روش شکل‌گیری و به وجود آمدن نانولوله‌ها دقیقاً معلوم نیست. مکانیزم رشد هنوز موضوع بحث است و ممکن است درآن‌واحد، بیش از یک مکانیزم در ایجاد نانولوله‌های کربنی دخیل باشند. یکی از مکانیزم ها متشکل از سه مرحله است. ابتدا وجود یک پیش ماده برای ایجاد نانولوله‌ها و فلورین ها؛ C₂ روی سطح ذرات کاتالیست فلزی کار این پیش ماده را انجام می‌دهد. ابتدا از این کربن نیم پایدار، به‌سرعت کربنی میله مانند شکل می‌گیرد. سپس دیواره آن به‌آرامی گرافیتی می‌شود. این مکانیزم مبتنی بر مشاهدات TEM هنگام رشد است[۷].

شرایط دقیق محیطی به تکنیک مورداستفاده بستگی دارد و ازآنجاکه هر تکنیک شرایط خاص خود را دارد، هنگام بیان هر روش، به بیان شرایط خاص همان روش خواهیم پرداخت. درهرصورت به نظر می‌رسد که رشد نانولوله‌ها برای تمامی تکنیک‌های ذکرشده یکسان باشد[۷].
دریک و همکارانش در سال ۲۰۰۱ چندین نظریه درباره مکانیزم دقیق رشد نانولوله‌ها ارائه دادند. یک نظریه بر این فرض استوار بود که ذرات کاتالیست فلزی روی گرافیت یا یک زیر لایه دیگر به‌صورت شناور یا ثابت قرار دارند. احتمال می‌رود که ذرات کاتالیست کروی شکل یا گلابی‌شکل باشند که در این صورت نشست فقط روی نیمی از سطح انجام می‌گیرد (برای ذرات گلابی‌شکل روی انحنا پایینی آن). اتم‌های کربن در امتداد سطوح شیب‌دار پخش می‌شوند، در نیمه مقابل سقوط می‌کنند و در اطراف و زیر نیمه تحتانی ته‌نشین می‌گردند. به‌هرحال، آن‌ها در راًس و قله نیم‌کره ته‌نشین نمی‌گردند و همین امر به ساختار استوانه‌های درون تهی آن‌ها که بارزترین علامت مشخصه این نانولوله‌هاست، منجر می‌گردد. برای فلزاتی که می‌توانند به‌عنوان کاتالیست به کار روند، نانولوله‌ها یا در اطراف ذره فلزی جوانه می‌زنند و رشد می‌کنند یا ذره فلزی به زیر لایه متصل می‌ماند. این روش را برآمدن یا رشد اولیه^[۳۷]۱ می‌نامند. درروش دیگر، ذرات فلزی از سطح کنده و در سر نانولوله، همراه رشد آن، به بالا حرکت می‌کند که این روش را بالاروندگی^[۳۸]۲ می‌گویند. رشد نانولوله‌های تک جداره یا چند جداره به سایز ذرات کاتالیست بستگی دارد. درروش تخلیه الکتریکی، اگر الکترودهای گرافیتی به‌کاررفته، محتوی کاتالیست نباشند، نانولوله چند جداره روی ذرات C₂ که در پلاسما شکل‌گرفته است، رشد می‌یابد[۷].

• • • • • • • • 1. 1. روش تخلیه قوس الکتریکی

                 

                 

             

             

         

         

     

     

روش تخلیه قوس الکتریکی کربن که در ابتدا برای تولید فلورین های C₆₀ بکار می‌رفت، رایج‌ترین و شاید آسان‌ترین روش تولید نانولوله‌های کربنی است و روش نسبتاً ساده‌ای است. اما در این روش، مخلوطی از مواد حاصل می‌آید و لازم است نانولوله‌ها را از دوده و کاتالیست های فلزی موجود در ماده خام اولیه جدا کرد. در این روش نانولوله‌های کربنی از تبخیر کربن براثر تخلیه الکتریکی بین دو الکترود کربنی به فاصله تقریبی یک میلی‌متر، در محفظه‌ای حاوی یک گاز خنثی نظیر هلیم یا آرگون در فشار پایین (بین ۵۰ تا ۷۰ میلی بار) ایجاد می‌شوند. تحقیقات جدید نشان می‌دهند که ساخت نانولوله‌های در نیتروژن مایع نیز امکان‌پذیر است[۷].
یک جریان مستقیم ۵۰ تا ۱۰۰ آمپری توسط یک منبع تقریباً ۲۰ ولتی بین دو الکترود، قوس الکتریکی بسیار داغ را ایجاد می‌کند. این قوس الکتریکی یکی از میله‌های کربنی را تبخیر می‌کند و اتم‌های کربن روی میله دیگر در شکل یک میله کوچک رسوب می‌کنند. در این روش، تولید نانولوله با بازدهی بالا، عمدتاً به میزان یکنواختی پلاسما و درجه حرارت رسوب روی میله کربنی بستگی دارد[۷].
مکانیسم رشد تحت بررسی‌های موشکافانه روزافزونی قرارگرفته است و اندازه‌گیری‌ها حاکی از آن است که توزیع قطر نانولوله‌های حاصله، به مخلوط آرگون وهلیم نیز بستگی دارد. طبعاً مخلوط‌های مختلف ضریب نفوذ و هدایت الکتریکی متفاوتی دارند. این خواص بر سرعت پخش و خنک شدن مولکول‌های کربن و کاتالیست اثر می‌گذارد و قطر نانولوله‌ها نیز از این امر متأثر می‌گردد[۷].
شکل ۲-۲۱- نمای شماتیک از روش تخلیه قوس الکتریکی[۷].
پس درمی‌یابیم که یک نانولوله از یک‌ذره فلزی تشکیل هسته می‌دهد و ازآنجا در سایزهای مختلف، بسته به‌سرعت فروکش حرارت در پلاسما، شروع به رشد می کند. بنابراین می‌توان انتظار داشت که عواملی از قبیل درجه حرارت و غلظت کربن و کاتالیست فلزی بر روی توزیع قطر نانولوله‌ها تأثیر داشته باشد. بسته به جزئیات روش، امکان رشد هر دو نوع نانولوله تک جداره و چند جداره وجود دارد. می‌توان دو روش متمایز ساخت را در دستگاه تخلیه قوس الکتریکی به اجرا درآورد. شکل ۲-۲۱ و ۲-۲۲ نمای شماتیک و مکانیزم تشکیل نانولوله کربنی از روش تخلیه قوس الکتریکی را مشاهده کنید[۷].