نانولوله‌های کربنی؛ کاربرد‌های تجاری امـروز و آینده

1. مقدمه

نانولوله‌های کربنی (CNT) استوانه‌هایی بدون دوخت از یک یا چند لایه گرافنی با انتهای باز یا بسته هستند که به آن‌ها تک‌دیواره (SWNT) یا چند‌دیواره (MWNT) اطلاق می‌شود. اتم‌های کربن در این ساختارهای تمام کربنی در همه جای ساختار به جز انتهای لوله در یک شبکه 6 ضلعی به هم متصل شده‌اند. عیوب موجود در نانولوله‌های تولید شده به روش انبوه شامل 5 ضلعی، 7 ضلعی و نقص‌های دیگر در دیواره‌های جانبی است که خواص مطلوب را دچار نقصان می‌کند. قطر نانولوله تک‌دیواره بین 0.8 تا 2 نانومتر و چنددیواره بین 5 تا 20 نانومتر است، با این حال قطر نانولوله چنددیواره می‌تواند از 100 نانومتر هم بالاتر برود. طول نانولوله می‌تواند کمتر از 100 نانومتر تا چندین سانتی‌متر باشد، که بر این اساس، حدواسطی بین مقیاس‌های مولکولی و مقیاس‌های بزرگ ماکروسکوپی است.فقط با درنظرگرفتن سطح مقطع دیواره نانولوله‌ها، مدول الاستیکی نزدیک به 1 تراپاسکال و استحکام کششی 100 گیگاپاسکال برای نانولوله‌های مجزای چند‌دیواره اندازه‌گیری شده است. این استحکام بیش از 10 برابر هر الیاف صنعتی دیگری است. نانولوله چند‌دیواره معمولاً فلزی هستند و می‌توانند جریان‌های تا 109 آمپر بر سانتی‌متر مربع را انتقال دهند. نانولوله‌های مجزا بسته به جهت‌گیری شبکه گرافنی نسبت به محور لوله، که کایرالیته نامیده می‌شود، می‌توانند فلزی یا نیمه‌هادی باشند. نانولوله تک‌دیواره منفرد می‌توانند هدایت حرارتی 3500 Wm-1K-1در دمای اتاق داشته باشند، بر اساس مساحت دیواره، این مقدار از هدایت حرارتی الماس بیشتر است.سابقه تحقیقات گسترده درمورد نانولوله‌های کربنی در اوایل دهه 1990 به اولین سنتز صنعتی آنچه که امروز نانولوله چنددیواره نامیده می‌شود در دهه 1980 و مشاهدات ثبت شده از نانوالیاف کربنی توخالی در دهه 1950 برمی‌گردد. با این همه، فعالیت‌های تجاری مرتبط با نانولوله‌های کربنی در طول دهه گذشته رشد قابل توجهی داشته است. از سال 2006 ظرفیت تولید جهانی این ماه حداقل 10 برابر شده است و شمار سالانه مقالات و پتنت‌های مربوط به نانولوله رو به رشد است (شکل 1).امروزه بیشترین نانولوله‌های کربنی تولیدی در مواد کامپوزیت حجیم و فیلم‌های نازک استفاده می‌شود، که به جهت ساختارهای بی‌نظم نانولوله‌ها خواص محدودی دارند. ساختار‌های منظم نانولوله‌ای (شکل S1) مثل جنگل‌های منظم عمود، نخ‌ها و صفحات، این امید را ایجاد کرده است که با تولید انبوه، بتوان خواص نانولوله‌های منفرد و قابلیت‌های جدید را در کاربرد محقق کرد. این قابلیت‌ها شامل بازیابی شکل، چسبندگی خشک، ضربه‌پذیری بالا، پلاریزاسیون تتراهرتز، فعال‌سازی با پالس‌های شدید، جذب نزدیک به ایده‌ال جسم سیاه و خواص گسیل گرمایی صوت هستند. با این حال، خصوصیات الکتریکی، مکانیکی و حرارتی ساختار‌های ماکرومتری نانولوله‌ها، مثل نخ‌ها و صفحات نانولوله‌ای که به تازگی ارائه شده است به شکل چشم‌گیری کمتر از نانولوله‌های منفرد است. 

شکل 1. روند تحقیقات و تجاری‌سازی نانولوله‌ها (A) مقالات منتشر شده و پتنت‌های ثبت شده جهانی در سال به همراه ظرفیت تولید سالانه تخمینی (پیوست‌ مقاله را ببینید) (B تا E) محصولات منتخب نانولوله، شاسی دوچرخه کامپوزیت (عکس از شرکت BMC سوییس)، پوشش‌های ضد خوردگی جلبکی (NANOSEAL)، الکترونیک چاپی (NEC) و محافظ تخلیه الکترواستاتیک (NanoComp)البته تولید انبوه پودرهای نانولوله‌ای موجب شده که تاکنون از آنها در بسیاری از محصولات تجاری استفاده شود و اکنون به فاز رشد دوره عمر محصولاتش وارد شده است. این مقاله، مروری بر بسیاری از کاربرد‌های امیدبخش حاضر و آینده تجاری نانولوله‌ها و چالش‌هایی متمرکز است که موجب تداوم تحقیق و توسعه در این زمینه می‌شود. فهرستی از فعالیت صنعتی و محصولات تجاری در جداول S1 تا S3 آورده شده است.

