कार्बन नैनोफाइबर

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नियमित कार्बन नैनोफाइबर।
स्टैक्ड-कप कार्बन नैनोफाइबर: इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ (बाएं) और मॉडल (दाएं)।[1]

कार्बन नैनोफाइबर (सीएनएफ), वेपर ग्रोन कार्बन फाइबर (वीजीसीएफ), या वेपर ग्रोन कार्बन नैनोफाइबर (वीजीसीएनएफ) बेलनाकार नैनोसंरचना हैं, जिसमें ग्राफीन परतें स्टैक्ड कोन (ज्यामिति), कप या प्लेट के रूप में व्यवस्थित होती हैं। कार्बन नैनोफाइबर जिसमें ग्राफीन की परतें सही सिलेंडर (ज्यामिति) में लिपटी होती हैं, कार्बन नैनोट्यूब कहलाती हैं।

परिचय

कार्बन में उच्च स्तर का रासायनिक बंधन लचीलापन होता है, जो कई स्थिर कार्बनिक पदार्थ और अकार्बनिक अणुओं के गठन के लिए स्वयं को वापस देता है। एलिमेंटल कार्बन में हीरा, ग्रेफाइट और फुलरीन सहित कई अलॉट्रोप्स (वैरिएंट) हैं।[2] चूंकि वे सभी मौलिक कार्बन से बने होते हैं, उनके गुण व्यापक रूप से भिन्न होते हैं। यह सीएनएफ की बहुमुखी प्रतिभा को रेखांकित करता है, जो उनके थर्मल, इलेक्ट्रिकल, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक शील्डिंग और यांत्रिक संपत्ति संवर्द्धन के लिए उल्लेखनीय हैं।[3] चूंकि कार्बन कम मूल्य पर सरलता से उपलब्ध है, इसलिए मिश्रित सामग्री के लिए सीएनएफ लोकप्रिय योजक हैं।[4] सी.एन.एफ बहुत छोटे होते हैं, जो नैनोमीटर पैमाने पर उपस्थित होते हैं। परमाणु .1-.5 एनएम के बीच होता है, इस प्रकार सीएनएफ के गुणों की जांच करने के लिए स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी और परमाणु बल माइक्रोस्कोपी जैसी विशेष सूक्ष्म तकनीकों की आवश्यकता होती है।

संश्लेषण

उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प जमाव (सीसीवीडी) या थर्मल और प्लाज्मा-सहायता जैसे वेरिएंट के साथ सीवीडी, वीजीसीएफ और वीजीसीएनएफ के निर्माण के लिए प्रमुख व्यावसायिक तकनीक है। यहां, गैस-चरण के अणुओं को उच्च तापमान पर विघटित किया जाता है और कार्बन संक्रमण धातु उत्प्रेरक की उपस्थिति में सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है जहां उत्प्रेरक कणों के चारों ओर फाइबर के बाद के विकास का अनुभव होता है। सामान्यतः, इस प्रक्रिया में अलग-अलग चरण सम्मिलित होते हैं जैसे गैस अपघटन, कार्बन जमाव, फाइबर विकास, फाइबर मोटा होना, रेखांकन, और शुद्धिकरण और परिणाम खोखले फाइबर में होते हैं। नैनोफाइबर का व्यास उत्प्रेरक के आकार पर निर्भर करता है। वीजीसीएफ के निर्माण के लिए सीवीडी प्रक्रिया सामान्यतः दो श्रेणियों में आती है:[5] 1) निश्चित-उत्प्रेरक प्रक्रिया (बैच), और 2) फ्लोटिंग-उत्प्रेरक प्रक्रिया (निरंतर)।

तिब्बत द्वारा विकसित बैच प्रक्रिया में,[6] हाइड्रोकार्बन, हाइड्रोजन ,हीलियम के मिश्रण को मुलाइट (क्रिस्टलीय एल्युमीनियम सिलिकेट) के ऊपर से प्रवाहित किया गया जिसमें 1000 °C पर ठीक आयरन उत्प्रेरक कण जमा होता है। उपयोग किया गया हाइड्रोकार्बन आयतन द्वारा 15% की सांद्रता में मीथेन था। 20 सेकंड के गैस रेजिडेंस समय के साथ केवल 10 मिनट में कई सेंटीमीटर में फाइबर की वृद्धि प्राप्त की गई। सामान्यतः, रिएक्टर में गैस निवास समय द्वारा फाइबर की लंबाई को नियंत्रित किया जा सकता है। गुरुत्वाकर्षण और गैस प्रवाह की दिशा सामान्यतः फाइबर विकास की दिशा को प्रभावित करती है।[5]

