کاربن نانوٹوبس کی تیاری کے طریقے کیا ہیں؟

1. کاربن نانوٹوبس کیسے "بڑھے" ہیں؟

کاربن نانوٹوبس کو زمین سے نہیں نکالا جاتا۔ وہ لیبارٹریوں میں "بڑھے" ہیں۔ کاربن کے ایٹم مخصوص طریقوں سے دوبارہ ترتیب دیتے ہیں، کھوکھلی نلی نما ڈھانچے میں گھماؤ-ایک ایسا عمل جیسا کہ گرافین کاغذ کی شیٹ کو بھوسے میں گھمایا جاتا ہے۔

1991 میں ان کی دریافت کے بعد سے، سائنسدانوں نے اس "سپر میٹریل" کو تیار کرنے کے لیے مختلف طریقے تیار کیے ہیں۔ ان میں، آرک ڈسچارج کا طریقہ، لیزر ایبلیشن کا طریقہ، اور کیمیائی بخارات جمع کرنے کا طریقہ (CVD) تین سب سے زیادہ مرکزی دھارے کے طریقے ہیں۔ یہ مضمون ہر طریقہ کی تفصیلات پر بات کرتا ہے-وہ کس طرح کام کرتے ہیں، ان کے متعلقہ فوائد اور نقصانات، اور کون سا صنعتی پیداوار کے لیے زیادہ موزوں ہے۔

2. تین مین اسٹریم تیاری کے طریقوں کی تفصیلی وضاحت

2.1 آرک ڈسچارج طریقہ: "سب سے زیادہ روایتی" طریقہ

آرک ڈسچارج طریقہ CNTs کو دریافت کرنے کے لیے استعمال ہونے والا پہلا طریقہ تھا اور اسے "تجربہ کار" ٹیکنالوجی سمجھا جا سکتا ہے۔

یہ کیسے کام کرتا ہے؟
ایک غیر فعال گیس (عام طور پر ہیلیم یا آرگن) کو ایک ری ایکٹر میں متعارف کرایا جاتا ہے، اور دو گریفائٹ سلاخوں کو اینوڈ اور کیتھوڈ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ جب براہ راست کرنٹ لگایا جاتا ہے تو، انوڈ پر گریفائٹ اعلی درجہ حرارت سے بخارات بن جاتا ہے، اور کاربن ایٹم CNTs بنانے کے لیے دوبارہ ترتیب دیتے ہیں، کیتھوڈ کی سطح اور ری ایکٹر کی دیواروں پر "کاجل" کے طور پر جمع ہوتے ہیں۔

مصنوعات میں فرق:

کثیر-دیواری CNTs:براہ راست خالص گریفائٹ الیکٹروڈ کا استعمال کرتے ہوئے ترکیب کیا جا سکتا ہے.

سنگل-دیوار والے CNTs:انوڈ میں دھاتی اتپریرک جیسے لوہے، کوبالٹ یا نکل کو شامل کرنے کی ضرورت ہے۔

فوائد:

اعلیٰ مصنوعہ کا کرسٹل پن اور کامل ڈھانچہ-دیوار کے چند نقائص، اعلی درجے کی گرافٹائزیشن۔

نسبتا بالغ ٹیکنالوجی، سادہ سامان.

تین طریقوں میں سے بہترین پروڈکٹ کا معیار۔

نقصانات:

اعلی توانائی کی کھپت، اعلی ویکیوم اور مخصوص درجہ حرارت کے حالات کی ضرورت ہوتی ہے.

کم پیداوار؛ معاشی طور پر بڑھانا مشکل ہے۔

مصنوعات کو بڑی مقدار میں بے ساختہ کاربن، فلرینز، اور دیگر نجاستوں کے ساتھ ملایا جاتا ہے، جس کے لیے 繁琐 صاف کرنے کے اقدامات کی ضرورت ہوتی ہے۔

دھاتی اور سیمی کنڈکٹنگ CNTs ایک ساتھ مل جاتے ہیں اور الگ نہیں ہو سکتے۔

الیکٹروڈز اور اہداف کی متواتر تبدیلی کی ضرورت ہوتی ہے۔

خلاصہ:اچھے معیار، لیکن کم پیداوار اور اعلی نجاست؛ صنعتی بڑے-پیمانے کے لیے موزوں نہیں ہے۔

2.2 لیزر کو ختم کرنے کا طریقہ: سب سے زیادہ درستگی، سب سے کم پیداوار

لیزر کے خاتمے کے طریقہ کار کو پہلی بار 1995 میں گو اور ساتھیوں نے رپورٹ کیا تھا اور اسے آرک ڈسچارج کے طریقہ کار کا "اپ گریڈ ورژن" سمجھا جا سکتا ہے۔