2. سنتز و فراوری نانولوله کربنی

فرایند چگالش بخار شیمیایی (CVD) پیشتاز روش‌های تولید انبوه نانولوله است. در این روش معمولاً از راکتور‌های بستر سیال استفاده می‌شود، که نفوذ یکنواخت گاز و انتقال حرارت به نانوذرات کاتالیستی فلزی را ممکن می‌کند. تولید انبوه، استفاده از مواد اولیه کم‌هزینه، افزایش استحصال، کاهش مصرف انرژی، و کاهش تولید ضایعات، قیمت نانولوله چنددیواره را کاهش داده است. با این حال، روش‌های تولید انبوه نانولوله‌ها ناخالصی‌هایی را ایجاد می‌کند که می‌تواند روی خواص آنها تأثیر بگذارد و اغلب به مراحل پرهزینه آنیلینگ و عملیات شیمیایی برای حذف این ناخالصی‌ها نیاز است. این مراحل می‌تواند عیوبی را به دیواره‌های جانبی نانولوله‌ها وارد کند و طول آنها را کم کند. در حال حاضر نانولوله چنددیواره خالص و حجیم با قیمت کمتر از 100 دلار در هر کیلو به فروش می‌رسد که 1 تا 10 برابر بیشتر از قیمت الیاف کربن‌های تجاری موجود در بازار است.

شکل 2. کامپوزیت‌ها و ماکروساختار‌های نوظهور نانولوله‌ای (A) تصویر سطح مقطع یک لایه الیاف کربنی را نشان می‌دهد که نانولوله در رزین اپوکسی آن توزیع شده و یک بدنه کامپوزیت سبک الیاف-نانولوله برای قایق‌های امنیت دریایی صفحات و نخ‌های نانولوله‌ای که در کابل‌های انتقال داده سبک و مواد محافظ تداخل الکترومغناطیسی به کار رفته‌اند. درک شرایط فرایند CVD، امکان سنتز انتخابی نانولوله تک‌دیواره فلزی یا نیمه‌رسانا با انتخاب پذیری90 تا 95 درصد، پرکردن نانولوله‌ها با بور یا نیتروژن و رشد نانولوله تک‌دیواره تا 18.5 سانتی‌متر طول در جهت جریان سیال را ممکن ساخته است. با این حال هنوز به دانش بالایی از چگونگی ارتباط کایرالیتی، قطر، طول و خلوص نانولوله‌ها با ترکیب کاتالیست و شرایط فرایند نیاز است. مشاهده درجای (in situ) هسته‌گذاری نانولوله‌ها و مدل‌سازی مولکولی فصل مشترک نانولوله-کاتالیست برای پیشرفت در سنتز نانولوله‌هایی با کایرالیته انتخابی ضروری است.به عنوان یک روش جایگزین، برای جداسازی پودر‌های خالص نانولوله تک‌دیواره بر اساس نوع کایرالیته، می‌توان از روش سانتریفیوژ به همراه سورفکتانت مناسب یا کروماتوگرافی ژل استفاده کرد. هر چند بسیاری از پودرها و محلول‌های معلق نانولوله‌ها به شکل تجاری موجودند، تولید محلول‌های پایدار نانولوله‌ها، نیازمند اصلاح شیمیایی سطح نانولوله‌ها یا افزودن سورفکتانت است. معمولاً بعد از نشاندن محلول با روش‌هایی مثل پوشش‌دهی دورانی (spin-coating) یا چاپ، استفاده از شستشو یا عملیات حرارتی برای برداشتن سورفکتانت‌ها لازم است.به‌علاوه، چون سنتز نانولوله تک‌دیواره با CVD به کنترل فرایند فشرده‌تری نسبت به نانولوله چنددیواره نیاز دارد و به خاطر هزینه‌های اولیه تحقیقات و توسعه فرایند، قیمت‌های نانولوله تک‌دیواره حجیم هنوز به مراتب بالاتر از نانولوله چند‌دیواره است. از این رو استفاده از نانولوله چند‌دیواره برای کاربردهایی که به قطر نانولوله یا باندگپ حساس نیست مطلوب‌تر است. اما بیشتر کاربرد‌های نوظهور که به نانولوله تک‌دیواره با کایرالیته خاص نیاز دارند به کاهش هزینه بیشتر برای تحقق‌پذیری تجاری نیاز دارند.به عنوان یک جایگزین، سنتز نانولوله‌های کربنی بلند و مستقیم که نیاز به حل کردن در یک مایع ندارد، این امید را ایجاد کند که خواص حجیم با صرفه اقتصادی تحقق یابد. این روش‌ها شامل رشد خودآرایی افقی و عمودی نانولوله‌ها روی بستر زیرلایه‌ی پوشش داده‌شده با ذرات کاتالیست، و تولید ورقه‌ها و نخ‌های نانولوله‌ای به طور مستقیم از سیستم‌های CVD با کاتالیست معلق است. توده‌های جنگل‌گون نانولوله تولید شده با این روش می‌تواند به مواد جامد فشرده، فیلم‌های نازک جهت‌دار و میکروساختار‌های ظریف سه بعدی تبدیل شود. این نانولوله‌ها هم می‌تواند مستقیماً به نخ‌های بلند ریسیده شود و هم به صورت ورقه و رشته درآیند. 