कोयामा और एंडो द्वारा पहले निरंतर या फ्लोटिंग-उत्प्रेरक प्रक्रिया का पेटेंट कराया गया था[7] और बाद में हटानो और सहकर्मियों द्वारा संशोधित किया गया था।[8] यह प्रक्रिया सामान्यतः उप-माइक्रोमीटर व्यास और कुछ से 100 माइक्रोमीटर की लंबाई के साथ वीजीसीएफ उत्पन्न करती है, जो कार्बन नैनोफाइबर की परिभाषा के अनुरूप है। उन्होंने बेंजीन जैसे वाष्पशील विलायक में घुलने वाले ऑर्गेनोमेटेलिक यौगिकों का उपयोग किया जो हाइड्रोकार्बन गैस में अल्ट्राफाइन उत्प्रेरक कणों (व्यास में 5-25 एनएम) के मिश्रण का उत्पादन करेगा, क्योंकि तापमान 1100 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ गया था। भट्टी में, फाइबर की वृद्धि उत्प्रेरक कणों की सतह पर प्रारंभ होती है और तब तक चलती रहती है जब तक प्रणाली में अशुद्धियों द्वारा उत्प्रेरक विषाक्तता उत्पन्न नहीं हो जाती। बेकर और सहकर्मियों द्वारा वर्णित फाइबर विकास तंत्र में,[9] गैस मिश्रण के संपर्क में आने वाले उत्प्रेरक कण का केवल भाग फाइबर के विकास में योगदान देता है और जैसे ही उजागर भाग को आवरण किया जाता है, जिससे उत्प्रेरक को जहर दिया जाता है, और विकास रुक जाता है। उत्प्रेरक कण लगभग कुछ भागों प्रति मिलियन की अंतिम सांद्रता पर फाइबर के विकास टिप में दबा रहता है। इस अवस्था में, फाइबर गाढ़ा हो जाता है।

सबसे अधिक प्रयोग किया जाने वाला उत्प्रेरक लोहा है, जिसे अधिकांशतः गलनांक को कम करने और कार्बन के छिद्रों में इसके प्रवेश की सुविधा के लिए गंधक , हाइड्रोजन सल्फाइड आदि के साथ इलाज किया जाता है और इसलिए, अधिक विकास स्थलों का निर्माण करने के लिए।[2] Fe Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO, और Al2O3 उत्प्रेरक के रूप में भी उपयोग किया जाता है।[10][11] एसिटिलीन, ईथीलीन, मीथेन, प्राकृतिक गैस और बेंजीन सबसे अधिक प्रयोग की जाने वाली कार्बनयुक्त गैसें हैं। अधिकांशतः कार्बन मोनोआक्साइड (सीओ) प्रणाली में संभावित लौह आक्साइड की कमी के माध्यम से कार्बन उपज बढ़ाने के लिए गैस प्रवाह में प्रस्तुत किया जाता है।

2017 में, सिंघुआ विश्वविद्यालय के शोध समूह ने कार्बन नैनोट्यूब टेम्पलेट से संरेखित, निरंतर, उत्प्रेरक-मुक्त कार्बन नैनोफाइबर के एपिटिक्सियल विकास की सूचना दी। निर्माण प्रक्रिया में गैस-चरण पाइरोलाइटिक कार्बन जमाव द्वारा निरंतर कार्बन नैनोट्यूब फिल्मों को मोटा करना और उच्च तापमान उपचार द्वारा कार्बन परत का और रेखांकन सम्मिलित है। एपिटैक्सियल ग्रोथ मैकेनिज्म के कारण, फाइबर में कम घनत्व, उच्च यांत्रिक शक्ति, उच्च विद्युत चालकता, उच्च तापीय चालकता सहित बेहतर गुण होते हैं।[12]


सुरक्षा

व्यावसायिक सुरक्षा और स्वास्थ्य अधिनियम (संयुक्त राज्य अमेरिका) (1970) पिछले कुछ दशकों में कार्यस्थल में सुरक्षा के संबंध में किए गए कई परिवर्तनों के पीछे प्रेरक शक्ति थी। इस अधिनियम द्वारा विनियमित किए जाने वाले कई पदार्थों का छोटा समूह कार्बन नैनोफाइबर (सीएनएफ) है। जबकि अभी भी अनुसंधान का सक्रिय क्षेत्र है, ऐसे अध्ययन किए गए हैं जो कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) और सीएनएफ से जुड़े स्वास्थ्य जोखिमों का संकेत देते हैं जो उनके थोक समकक्षों की तुलना में अधिक खतरे उत्पन करते हैं। सीएनटी और सीएनएफ से जुड़ी चिंता के प्राथमिक खतरों में से श्वसन क्षति है जैसे फुफ्फुसीय सूजन, ग्रेन्युलोमा और फाइब्रोसिस। चूंकि , यह नोट करना महत्वपूर्ण है कि ये निष्कर्ष चूहों में देखे गए थे, और यह वर्तमान में अज्ञात है कि क्या वही प्रभाव मनुष्यों में देखे जाएंगे। बहरहाल, इन अध्ययनों ने इन नैनोकणों के जोखिम को कम करने के प्रयास का कारण दिया है।[13]

बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (एमडब्ल्यूसीएनटी) से जुड़े संभावित कासीनजन प्रभावों की पहचान करने के उद्देश्य से 2013 की वार्षिक सोसायटी ऑफ टॉक्सिकोलॉजी बैठक से पहले अलग अध्ययन किया गया। निष्कर्षों ने संकेत दिया कि, सर्जक रसायन की उपस्थिति में, एमडब्ल्यूसीएनटी ने चूहों में ट्यूमर की बहुत अधिक घटनाओं का कारण बना। चूंकि, सर्जक रसायन की अनुपस्थिति में ट्यूमर की उपस्थिति में वृद्धि का कोई संकेत नहीं था। इस परिदृश्य के लिए और अध्ययन की आवश्यकता है।[13]

सीएनएफ से जुड़े खतरों की पहचान करने में प्रमुख बाधाओं में से उपस्थित फाइबर की विविधता है। इस विविधता में योगदान देने वाले कुछ कारकों में आकार, आकार और रासायनिक संरचना सम्मिलित हैं। जोखिम मानक (2015) बताता है कि सीएनटी और सीएनएफ जोखिम की स्वीकार्य सीमा 1 μg/m है3 सांस लेने योग्य आकार का फ्रैक्शन एलिमेंटल कार्बन (8 घंटे का समय-भारित औसत)। यह मानक उन 14 साइटों से एकत्रित जानकारी पर आधारित था जिनके नमूनों का विश्लेषण ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) द्वारा किया गया था।[14]

सीएनएफ (2016 में संशोधित) के लिए एक हाल ही का सुरक्षा डाटा शीट (एसडीएस) नैनोफिबर्स को आंखों में परेशानी के रूप में सूचीबद्ध करती है, और बताती है कि उनके पास एकल एक्सपोजर श्वसन प्रणाली अंग विषाक्तता है। संभालते समय छोटे सीएनएफ में धूल के बादल बनने की अधिक संभावना होती है। इसलिए, सीएनएफ को संभालते समय बहुत सावधानी बरतनी चाहिए। सीएनएफ को संभालने के लिए अनुशंसित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) में नाइट्राइल दस्ताने, कण श्वासयंत्र, और नैनोमटेरियल-अभेद्य कपड़े (कार्यस्थल की स्थितियों पर निर्भर) सम्मिलित हैं। सीएनएफ के साथ काम करते समय एक्सपोजर नियंत्रण के अतिरिक्त, सीएनएफ से जुड़े जोखिम को कम करने में सुरक्षित भंडारण की स्थिति भी महत्वपूर्ण है। सुरक्षित सीएनएफ भंडारण में तंतुओं को ऑक्सीकरण एजेंटों और खुली लपटों से दूर रखने की आवश्यकता होती है। आग की स्थिति में, सीएनएफ खतरनाक अपघटन उत्पादों का निर्माण करता है, चूंकि इन अपघटन उत्पादों की सटीक प्रकृति वर्तमान में ज्ञात नहीं है। कैंसरजन्यता और अंग विषाक्तता के अलावा, सीएनएफ के लिए विषाक्त डेटा वर्तमान में सीमित है।[15]