یہ کیسے کام کرتا ہے؟
ایک اعلی-درجہ حرارت (800–1500 ڈگری) غیر فعال ماحول میں، ایک اعلی-انرجی لیزر بیم پلس ایک کوارٹج ٹیوب میں نصب ٹھوس گریفائٹ ہدف پر بمباری کرتی ہے، اس کو بخارات بناتی ہے۔ کاربن کے ایٹم دوبارہ CNTs میں جمع ہوتے ہیں، جنہیں پھر کاربن-کی بنیاد پر آلات کے اندر جمع کیا جاتا ہے۔

فوائد:

ترکیب شدہ CNTs میں اعلی ساختی کمال ہوتا ہے۔

MWCNT نجاست کے بغیر SWCNTs تیار کر سکتے ہیں۔

مخصوص chiralities کی پیداوار کو کنٹرول کر سکتے ہیں (مثال کے طور پر، (10,10) CNTs).

کم بے ساختہ کاربن نجاست پیدا کرتا ہے۔

نقصانات:

پیچیدہ اور مہنگا سامان؛ اعلی لیزر کی قیمت.

انتہائی کم پیداوار-صرف ملیگرام مقدار فی تیاری۔

اعلی توانائی کی کھپت؛ اعلی درجہ حرارت اور دباؤ کے حالات کی ضرورت ہے.

اس میں نجاست کے مسائل بھی ہیں جن میں طہارت کی ضرورت ہوتی ہے۔

متاثر کرنے والے عوامل:ہدف کی کیمیائی ساخت، لیزر کی طاقت اور طول موج، اور سبسٹریٹ اور ہدف کے درمیان فاصلہ سبھی مصنوعات کی پیداوار اور معیار کو متاثر کرتے ہیں۔

خلاصہ:سب سے زیادہ درستگی اور پاکیزگی، لیکن پیداوار قابل رحم طور پر کم ہے؛ صرف لیبارٹریوں میں میکانکی تحقیق کے لیے موزوں ہے۔

2.3 کیمیائی بخارات کا ذخیرہ (CVD): صنعت کاری کا "ورک ہارس"

CVD طریقہ فی الحال صنعتی پیداوار کے لیے مرکزی دھارے کا انتخاب ہے اور بڑے پیمانے پر-پیداوار حاصل کرنے کے لیے سب سے امید افزا طریقہ ہے۔

یہ کیسے کام کرتا ہے؟
ہائیڈرو کاربن یا کاربن-جس میں آکسائیڈ ہوتے ہیں (مثلاً، میتھین، ایسٹیلین، ایتھیلین) کو ایک اعلی-درجہ حرارت والی ٹیوب فرنس میں داخل کیا جاتا ہے جس میں دھاتی اتپریرک (آئرن، کوبالٹ، نکل، وغیرہ) ہوتے ہیں۔ گیس اتپریرک سطح پر گل جاتی ہے، اور کاربن کے ایٹم CNTs بنانے کے لیے دوبارہ ترتیب دیتے ہیں۔

سامان کی اقسام:افقی ری ایکٹر، فلوائزڈ بیڈ ری ایکٹر، عمودی ری ایکٹر وغیرہ۔

CVD مین اسٹریم کیوں بن گیا ہے؟

کم درجہ حرارت:رد عمل کا درجہ حرارت (600–1000 ڈگری) آرک ڈسچارج اور لیزر طریقوں (3000 ڈگری سے اوپر) سے بہت کم ہے۔

مسلسل پیداوار:گیس مسلسل متعارف کرائی جاتی ہے، CNTs مسلسل بڑھتے ہیں، مسلسل کام کرنے کی اجازت دیتے ہیں۔

اعلی پیداوار:ایک ری ایکٹر کی پیداواری صلاحیت دیگر دو طریقوں سے کہیں زیادہ ہے۔

اچھی کنٹرول ایبلٹی:اتپریرک، درجہ حرارت، اور گیس کے بہاؤ کی شرح جیسے پیرامیٹرز کو ایڈجسٹ کرکے، CNTs کے قطر، لمبائی اور ساخت کو کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔

نقصانات:

مصنوعات میں زیادہ ساختی نقائص ہوتے ہیں۔ گرافٹائزیشن کی ڈگری اتنی زیادہ نہیں ہے جتنی کہ آرک ڈسچارج طریقہ کے ساتھ ہے۔

اتپریرک دھات کی نجاست کو برقرار رکھ سکتا ہے، جس میں طہارت کے علاج کی ضرورت ہوتی ہے۔

اتپریرک کا انتخاب اہم ہے-کیٹالسٹ براہ راست مصنوعات کے معیار اور پیداوار کا تعین کرتا ہے۔

