش در حال حاضر امکان‌پذیر نیست.



 
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/foiled-no-more-a-review-of-advancements-in-producing-carbon-nanotubes-on-flexible-metal-substrates/

چالش‌های بسترهای سنتی و استفاده از فویل‌های فلزی
بسترهای عایق سنتی مورد استفاده درCVD، مانند سیلیکون و کوارتز، با سیستم‌های تولید در مقیاس بالا یا خطوط تولید پیوسته با هزینه پایین سازگار نیستند. در مقابل، فویل‌های فلزی به‌راحتی می‌توانند در فرآیندهای تولیدی نیمه‌پیوسته یا کاملاً پیوسته در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار بگیرند. با این حال، ویژگی‌های شیمیایی، فیزیکی و ظاهری این فویل‌ها در مقایسه با بسترهای سنتی چندان مناسب نیست. به عنوان مثال این فویل‌ها دارای سطح زبری بوده و رسانا هستند. 

مروری بر تلاش‌های انجام شده برای بهبود بسترهای فلزی انعطاف‌پذیر
در یک مقاله مروری که توسط سه پژوهشگر از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور منتشر شده است، تلاش‌های انجام‌شده برای غلبه بر چالش‌های مرتبط با بسترهای فلزی انعطاف‌پذیر جمع‌بندی شده است. این مقاله که در ۲۰ صفحه تهیه شده، به نکات برجسته زیر اشاره می‌کند:

انتخاب بستر فلزی
یکی از تحقیقات اولیه توسط هیرااوکا و همکاران در سال ۲۰۰۶ انجام شد، نشان داد که بسیاری از فویل‌های فلزی خالص در دسترس، چالش‌هایی برای رشد نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و دوجداره از طریق روش CVD ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال فویل آلومینیوم در دمای استاندارد رشد ذوب می‌شود و نانولوله‌های کربنی روی فویل‌های نقره و مس هیچ‌گونه رشدی از خود نشان نمی‌دهند. علاوه بر این‌ها، فویل‌های مولیبدن، تانتالوم و نیوبیوم نیز در معرض شرایط رشد CVD شکننده می‌شوند. با وجود این چالش‌ها، بسیاری از این فویل‌ها و دیگر فویل‌های فلزی همچنان موضوع مطالعات گسترده‌ی پژوهشگران هستند. برای مثال، اینکونل (سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل-کروم)، مس، نیکل، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم، آلیاژ آهن-کروم-آلومینیوم، و کانستانتان (آلیاژ مس-نیکل) از جمله موادی هستند که تاکنون مطالعه شده‌اند.
برای برخی فلزات مانند فولاد ضدزنگ، خود فویل می‌تواند به صورت مستقیم به عنوان بستر استفاده شود. اما در بسیاری از موارد، باید یک لایه مانع روی فویل قرار داده شود تا از نفوذ فلز و تغییر نامطلوب شیمی کاتالیست جلوگیری شود. علاوه بر ترکیب شیمیایی، زبری سطح نیز یک پارامتر مهم است که بر توانایی فویل برای حمایت از رشد نانولوله‌های کربنی تأثیر می‌گذارد. این موضوع حتی زمانی که فویل به سادگی به عنوان یک تکیه‌گاه برای لایه کاتالیستی استفاده می‌شود (نه به عنوان کاتالیست) نیز صادق است.

مواد مورد استفاده برای لایه‌های مانع و کاتالیست‌ها
محققان از مواد متنوعی به‌عنوان لایه مانع برای حفظ رشد نانولوله‌های کربنی روی فویل‌های فلزی استفاده کرده‌اند که این مواد شامل موارد زیر می‌شوند:
- آلومینا، آلومینیوم، اکسیدهای سیلیکون، تیتانیوم، نیترید تیتانیوم، نیکل، اینکونل، اکسید منگنز
آلومینا رایج‌ترین لایه مانع است که هم در رشد سنتی نانولوله‌های کربنی روی ویفرهای سیلیکونی و هم روی بسترهای فلزی استفاده می‌شود. این ماده قادر است انواع مختلف کاتالیست‌های فلزی را به خوبی پشتیبانی کند، از نفوذ  ماده به سطح زیرین جلوگیری کرده و قطر نانولوله‌های کربنی را کنترل نماید.
برای جبران زبری سطح، معمولاً به یک لایه مانع ضخیم‌تر نیاز است. با این حال، در یک مطالعه اخیر پژوهشگران موفق به رشد یکنواخت نانولوله کربنی روی فویل‌های اینکونل با یک لایه مانع آلومینا به ضخامت ۱۰نانومتر شدند. ساختار نانولوله‌های کربنی حاصل مشابه آنهایی بود که روی فویل‌هایی با لایه مانع ضخیم‌تر (۴۰ نانومتر) رشد داده شده بودند.
همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، گاهی اوقات خود فویل فلزی می‌تواند بدون نیاز به لایه‌های اضافی مانع یا کاتالیست، فعالیت کاتالیستی را آغاز کند. با این حال، معمولاً نیاز است پیش آماده‌سازی‌هایی برای اطمینان از رشد کارآمد روی بسترهای فلزی بدون لایه‌های کاتالیستی انجام ‌شود. به همین دلیل، در بیشتر موارد، کاتالیست‌ها به‌صورت لایه‌هایی روی فویل‌های فلزی لایه نشانی می‌شوند. در این میان، رسوب آهن روی یک لایه مانع آلومینا محبوب‌ترین ترکیب برای رشد نانولوله‌های کربنی است.