1.2. مواد کامپوزیت

نانولوله چند‌دیواره در ابتدا به عنوان فیلر‌های رسانای الکتریکی در پلاستیک‌ها استفاده می‌شدند که از مزیت نسبت ظاهری (Aspect ratio) بالای آنها برای تشکیل یک شبکه توزیع شده در غلظت‌های کم در حد 0.01 درصد وزنی (W%) بهره می‌بردند. کامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله چند‌دیواره بی‌نظم به رسانایی‌های بالایی به اندازه10000SM^-1 در 10 درصد وزنی پرشدگی می‌رسند. استفاده از پلاستیک‌های نانولوله‌ای رسانا در صنعت خودرو، امکان رنگ‌کردن الکترواستاتیکی قاب‌های آینه‌ای و همچنین امکان دستیابی به خطوط انتقال سوخت و فیلترهایی که بار الکترواستاتیک را از بین می‌برند را فراهم آورده است. محصولات دیگر شامل بسته‌های محافظ الکترومغناطیسی (Electromagnetic Interference (EMI)–shielding package) و حامل‌های ویفر برای صنعت میکروالکترونیک است.برای کاربردهایی که با تحمل‌بار سر و کار دارند، پودر نانولوله با پلیمرها یا رزین‌های پیش‌ماده می‌تواند سختی، استحکام، یا چقرمگی را بالا ببرد. افزودن یک درصد وزنی نانولوله چند‌دیواره به رزین اپوکسی، سختی و چقرمگی شکست را به ترتیب به میزان 6 و 23 درصد بالا می‌برد، بدون اینکه بقیه خواص مکانیکی را دچار اختلال کند. این ارتقا به قطر نانولوله، نسبت ظاهری، جهت‌گیری، توزیع، و تعامل‌های فصل مشترک نانولوله و ماتریس بستگی دارد. بسیاری از سازندگان نانولوله‌های کربنی، اقدام به فروش مخلوط رزین‌ها یا مستربچ‌هایی حاوی 0.1 تا 20 درصد نانولوله کربنی می‌کنند. افزون بر این، لغزش (stick-slip) نانومتری و مهندسی‌شده بین نانولوله‌ها و اتصالات نانولوله کربنی-پلیمر می‌تواند جذب انرژی مواد را افزایش دهد که برای افزایش کارایی کالا‌های ورزشی مثل راکت تنیس، چوب بیس‌بال و شاسی دوچرخه استفاده شده است (شکل 1C).رزین‌های نانولوله‌ای می‌تواند کامپوزیت‌های لیفی را هم ارتقا دهد. نمونه‌های از این دست، شامل پره‌های محکم و سبک توربین‌های بادی و بدنه برای قایق‌های امنیت دریایی است که از کامپوزیت‌های الیاف کربن با رزین‌های حاوی نانولوله‌کربنی استفاده می‌کنند. (شکل 2A) نانولوله‌های کربنی می‌تواند به عنوان افزودنی در پیش‌ماده‌های آلی برای ایجاد الیاف کربن هم استفاده شود. نانولوله‌های کربنی در مرتب شدن آرایش کربن در الیاف پیرولیز شده تأثیر می‌گذارد که ساخت الیاف کربنی با قطر 1 میکرومتر را با 35 درصد افزایش در استحکام (GPa 4.5) و سختی (GPa 463) را در مقایسه با نمونه‌های شاهد بدون نانولوله امکان‌پذیر می‌کند.در رویارویی با چالش‌های مربوط به استقرار منظم نانولوله‌های کربنی در ابعاد حجیم، کامپوزیت‌هایی ساخته شده است که در آنها، توده نانولوله‌های کربنی منظم روی الیاف مختلف مثل شیشه، کاربید سیلیسیوم، آلومینا و الیاف کربن رشد داده شده‌اند. این الیاف را الیاف کرکی (fuzzy) نامیده‌اند. باز شدگی ترک و استحکام برشی درون صفحه‌ای در پارچه‌های الیاف کرکی SiC-CNT پیش‌آغشته شده با رزین اپوکسی، به ترتیب 348 و 54 درصد نسبت به نمونه بدون نانولوله افزایش نشان داده است. در پارچه آلومینا- نانولوله نیز استحکام برشی 69 درصد ارتقا پیدا کرده است. مطالعاتی در زمینه کاربرد‌های چندمنظوره ازجمله محافظت در برابر رعد و برق، محافظت در برابر یخ‌زدگی، و پایش سلامت ساز‌ه‌ای هواپیما انجام شده است.در بلند‌مدت، این امکان هست که نخ‌ها و صفحات نانولوله‌ای که با روش CVD مستقیم یا ریسندگی توده منظم نانولوله یا روش‌های کشش تولید شده‌اند، بتوانند با الیاف کربن در کاربرد‌های سطح بالا به ویژه در کاربرد‌های حساس به وزن که عملکرد مکانیکی و الکتریکی را با هم می‌طلبند، رقابت کنند (شکل 1E و 2B). در گزارش‌ها، نخ‌های تولید شده از نانولوله‌های با تعداد دیواره‌ی کم و با کیفیت بالا، به سختی 357 گیگاپاسکال و استحکام 8.8 گیگاپاسکال رسیده‌اند. البته این ارتقاء فقط مربوط به مواردی است که طول نانولوله‌ها در نخ، در ابعاد میلی‌متری باشد و برای محدوده طول سانتی‌متری، استحکام 2 گیگاپاسکال بوده است که چیزی معادل استحکام وزنی الیاف تجاری کولار (دوپونت) است.به دلیل آنکه با افزایش حجم، احتمال وجود نقص ساختاری بالا می‌رود، نخ‌های نانولوله ماکرومتری هرگز نمی‌توانند به استحکام نانولوله‌های سازنده‌ی خود برسند. با این حال سطح تماس بالای نانولوله‌ها می‌تواند اتصال سطحی محکمی را ایجاد کند که این کاهش بازدهی استحکام را جبران نماید. بر خلاف الیاف کربن که ترد و شکننده‌اند، نخ‌های نانولوله‌ای می‌توانند بدون اینکه استحکام خود را از دست بدهند، حلقوی بافت شوند. افزون بر این، پوشش‌دهی ورقه‌هایی از توده منظم نانولوله با پودر‌های عامل‌دار، قبل از تاباندن نخ تولیدی، نخ‌هایی قابل پوشیدن، قیطان‌باف شدن و قابل دوخت و دوز ایجاد می‌کند که تا 95 درصد وزن‌شان پودر است و می‌توان از آنها به عنوان سیم‌های ابررسانا، باتری و الکترود‌های پیل سوختی و منسوجات خود تمیز شونده استفاده کرد.الیاف نانولوله تک‌دیواره با کارایی بالا می‌توانند با ریسندگی انعقادی (coagulation-based spinning) محلول نانولوله‌ها هم ریسیده شوند. این روش تکنیک جذابی برای تولید انبوه نانولوله تک‌دیواره با کیفیت است، اما لازم است یا قیمت نانولوله تک‌دیواره کیفیت بالا خیلی کمتر شود یا بتوان نانولوله چند‌دیواره ارزان را هم ریسید. بر اساس این روش هزاران نخ‌ریس می‌توانند موازی هم کار کنند و آرایش نانولوله‌ها می‌تواند با تشکیل کریستال مایع درست مثل ریسندگی الیاف کولار حاصل شود.در کنار کامپوزیت‌های پلیمری، افزودن مقادیر اندک نانولوله کربنی به فلزات، استحکام و مدول کششی بالایی ایجاد کرده است که می‌تواند کاربردهایی در سازه‌های هوافضا و خودروسازی داشته باشد. کامپوزیت‌های آلومنیوم-نانولوله چند‌دیواره استحکامی قابل مقایسه با فولاد ضدزنگ دارند. (0.7 تا 1 گیگاپاسکال) با یک سوم چگالی (2.6 گرم بر سانتیمتر مکعب). این استحکام با آلیاژ‌های Al-Li قابل مقایسه است، درحالی‌که قیمت کامپوزیت‌های Al-MWNT کمتر گزارش شده است.در نهایت می‌توان نانولوله چند‌دیواره را به عنوان افزودنی‌های ضدشعله به پلاستیک‌ها افزود. این تأثیر عمدتا ناشی از تغییرات در رئولوژی به دلیل حضور نانولوله‌ها است. این افزودنی‌های نانولوله‌ای از نظر تجاری به عنوان جایگزینی برای مواد ضدشعله شیمیایی هالوژنه، که استفاده از آنها به دلایل زیست‌محیطی محدود شده است، دارای جذابیت هستند.

2.2. پوشش‌ها و فیلم‌ها

با بهره‌گیری از تکنیک‌های توزیع، عامل‌دار کردن و لایه‌نشانی سطوح بزرگ، نانولوله‌های کربنی به عنوان مواد پوششی چند عملکردی هم استفاده می‌شوند. برای مثال رنگ‌های حاوی نانولوله چند‌دیواره خوردگی بدنه کشتی‌ها را با جلوگیری از اتصال قارچ‌ها و جلبک‌ها کم می‌کنند. (شکل 1C) آنها جایگزین مناسبی برای رنگ‌های آفتکش مضر برای محیط‌زیست هستند. وارد کردن نانولوله‌های کربنی در رنگ‌های ضدخوردگی برای فلزات می‌تواند سختی پوشش و استحکام را افزایش دهد و در عین حال یک مسیر الکتریکی برای محافظت کاتدی را فراهم کند.توسعه گسترده فیلم‌های هادی شفاف، بر پایه نانولوله‌ها به عنوان جایگزینی برای اکسید قلع ایندیوم (ITO) ادامه دارد. این نگرانی که ITO به خاطر کمیاب بودن ایندیوم، گرانتر شود، با تقاضای رو به رشد از طرف بازار نمایشگرها، ابزار‌های لمسی و سلول‌های خورشیدی مواجه شده است. در کنار هزینه، انعطاف رسانا‌های شفاف نانولوله‌ای، برتری اصلی این مواد بر پوشش‌های شکننده ITO برای استفاده در نمایشگر‌های منعطف است. افزون بر این، رساناهای شفاف نانولوله‌ای می‌توانند از محلول لایه‌نشانی شوند (برای مثال روش اعمال با روزنه شیاری (SLOT-DIE) و اسپری التراسونیک (ultrasonic spraying)) و با روش‌های غیرلیتوگرافی کم‌هزینه (مثل چاپ اسکرین پرینت (screen printing) و میکروپلاتینگ (Microplotting)) الگوگذاری شود.تلاش‌های تحقیقاتی تجاری اخیر، منجر به ساخت فیلم‌های با نانولوله تک‌دیواره با شفافیت 90 درصد و مقاومت صفحه‌ای 100 اهم بر سانتیمتر مربع شده است. این مقاومت سطحی برای برخی کاربرد‌ها کافی است، اما هنوز به شکل چشم‌گیری بالاتر از پوشش‌های ITO با شفافیت مشابه است. کاربرد‌های مربوط که الزامات کم دقت‌تری دارند شامل گرم‌کن‌های فیلم نازک نانولوله‌ای، مثلا برای پنجره‌ها و دیواره‌های ضدیخ هستند. همه پوشش‌های ذکر شده، از نظر کاربرد تجاری مورد بررسی قرار گرفته‌اند (جدولS3). 

3. میکروالکترونیک

نانولوله تک‌دیواره کیفیت بالا به جهت پراکنده‌سازی الکترونی کم و نیز به خاطر باندگپ‌شان، برای استفاده در ترانزیستورها جذابیت دارند که باندگپ به قطر و زاویه کایرالیته بستگی دارد. افزون بر این نانولوله تک‌دیواره را می‌توان با معماری‌های ترانزیستوری اثر میدانی (FET) و دی‌الکتریک‌هایی با ثابت دی‌الکتریک (K) بالا مقایسه کرد.بعد از ساخت اولین ترانزیستور نانولوله‌ای در 1998، تحولات کلیدی مربوطه شامل ساخت اولین ترانزسیستور اثرمیدانی (FET) نانولوله‌ای با یک نوسان زیرآستانه(subthreshold swing) کمتر از 60mVdecade^-1در سال 2004 و ساخت رادیو‌ با نانولوله کربنی در سال 2007 بود. در سال 2012 FET ها بر پایه نانولوله تک‌لایه با طول کانال‌های زیرnm 10 تراکم جریان نرمال شد‌ه‌ای را نشان دادند (mAμm-1 2.41در 0.5 ولت) که بالاتر از مقادیر به دست آمده برای ابزار‌های سیلیکونی بود.علیرغم کارایی نویددهنده ابزار‌های نانولوله تک‌دیواره مجزا، کنترل قطر، کایرالیته و جایگذاری نانولوله‌ها برای تولید تجهیزات میکروالکترونیک به ویژه برای سطوح بزرگ، ناکافی است، از این رو، ساخت ابزارهایی مثل ترانزیستورهایی با فیلم‌هایی متشکل از ده‌ها تا هزاران نانولوله تک‌دیواره سریع‌تر عملی می‌شود. استفاده از دسته‌های نانولوله‌ها، خروجی جریان را افزایش می‌دهد و عیوب و تفاوت‌های کایرالیته را جبران و یکنواختی ابزار و تکرارپذیری تولید آن را زیاد می‌کند. برای مثال ترانزیستورهایی که از دسته‌هایی از نانولوله‌های با نظم افقی که به قابلیت جابه‌جایی 80cm²V^-1s^-1رسیده‌اند، شیب زیرآستانه 140mVdecade^-1 و نسبت on/off بالایی در حد 105 دارند. این پیشرفت‌ها در کنار روش‌های جدید لایه‌نشانی دقیق لایه نانولوله با تراکم بالا، ساخت نیمه‌رسانا‌های معمول را با بیش از 10000 نانولوله کربنی در یک تراشه ممکن ساخته است.

شکل3. کاربرد‌های انتخاب شده از نانولوله (A) های منعطف که از شبکه‌های نانولوله لایه‌نشانی شده با روش CVD آئروسلی استفاده کرده است. (B) سلول حافظه با دسترسی تصادفی غیرفرار (NRAM) که با روش پوشش‌دهی دوار و الگودهی یک محلول نانولوله سازگار با CMOS ساخته شده است. (C) اتصالات عمودی 150 نانومتری سازگار با CMOS که به‌وسیله‌ی ایمک و توکیو الکترون ساخته شده است. (D) برآمدگی نانولوله که برای بهبود توزیع حرارت در آمپلی‌فایرهای توان‌بالا استفاده شده است (Fujitsu).

ترانزیستور‌های لایه نازک (thin-film transistors) نانولوله‌ای برای به کار انداختن نمایشگر‌های دیود نوری آلی (OLED) جذابیت دارند؛ چون قابلیت جابه‌جایی آنها بالاتر از سیلیکون آمورف است (1) و می‌تواند با تکنیک‌های دماپایین، بدون استفاده از خلاء (nonvacuum) لایه‌نشانی شود. اخیراً امکان ساخت ترانزیستور‌های منعطف لایه نازک از نانولوله‌های کربنی با قابلیت جابه‌جایی (35cm²V^-1s^-1) و نرخ on/off 106×6 اثبات شده است. یک ترانزیستور FET از توده‌های عمودی نانولوله، خروجی جریان کافی برای روشن کردن OLEDها در ولتاژ کم را نشان داده است و تابش سه رنگ قرمز-سبز-آبی در OLED را با یک شبکه شفاف نانولوله ممکن می‌کند.پیشرفت‌های تجاری امید دهنده الکترونیک مبتنی بر نانولوله شامل چاپ کم‌هزینه ترانزیستورهای TFT و همچنین برچسب‌های‌شناسایی فرکانس رادیویی RFID است. درک بهتر از شیمی سطحی نانولوله برای تجاری‌سازی ابزارهای الکترونیک مبتنی بر لایه نازک نانولوله ضروری است. تحقیقات اخیر، حفظ انتخابی نانولوله تک‌دیواره نیمه‌رسانا را در فرایند پوشش‌دهی دورانی (spin-coating)، و کاهش حساسیت آنها به ماده جذب‌شده را به ممکن می‌سازد.نقشه‌راه بین‌المللی فناوری نیمه‌هادی‌ها پیشنهاد می‌کند که نانولوله‌ها به جهت پراکنده‌سازی کم (Scattering)، و ظرفیت انتقال جریان بالا و مقاومت به مهاجرت الکتریکی، می‌تواند جایگزین مس در اتصالات میکروالکترونیک شود. به این منظور مسیرهایی با نانولوله‌های فلزی کاملاً فشرده (بیش از 1013 عدد در سانتیمتر مربع) با تراکم نقص اندک و مقاومت تماسی کم نیاز است. اخیراً اتصالات سازگار با نیمه‌رسانا‌های اکسید فلزی کامل (CMOS) با قطر 150 نانومتر (شکل 3C) با یک تک‌اتصال نانولوله با مقاومت حفره 2.8 کیلواُهم روی ویفر‌های کامل 200 میلی‌متری ساخته شد. نانولوله همچنین به عنوان جایگزینی برای برآمدگی‌های لحیم، می‌تواند به عنوان سر الکتریکی و از بین برنده گرما در آمپلی‌فایر‌های پرقدرت استفاده شود. (شکل 3D).در نهایت، مفهوم جدیدی از سوییچ‌های الکترومکانیکی برای حافظه‌های غیرفرار بر پایه نانولوله، برای تجاری‌سازی ارائه شده است (شکل 3B) که از الگودهی لایه‌های نازک نانولوله‌های درهم آمیخته، به عنوان جزء اصلی استفاده می‌کند. این محصول به توسعه محلول‌های نانولوله با خلوص بالا که بتوانند پوشش‌دهی دورانی شوند و در محیط‌های اتاق تمیز صنعتی مورد فرایند قرار بگیرند، و از این جهت با استاندارد‌های ساخت CMOS سازگار باشند، نیاز دارد. 4. ذخیره انرژی و محیط زیستنانولوله‌های کربنی چند‌دیواره به طور وسیع در باتری‌های یون لیتیوم در رایانه‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند و این امر یک موفقیت تجاری بزرگ را نشان می‌دهد. در بهترین باتری‌ها مقادیر کمی پودر نانولوله چند‌دیواره با مواد فعال و یک اتصال‌دهنده پلیمری استفاده می‌شود، طوری که در کاتد LiCoO2 و آند گرافیتی یک درصد وزنی نانولوله کربنی وارد شده است. نانولوله‌های کربنی اتصال الکتریکی و یکپارچگی مکانیکی را بیشتر می‌کنند که چرخه عمر و نرخ استفاده از باتری را بیشتر می‌کند.بسیاری از مقالات، اطلاعات ذخیره انرژی وزنی و چگالی توان باتری‌ها و ابرخازن‌های بسته‌بندی نشده را ارائه داده‌اند، که در آنها معیار مقایسه، وزن مواد الکترود فعال است. در این مقالات، استفاده مکرر از چگالی‌های ناحیه‌ای کم برای مواد فعال، ارتباط جدول کارایی وزنی این گزارش‌ها را به کارایی باتری‌های بسته‌بندی شده دشوار کرده است. زیرا در باتری‌ها، به ذخیره انرژی ناحیه‌ای و چگالی توان بالا، برای تحقق کارایی بالا بر اساس وزن یا حجم کل باتری نیاز است.در یکی از مطالعات اخیر روی سلول‌های بسته‌بندی شده، کارایی قابل‌توجهی در ابرخازن‌هایی که از توده انبوه نانولوله تک‌دیواره عمودی استفاده کرده بودند دیده شد. این موارد بدون اتصال دهنده و افزودنی هستند. چگالی انرژی WhKg^-1 16 و چگالی توان kWKg^-1 10 برای ابرخازن 40 فاراد با حداکثر ولتاژ 3.5 ولت به دست آمد و بر اساس تست‌های تسریع شده در 105 درجه سانتی‌گراد، طول عمر 16ساله پیش‌بینی شد. علیرغم این اعداد جذاب، هزینه فعلی نانولوله تک‌دیواره مانع اصلی در تجاری‌سازی آن است.در پیل‌های سوختی، استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان پایه کاتالیستی می‌تواند مصرف پلاتین را 60 درصد در مقایسه با کربن سیاه کاهش دهد و نانولوله‌های آلاییده می‌توانند انواعی از پیل‌های سوختی را ایجاد کنند که به پلاتین نیاز ندارند. برای سلول‌های خورشیدی آلی تلاش می‌شود که خواص نانولوله‌ها را برای کاهش بازتلفیق ناخواسته حامل‌ها و افزایش مقاومت به اکسیداسیون نوری ارتقا دهند. ممکن است در مدت زمان طولانی، فناوری‌های فوتوولتاییک تجاری از الکترود‌های CNT-Si چند اتصالی استفاده کنند و تولید با کارایی بیشتر چند اکسیتونی را در اتصالات p-n تشکیل شده در نانولوله‌های مجزا، بهبود دهند. در کوتاه‌مدت، پیل‌های خورشیدی می‌تواند از الکترودهای نانولوله تک‌دیواره شفاف استفاده کنند (شکل 4C).یک حوزه کاربردی جدید از نانولوله‌های کربنی، خالص‌سازی آب است. در اینجا صفحات در هم ریخته نانولوله‌ای، می‌توانند شبکه‌های محکم الکتروشیمیایی و مکانیکی با تخلخل کنترل شده نانومتری ایجاد کنند. آنها برای اکسید کردن الکتروشیمیایی آلاینده‌های آلی، باکتری‌ها و ویروس‌ها استفاده می‌شوند. فیلتر‌های سیار حاوی مش‌های نانولوله برای خالص‌سازی آب آشامیدنی آلوده شده استفاده می‌شوند. (شکل4D) به علاوه همه غشاهایی که از نانولوله‌های کپسوله شده با انتهای باز استفاده می‌کنند اجازه شکل‌گیری جریان را درون نانولوله‌ها فراهم می‌کنند. این غشاها برای گازها و مایعات، مقاومت جریان کمی را ایجاد می‌کنند. این عبوردهی بالا، هزینه انرژی برای شیرین‌سازی آب با روش اسمز معکوس را در مقایسه با غشا‌های پلی کربنات کم می‌کند. با این حال برای جدا کردن نمک از آب دریا، نانولوله تک‌دیواره با قطر بسیار کم نیاز است. 

5. بیوتکنولوژی

علاقمندی به نانولوله‌ها به عنوان اجزای حسگرهای زیستی و ابزار‌های پزشکی به جهت سازگاری شیمیایی و ابعادی آنها با زیست مولکول‌هایی مثل DNAها و پروتئین‌ها زیاد شده است. علاوه بر این، نانولوله می‌تواند تصویربرداری فلورسانت و فوتوآکوستیک را در کنار قابلیت حرارت‌دهی موضعی با استفاده از تابش فروسرخ نزدیک امکان‌پذیر کند.حسگرهای زیستی نانولوله تک‌دیواره می‌تواند تغییرات بزرگی در امپدانس الکتریکی و خواص نوری، در پاسخ به محیط پیرامون نشان ‌دهد که معمولاً با میزان جذب یک هدف روی سطح نانولوله‌ها تنظیم می‌شود. حدّ تشخیص کم و انتخاب‌پذیری بالا، نیازمند مهندسی سطح نانولوله‌ها (گروه‌های عاملی و پوشش‌ها) و طراحی حسگرهای زیستی مناسب (مثل اثر‌های میدانی، ظرفیتی، شیفت‌های طیف رامان و فوتولومینسانس) است. محصولات تحت توسعه شامل نوار‌های چاپی برای تشخیص استروژن و پروژاسترون، میکروآرایه‌های تشخیص DNA و پروتئین و حسگرهای NO₂ و تروپونین قلب هستند. حسگرهای نانولوله‌ای مشابه برای تشخیص گاز و سموم در صنعت غذایی، نظامی و کاربرد‌های زیست‌محیطی استفاده می‌شوند.

شکل 4. کاربرد‌های نانولوله‌های کربنی در زمینه انرژی، (A) مخلوط نانولوله چند‌دیواره و پودر فعال برای الکترود باتری. (B) مفهوم ابرخازن‌ها بر پایه جنگل‌های نانولوله کربنی (C) سلول‌های خورشیدی بر پایه رسانای شفاف حاوی نانولوله تک‌دیواره، (D) یک نمونه اولیه و در مرحله آخر ساخت از فیلتر آب قابل حمل که از مش نانولوله‌ای درهم آمیخته استفاده می‌کند (Seldon Technologies).

برای کاربرد‌های درون‌بدنی، می‌توان سر نانولوله‌های کربنی را به گیرنده‌های روی غشای سلول متصل کرد. این کار، انتقال محموله مولکولی چسبیده به دیواره‌های نانولوله‌ها را ممکن می‌کند. برای مثال، در یک تحقیق، داروی ضدسرطان دوکسوربیسین تا 60 درصد وزنی روی نانولوله‌ها بار شد، در صورتی که این مقدار برای لیپوزوم‌ها 8 تا 10 درصد بود. آزادسازی محموله می‌تواند با استفاده از تابش فروسرخ نزدیک شروع شود. هر چند برای استفاده از نانولوله‌های معلق آزاد، ضرورت دارد که ابقای نانولوله‌ها درون بدن کنترل شود و از تجمع ناخواسته آنها جلوگیری شود، این امر ممکن است به تغییر شیمی سطح نانولوله‌ها منجر شود.پتانسیل سمی بودن نانولوله‌ها، یک نگرانی است، هر چند چنین برمی‌آید که هندسه و شیمی سطح نانولوله به شدت بر سازگاری زیستی آن تأثیر دارد، و بر این اساس سازگاری زیستی نانولوله قابل مهندسی است. آن اوایل چنین گزارش شده بود که با تزریق مقادیر بالای نانولوله چند‌دیواره به ریه موش، مرضی مشابه بیماری ناشی از آزبست ایجاد می‌شود؛ با این حال، یک مطالعه دیگر نشان داد که التهاب ریه ناشی از تزریق نانولوله‌های تک‌دیواره کاملا توزیع شده، ، هم در مقایسه با آزبست و هم در مقایسه با ذرات موجود در هوای شهر واشینگتون، ناچیز بود.پذیرش نانولوله‌های کربنی از نظر پزشکی، نیازمند درک عمیق‌تر پاسخ ایمنی این مواد و همچنین رسیدن به تعریف استانداردهای درمعرض نانولوله‌ها بودن(Exposure)، برای کاربرد‌های مختلف، از استنشاق، تزریق، مصرف و تماس پوستی نیاز دارد. در بررسی قابلیت استفاده از نانولوله‌ها در ایمپلنت‌ها، توده‌های عمودی نانولوله‌ها در یک پلیمر قرار داده شدند و کاشت آنها در بدن موش بررسی شد، که پاسخ التهابی بالایی، در مقایسه با نمونه‌های کنترل، مشاهده نشد. این مطالعات، مشوق استفاده از نانولوله‌ها در الکترود‌های با امپدانسِ پایین و متصل به سطح عصب و همچنین برای استفاده از آنها در پوشش کاتترها به منظور کاهش ترومبوز است.

6. دورنــما

امروزه بیشتر محصولاتی که در آنها از نانولوله‌ها استفاده می‌شود، به صورت پودر‌های نانولوله‌ایِ پخش شده در پایه‌های پلیمری یا به صورت فیلم‌های نازک هستند. برای تجاری‌سازی این محصولات، نیاز است که بتوان بین فرآوری نانولوله و روش‌های متعارف ساخت، هماهنگی ایجاد کرد. به نظر می‌رسد که موادی همچون توده‌های جنگل‌گون و نخ‌های نانولوله‌ای بتوانند فاصله بین خواص نانولوله‌ها در مقیاس نانو و خواصی که در مقیاس‌های مواد مهندسی ظاهر می‌شود را کم کنند. با این حال لازم است که این موضوع روشن شود که چرا خواصی همچون هدایت حرارتی و استحکام مکانیکی در نخ‌ها و صفحات نانولوله‌ای، بسیار پایین‌تر از خواص نانولوله‌های مجزا است. از طرف دیگر، استقرار نانولوله‌های مجزا با دقت لیتوگرافی و ایجاد ساختار مطلوب روی بسترهای (Substrate) بزرگ، می‌تواند گامی بزرگ در ادوات الکتریکی و پروب‌های پویشی باشد. بر اساس گزارش‌های منتشره، بسیاری از شرکت‌ها روی کاربرد‌های متنوعی از نانولوله‌های کربنی مثل رسانا‌های شفاف، اتصالات حرارتی، جلیقه‌های ضدگلوله و پره‌های توربین‌های بادی سرمایه‌گذاری می‌کنند. با این حال، جزییات فنی کمی منتشر می‌شود و شرکت‌ها، جزییات فنی را برای مدت مدیدی بعد از تجاری‌سازی پنهان نگه می‌دارند؛ که این امر پیش‌بینی موفقیت بازار را چالش برانگیز می‌کند (شکل 1 را ببینید).برای توسعه صنعتی، به استاندارد‌های سلامت و ایمنی برای ساخت نانولوله‌ها و استفاده از آن نیاز داریم که همزمان با آن باید روش‌های شناسایی، به اندازه‌ای ارتقا پیدا کند که بتواند در فرایند‌های تولید به کار رود. برای مثال، انستیتو ملی استانداردها و فناوری (NIST) یک ماده مرجع نانولوله تک‌دیواره را در سال 2011 معرفی کرد. IEEE در حال تدوین استانداردهایی برای فرآوری نانولوله‌ها در اتاق‌های تمیز است و دولت چین در سال 2010 استانداردهایی را برای شناسایی و کار با نانولوله‌های چند‌دیواره ارائه داد. شرکت بایر حدّ تماس شغلی برای نانولوله‌های خود را 0.05 میلی‌گرم بر متر مکعب تصویب کرد. این تلاش‌ها، رشد مداوم همراه با هشدار را، به خصوص برای عملیات ساخت نانولوله‌ها که میتواند ذرات معلق در هوا ایجاد کند، در پی داشته است.وقتی مقادیر بزرگی از مواد نانولوله‌ای به بازار مصرفی می‌رسد، ضروری است که فرایند دفن یا استفاده مجدد از آن نیز تعریف شود. نانولوله‌ها ممکن است وارد جریان‌های آب شهری شود، مگر آنکه سوزانده شود، و آلایندگی با نانولوله‌ها در زمان بازیافت نیز محتمل است. نقش‌آفرینان گسترده‌تری از صنعت، دانشگاه و دولت می‌باید آثار محیطی و اجتماعی نانولوله‌ها را در چرخه عمرشان بررسی کنند.در نهایت، تحقیقات و توسعه مداوم نانولوله‌ها مکمل رشد گرافن است. نوآوری‌های سریع در سنتز و‌ شناسایی گرافن مثل روش‌های CVD و تکنیک‌های طیف‌سنجی رامان، یافته‌های ارزشمندی هستند که از تحقیقات نانولوله‌ها به دست آمده‌اند. برخی از مواد نویدبخشی که در آنها از آلوتروپ‌های کربنی استفاده می‌شود، شامل شبکه‌های سه‌بُعدی نانولوله-گرافن برای اتصالات حرارتی و آئروژل‌های نانولوله‌ای با پوششی از گرافن برای افزایش مقاومت به شکست است‌. علم و کاربرد نانولوله‌ها، از شیمی سطح تا روش‌های تولید انبوه، تا سال‌ها به گسترش مرزهای فناوری نانو و محصولات تجاری آن کمک خواهد کرد.

شکل S1. کاربرد‌های نوظهور نانولوله‌ها بر اساس شیوه استقرار نانولوله‌ها، در ابعاد مختلف ساختاری، از توزیع نانولوله‌ها در کامپوزیت‌۰ها و فیلم‌های نازک که اکنو‌‌ن تجاری شده‌اند تا ماکروساختارها و ابزار‌های نانومقیاس در آینده.