अनुप्रयोग

  • शोधकर्ता चिकित्सीय दवाओं को वितरित करने के लिए नैनोफाइबर का उपयोग कर रहे हैं। उन्होंने लोचदार पदार्थ विकसित किया है जो कार्बन नैनोफाइबर जैसी सुई से जड़ा हुआ है। सामग्री को गुब्बारे के रूप में उपयोग करने का लक्ष्य है जो अगले रोगग्रस्त ऊतक में डाला जाता है, और फिर फुलाया जाता है। जब गुब्बारे में कार्बन को फुलाया जाता है, तो नैनोफाइबर रोगग्रस्त कोशिकाओं में घुस जाते हैं और उपचारात्मक दवाएं देते हैं। एमआईटी के शोधकर्ताओं ने लिथियम आयन बैटरी इलेक्ट्रोड बनाने के लिए कार्बन नैनोफाइबर का उपयोग किया है जो वर्तमान लिथियम आयन बैटरी की भंडारण क्षमता का चार गुना दिखाता है। शोधकर्ता नैनोफाइबर का उपयोग सेंसर बनाने के लिए कर रहे हैं जो रासायनिक वाष्प को अवशोषित करने पर रंग बदलते हैं। वे इन सेंसरों का उपयोग यह दिखाने के लिए करते हैं कि गैस मास्क में अवशोषित सामग्री कब संतृप्त हो जाती है।[16]
  • इन झरझरा कार्बन नैनोफाइबरों की अनूठी संरचना के परिणामस्वरूप अच्छा विद्युत रासायनिक प्रदर्शन होता है जैसे कि उच्च प्रतिवर्ती क्षमता और अच्छी चक्र स्थिरता जब उन्हें रिचार्जेबल लिथियम आयन बैटरी के लिए एनोड के रूप में उपयोग किया जाता था।[17]
  • बाजार का आगे का विकास उचित मूल्य पर सामग्री की उपलब्धता पर निर्भर करेगा। हमने उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प जमाव (सीसीवीडी) प्रक्रिया द्वारा कम लागत पर उच्च शुद्धता वाले कार्बन नैनोफाइबर (सीएनएफ) की थोक उत्पादन क्षमता प्राप्त की है।[4]
  • उत्प्रेरक संश्लेषण के विपरीत, स्थिरीकरण और कार्बोनाइजेशन के बाद इलेक्ट्रोस्पिनिंग पॉलीएक्रिलोनिट्रिल (पैन) निरंतर कार्बन नैनोफाइबर बनाने के लिए सीधा और सुविधाजनक मार्ग बन गया है।[18]
  • क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन स्रोत
    • क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन (जिसे क्षेत्र उत्सर्जन (एफई) और इलेक्ट्रॉन क्षेत्र उत्सर्जन के रूप में भी जाना जाता है) इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र द्वारा प्रेरित इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन है। सबसे आम संदर्भ ठोस सतह से निर्वात में क्षेत्र उत्सर्जन है। चूंकि, क्षेत्र उत्सर्जन ठोस या तरल सतहों से, निर्वात, वायु, तरल पदार्थ, या किसी भी गैर-संचालन या कमजोर रूप से ढांकता हुआ में हो सकता है। सेमीकंडक्टर्स (जेनर प्रभाव) के वैलेंस से प्रवाहकत्त्व बैंड तक इलेक्ट्रॉनों के क्षेत्र-प्रेरित प्रचार को क्षेत्र उत्सर्जन के रूप में भी माना जा सकता है।[19]
  • कंपोजिट मटेरियल
  • स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी युक्तियाँ
    • स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी (एसपीएम) माइक्रोस्कोपी की शाखा है जो भौतिक जांच का उपयोग करके सतहों की छवियां बनाती है जो नमूने को स्कैन करती है।[20] पेट्रोरसायन में विभिन्न उत्प्रेरक के लिए वाहक सामग्री
  • खड़ी-संरेखित सरणियों में, जीन वितरण के लिए मंच। (अपूर्णता देखें)
    • इम्पैलफेक्शन नैनोमैटिरियल्स, जैसे कार्बन नैनोफाइबर, कार्बन नैनोट्यूब, नैनोवायर्स का उपयोग करके जीन वितरण की विधि है। सुई की तरह नैनोस्ट्रक्चर सब्सट्रेट की सतह के लंबवत संश्लेषित होते हैं। प्लास्मिड डीएनए जिसमें जीन होता है, इंट्रासेल्युलर डिलीवरी के लिए होता है, नैनोस्ट्रक्चर सतह से जुड़ा होता है। इन सुइयों की श्रृंखलाओं वाली चिप को फिर कोशिकाओं या ऊतकों पर दबाया जाता है। कोशिकाएं जो नैनोसंरचना द्वारा आरोपित हैं, वितरित जीन (ओं) को व्यक्त कर सकती हैं।[21]
  • इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए[22]
  • तेल रिसाव निवारण
    • तेल रिसाव उपचार: कार्बन-कार्बन-समग्र सामग्री के निर्माण की प्रक्रिया में धातु युक्त उत्प्रेरक सामग्री के साथ कार्बनयुक्त वाहक सामग्री के उपचार के चरण सम्मिलित हैं। धातु नैनोसाइज कार्बन संरचनाओं को बनाने में सक्षम है, और वैकल्पिक सतह संशोधन चरण के बाद कार्बन युक्त गैस युक्त गैस वातावरण में उपचारित वाहक पर रासायनिक वाष्प जमाव विधि के माध्यम से नैनोसाइज कार्बन संरचनाओं को विकसित करने में सक्षम है। यह प्रक्रिया सरंध्रता, हाइड्रोडायनामिक गुणों और सतह रसायन को एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से अनुकूलित करने की अनुमति देती है, जो जल शोधन के लिए समग्र के उपयोग के संबंध में विशेष रूप से फायदेमंद है। कार्बन ब्लैक-आधारित कंपोजिट भराव अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयोगी होते हैं।[23]


इतिहास

कार्बन नैनोफाइबर से संबंधित पहले तकनीकी अभिलेखों में से संभवतः ह्यूजेस और चेम्बर्स द्वारा फिलामेंटस कार्बन के संश्लेषण पर 1889 का पेटेंट है।[24] उन्होंने मीथेन/हाइड्रोजन गैसीय मिश्रण का उपयोग किया और गैस पायरोलिसिस और बाद में कार्बन जमाव और फिलामेंट ग्रोथ के माध्यम से कार्बन फिलामेंट का विकास किया। चूंकि , इन तंतुओं की सही सराहना बहुत बाद में हुई जब इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी द्वारा उनकी संरचना का विश्लेषण किया जा सका।[2] कार्बन नैनोफाइबर की पहली इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी टिप्पणियों को 1950 के दशक की प्रारंभ में सोवियत वैज्ञानिकों रादुशकेविच और लुक्यानोविच द्वारा प्रदर्शित किया गया था, जिन्होंने सोवियत जर्नल ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री में पेपर प्रकाशित किया था जिसमें 50 नैनोमीटर व्यास वाले खोखले ग्रेफाइटिक कार्बन फाइबर दिखाए गए थे।[25] 1970 के दशक की प्रारंभ में, जापानी शोधकर्ता आज्ञाकारिता समाप्त , जो अब शिंशु विश्वविद्यालय में कार्बन विज्ञान और प्रौद्योगिकी संस्थान के निदेशक हैं, ने कार्बन नैनोफाइबर की खोज की सूचना दी, जिसमें कुछ को खोखले ट्यूब के रूप में आकार दिया गया था।[26] उन्होंने 1 माइक्रोमीटर के व्यास और 1 मिमी से अधिक की लंबाई वाले वीजीसीएफ के निर्माण में भी सफलता प्राप्त की।[27] बाद में, 1980 के दशक की प्रारंभ में, तिब्बत[6] संयुक्त राज्य अमेरिका और बेनिसाद में[28] फ़्रांस में वीजीसीएफ निर्माण प्रक्रिया को अच्छा बनाना जारी रखा। संयुक्त राज्य अमेरिका में, उन्नत अनुप्रयोगों के लिए इन सामग्रियों के संश्लेषण और गुणों पर ध्यान केंद्रित करने वाले गहन अध्ययनों का नेतृत्व आर टेरी के बेकर ने किया था। वे विशेष रूप से पेट्रोलियम प्रसंस्करण के विशेष क्षेत्र में विभिन्न प्रकार की व्यावसायिक प्रक्रियाओं में सामग्री के संचय के कारण होने वाली लगातार समस्याओं के कारण कार्बन नैनोफाइबर के विकास को बाधित करने की आवश्यकता से प्रेरित थे। 1991 में, जापानी शोधकर्ता इजीमा किया ने एनईसी में काम करते हुए, खोखले कार्बन अणुओं को संश्लेषित किया और उनकी क्रिस्टल संरचना का निर्धारण किया। अगले वर्ष, इन अणुओं को पहली बार कार्बन नैनोट्यूब कहा गया।[29] वीजीसीएनएफ अनिवार्य रूप से उसी निर्माण प्रक्रिया के माध्यम से उत्पादित किया जाता है जो वीजीसीएफ के रूप में होता है, केवल व्यास सामान्यतः 200 एनएम से कम होता है। दुनिया भर में कई कंपनियां कार्बन नैनोफाइबर के वाणिज्यिक पैमाने पर उत्पादन में सक्रिय रूप से सम्मिलित हैं और इन सामग्रियों के लिए नए इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों को गहन रूप से विकसित किया जा रहा है, नवीनतम तेल रिसाव उपचार के लिए कार्बन नैनोफाइबर युक्त झरझरा समग्र है।[30]


यह भी देखें

संदर्भ

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