خلاصہ:صنعت کاری کے لیے CVD طریقہ بہترین انتخاب ہے

3. تین طریقوں کا موازنہ خلاصہ

بنیادی نتیجہ:آرک ڈسچارج اور لیزر ایبلیشن کے طریقے لیبارٹریوں میں اعلی-معیار کے نمونے تیار کرنے کے لیے موزوں ہیں۔ صنعتی بڑے-پیمانے کی پیداوار کے لیے CVD طریقہ واحد انتخاب ہے۔

4. اعلی درجے کی CVD ٹیکنالوجی: لیبارٹری سے دس-ہزار-ٹن پیمانے تک

CVD ٹیکنالوجی خود مسلسل ترقی کر رہی ہے۔ روایتی تھرمل CVD کے علاوہ، جدید ترین تکنیکیں جیسے پلازما-بہتر CVD (PECVD) اور مائکروویو پلازما CVD تیار کی گئی ہیں۔ یہ CNTs کو اور بھی کم درجہ حرارت پر بڑھا سکتے ہیں اور ٹیوب کی سیدھ اور واقفیت پر زیادہ درست کنٹرول فراہم کر سکتے ہیں۔

چینی کمپنیوں کی طرف سے CVD صنعت کاری میں پیش رفت:

Shandong Tanfeng ان چند گھریلو کمپنیوں میں سے ایک ہے جنہوں نے گیس-فیز طریقہ کے ذریعے کاربن نینو میٹریلز بنانے کی بنیادی ٹیکنالوجی میں مہارت حاصل کی ہے۔ مکمل طور پر خودکار کنٹرول کا استعمال کرتے ہوئے، مصنوعات کی پیداوار کو 99% سے زیادہ تک بڑھا دیا گیا ہے۔ پیداواری صلاحیت کو اب 2,000 ٹن سالانہ تک بڑھا دیا گیا ہے، جس سے یہ دنیا کے سب سے بڑے CNT پیداواری اڈوں میں سے ایک ہے۔

5. مینوفیکچررز کے فوائد: CVD ٹیکنالوجی کو "قابل" سے "استعمال میں آسان" بنانا

ایک CNT کارخانہ دار کے طور پر، ہم نے CVD ٹیکنالوجی کے راستے کا انتخاب کیا ہے اور صنعت کاری کی سطح پر کئی ٹھوس کام کیے ہیں:

اتپریرک ڈیزائن اور تیاری کی بنیادی ٹیکنالوجی میں مہارت حاصل کرنا۔CVD طریقہ میں، اتپریرک "روح" ہے-یہ براہ راست قطر، دیواروں کی تعداد، اور CNTs کی پیداوار کا تعین کرتا ہے۔ اپنے آزادانہ طور پر تیار کردہ کیٹالسٹ سسٹم کے ذریعے، ہم نے ایک تنگ قطر کی تقسیم اور اچھی بیچ-سے-بیچ کی مستقل مزاجی کے ساتھ، مصنوعات کی ساخت پر قطعی کنٹرول حاصل کیا ہے۔

ری ایکٹر اسکیلنگ-کی رکاوٹ کو توڑنا۔روایتی CVD ری ایکٹرز میں کم سنگل- یونٹ کی پیداواری صلاحیت ہوتی ہے۔ دس-ہزار-ٹن پلانٹ کی تعمیر کے لیے متوازی طور پر کام کرنے والے درجنوں یونٹس کی ضرورت ہوگی، جس میں اعلیٰ سرمایہ کاری اور مشکل انتظام شامل ہے۔ ہم نے ایک تیسری-جنریشن بڑے-پیمانے کے ری ایکٹر ڈیزائن کو اپنایا ہے، جہاں ایک یونٹ کی گنجائش روایتی آلات سے کئی گنا زیادہ ہے، جس سے توانائی کی کھپت اور مزدوری کے اخراجات میں نمایاں کمی واقع ہوتی ہے۔

فی الحال، ہماری CNT مصنوعات کو نئی توانائی کی گاڑیوں، اعلی درجے کی پولیمر کمپوزائٹس، ایلسٹومرز، ایرو اسپیس، ریل نقل و حمل، ہوا سے بجلی پیدا کرنے اور دیگر شعبوں کے لیے لیتھیم بیٹری کنڈکٹیو ایڈیٹیو میں بڑے پیمانے پر استعمال کیا جاتا ہے۔ خام مال سے لے کر ری ایکٹر تک، کاتالسٹ سے لے کر صاف کرنے اور بازی تک، ہم نے CNTs کی CVD پیداوار کے لیے ٹیکنالوجی کے پورے سلسلے میں مہارت حاصل کر لی ہے، جو اس "سپر میٹریل" کو ہزاروں صنعتوں میں لانے کے لیے پرعزم ہے۔