روش‌های رسوب‌دهی لایه‌های مانع و کاتالیست‌ها
روش‌های رسوب‌دهی لایه‌های مانع و کاتالیست‌ها روی فویل‌های فلزی به‌طور کلی در دسته‌های زیر قرار می‌گیرند:
۱.    رسوب‌دهی فیزیکی بخار (PVD)
۲.    رسوب‌دهی لایه‌اتمی (ALD)
۳.    فرآیندهای الکتروشیمیایی
روش‌های PVD روش‌های سنتی رسوب‌دهی هستند. از میان تکنیک‌های بررسی‌شده در این مقاله، روش اسپاترینگ به دلیل توانایی عمل در فشارهای بالاتر، برای ادغام در فرآیندهای تولید رول‌به‌رول مناسب‌تر است. با این حال، روش‌های PVD به دلیل نرخ رسوب‌دهی محدود، یکنواختی پایین نرخ تبخیر و دشواری در پوشش‌دهی سطوح داخلی هندسه‌های پیچیده، در مقیاس‌پذیری محدودیت دارند.
در مقابل، روش ALD امکان رسوب‌دهی یکنواخت حتی بر روی ویژگی‌های با نسبت طول به عرض بالا را فراهم می‌کند و در این روش ضخامت لایه‌ها برای سطوح تخت و چندوجهی قابل تنظیم است. اما اگرچه ALD می‌تواند در فشار اتمسفری عمل کند، فرایندی نیست که به راحتی قابل مقیاس‌گذاری باشد.
تکنیک‌های الکتروشیمیایی کم‌هزینه، کارآمد و مقیاس‌پذیر هستند. اما این روش‌ها تاکنون تنها برای رسوب‌دهی کاتالیست‌ها استفاده شده‌اند و برای لایه‌های مانع قابل استفاده نیستند. همچنین نانولوله‌های کربنی حاصل از این روش‌ها معمولاً چنددیواره هستند و نه تک‌دیواره.
دیگر روش‌های رسوب‌دهی مبتنی بر محلول بر روی بسترهای فلزی شامل ریزش، پاشش ، پوشش‌دهی چرخشی  و پوشش‌دهی غوطه‌وری  هستند. هرچند این تکنیک‌ها به اندازه فرآیند پیرولیز پاشش اولتراسونیک یکنواخت یا تکرارپذیر نیستند، اما مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر هستند.

جهت‌گیری‌های آینده
نویسندگان اشاره می‌کنند که برخی شرکت‌ها اخیراً تولید انبوه نانولوله‌های کربنی را برای کاربردهای متنوعی مانند پوشش‌ها و چسب‌ها بررسی کرده‌اند و ابزارهای تجاری‌سازی روش رول‌به‌رول در حال توسعه هستند تا روش‌های رشد CVD را در خطوط تولید ادغام کنند. آن‌ها در پایان اظهار کردند: این پیشرفت مستمر به سمت تولید پیشرفته آرایه‌های نانولوله کربنی بر روی بسترهای فلزی انعطاف‌پذیر نه تنها تولید در مقیاس بزرگ نانولوله‌های کربنی را با کسری از هزینه ممکن می‌سازد، بلکه تحولاتی اساسی در فناوری‌های بی‌شماری شامل ذخیره‌سازی انرژی، الکترونیک، کامپوزیت‌های چندمنظوره سبک‌وزن، پارچه‌های هوشمند و غشاها ایجاد خواهد کرد. 

مقاله مرجع:
“Growth of carbon nanotube forests on flexible metal substrates: Advances, challenges, and applications” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.carbon.۲۰۲۳.۰۲.۰۵۴).

منبع: 
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/foiled-no-more-a-review-of-advancements-in-producing-carbon-nanotubes-on-flexible-metal-substrates/

ترجمه: مهندس فاطمه حسن آقائی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی