Štruktúra uhlíkových nanorúrok, vlastnosti, aplikácie, toxicita

Ten Nanotrubice Sú to veľmi malé a veľmi tenké valce alebo valce tvorené iba atómami uhlíka (C). Jeho rúrková štruktúra je viditeľná iba prostredníctvom elektronických mikroskopov. Je to pevný čierny materiál, tvorený zväzkami alebo veľmi malými z niekoľkých desiatok nanotrubíc, zamotaných dokopy a tvoria komplikovanú sieť.

Predpona „nano“ znamená „veľmi malá“. Slovo „nano“ použité pri meraní znamená, že je mlynárskou súčasťou opatrenia. Napríklad nanometer (NM) je mlynálnou časťou merača, to znamená 1 nm = 10^-9 m.

Vzorka uhlíkových nanorúrok. Je zrejmé, že je to čierna čierna pevná látka. ShadDack [CC By-S (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Každá uhlíková nanotube malá je tvorená jedným alebo viacerými grafitovými plachtami, ktoré sa na seba valia. Sú klasifikované do jednoduchých nanotrubičiek na stenu (jediná valcovaná lamina) a viacerých nanotrubičiek steny (dva alebo viac valcov jeden v druhom).

Uhlíkové nanotrubice sú veľmi silné, majú vysokú odolnosť voči zlomu a sú veľmi flexibilné. Veľmi dobre vedú teplo a elektrinu. Tiež tvoria veľmi ľahký materiál.

Tieto vlastnosti ich robia užitočnými v niekoľkých oblastiach aplikácie, ako je napríklad automobilový priemysel, letecký priemysel, elektronický priemysel. Používali sa tiež v medicíne, napríklad na transport a uvoľňovanie liekov proti rakovine, vakcínam, proteínoch atď.

Jeho manipulácia sa však musí vykonávať s ochranným zariadením, pretože sa vdýchnu môže spôsobiť poškodenie pľúc.

[TOC]

Objav uhlíkových nanotrubíc

Vo vedeckej komunite sú rôzne názory o tom, kto objavil uhlíkové nanotrubice. Aj keď na týchto materiáloch existuje veľa výskumných prác, iba niektoré dôležité dátumy sú uvedené nižšie.

- V roku 1903 francúzsky vedec v Pélado pozoroval uhlíkové vlákna vo vzorke (za tento dátum ešte neboli elektronické mikroskopy k dispozícii).

- V roku 1950 fyzik Roger Bacon zo spoločnosti Union Carbide Company študoval určité vzorky uhlíkových vlákien a pozoroval obrazy nanopelácií alebo nanobigotov (preklad angličtiny (preklad angličtiny Nanowhiskers) Rovné a závislé.

- V roku 1952 ruskí vedci Radushkevich a Lukyanovič zverejnili fotografie uhlíkových nanotrubíc syntetizovaných sami a získaných elektronickým mikroskopom, kde sa jasne poznamenávajú, že ide o dutiny.

- V roku 1973 ruskí vedci Bochvar a Gal'pern dokončili sériu výpočtov energetických hladín molekulárnych orbitálov, ktoré demonštrujú, že grafitové listy sa môžu krútiť a vytvárajú „duté molekuly“.

- V roku 1976 Morinobu Endo pozoroval uhlíkové vlákna s ahuecado centrom produkovaným pyrolýzou benzénu a ferocénu pri 1000 ° C (pyrolýza je typ rozkladu, ktorý sa vyskytuje pri zahrievaní pri veľmi vysokých teplotách v neprítomnosti kyslíka).

- V roku 1991 sa nadšenie rozpútalo smerom k uhlíkovým nanotrubičkám po syntetizovaných uhlíkových ihloch Sumio IIJIMA vyrobených z dutých skúmaviek prostredníctvom elektrickej techniky oblúka.

- V roku 1993 Sumio IIjima a Donald Bethune (pracujú nezávisle od seba) objavili súčasne jednoduché uhlíkové nanotrubice.

Interpretácia niektorých konzultovaných zdrojov

Podľa niektorých zdrojov informácií je to zásluha objavu uhlíkových nanorúrok ruských vedcov Radushkevich a Lukyanovič v roku 1952 v roku 1952.

Predpokladá sa, že nedostali zaslúženú kredit, pretože v tom čase bola takzvaná „studená vojna“ a západní vedci nemali prístup k ruským článkom. Okrem toho veľa nevedelo, ako preložiť z Ruska, čo ďalej oneskorilo, že ich výskum je možné analyzovať v zahraničí.

Môže vám slúžiť: anomérny uhlík: čo je, charakteristiky, príklady

V mnohých článkoch sa hovorí, že IIJIMA bol ten, kto objavil uhlíkové nanotrubice v roku 1991. Niektorí vedci však odhadujú, že vplyv práce IIJIMA je spôsobený skutočnosťou, že veda už dosiahla dostatočný stupeň zrelosti na ocenenie významu nanomateriálov.

Existujú tí, ktorí potvrdzujú, že v týchto desaťročiach fyzici vo všeobecnosti nečítali časopisy o chémii, kde sa už diskutovali o uhlíkových nanotrubároch, a že z tohto dôvodu boli „prekvapení“ s článkom IIJIMA.

To všetko však neznižuje vysokú kvalitu práce IIJIMA v roku 1991. A udržiava sa rozdiel v názoroch.

Menovanie

- Uhlíkové nanotrubice alebo CNT (skratka pre angličtinu Nanotrubice).

- Jednoduché steny uhlíkových nanorúrok alebo SWCNS (anglická skratka Jednorazové uhlíkové nanotrubice).

- Viacnásobné steny uhlíkových nanorúrok alebo MWCN (anglická skratka Viacstenné uhlíkové nanotrubice).

Štruktúra

Fyzická štruktúra

Uhlíkové nanotrubice sú veľmi tenké a malé trubice alebo valce, ktorých štruktúra je možné vidieť iba s elektronickým mikroskopom. Pozostávajú z hárku grafitu (grafénu) valcovaného v skúmavke.

Uhlíkový nanotubus je valcovaný grafit alebo grafénový list: a) teoretický grafitový list, b) teoretický obraz valcovaného alebo uhlíkového nanotubo lamina. Opentax [CC By (https: // creativeCommons.Org/licencie/o/4.0)]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Sú to valcové molekuly zložené iba z atómov uhlíka. Atómy uhlíka sú usporiadané vo forme malých šesťuholníkov (6 -potlačených polygónov) podobných benzénu a spájajú sa medzi sebou (kondenzované benternicové krúžky).

Kreslenie uhlíkovej nanotrubičky, kde je možné pozorovať malé šesťuholníky 6 atómov uhlíka. Používateľ: GMDM [CC BY-S (http: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0/]]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Rúrky môžu alebo nemusia byť zakryté svojimi otvormi a môžu byť extrémne dlhé v porovnaní s ich priemermi. Sú rovnocenné s grafitskými (grafénovými) listom valcovanými v bezproblémových skúmavkách.

Chemická štruktúra

CNT sú polylalomatické štruktúry. Prepojenia medzi atómami uhlíka sú kovalentné (to znamená, že nie sú iónové). Tieto odkazy sú v rovnakej rovine a sú veľmi silné.

Sila odkazov C = C robí CNT veľmi tuhé a odolné. Inými slovami, steny týchto skúmaviek sú veľmi silné.

Odbory mimo lietadla sú veľmi slabé, čo znamená, že medzi jednou trubicou a druhou nie sú žiadne silné odbory. Sú to však sily príťažlivosti, ktoré umožňujú tvorbu zväzkov alebo nanotrubíc.

Klasifikácia podľa počtu skúmaviek

Uhlíkové nanotrubice sú rozdelené do dvoch skupín: jednoduché nanotrubice na stenu alebo SWCNT (skratka pre angličtinu Jednostupňová uhlíková nanotrubica) A viacnásobné steny nanotrubíc alebo MWCNT (skratka pre angličtinu Viacerých uhlíkových nanotrubíc).

Typy nanotrubíc: (1) Skutočný obraz viacerých steny nanotubu, (2) kreslenie jednoduchej steny nanotrubíc, (3) grafit alebo grafénový list. W2raphael [CC BY-SA (http: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0/]]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jednoduché steny uhlíkových nanotrubíc (SWCNT) sú vyrobené z jediného plechu valcovaného grafénu tvoriace valca, kde vrcholy šesťuholníkov dokonale zapadajú do vytvorenia trubice bez švu bez švov.

Viacnásobné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) sú tvorené koncentrickými valcami umiestnenými okolo spoločného dutého stredu, to znamená, že vo vnútri sú umiestnené dva alebo viac dutých valcov.

Viacnásobné steny nanotrubíc tvoria dva alebo viac valcov jeden vo vnútri druhého. Eric Wieer [CC By-S (https: // creativecommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]. Zdroj: Wikimedia Commons.Skutočný obraz nanotrubičiek s viacerými stenami získanými elektronickým mikroskopom. Oxirán [CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/licencie/By-SA/4.0)]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Klasifikácia podľa formy valcovania

V závislosti od spôsobu, akým je grafénový list zaznamenaný, môže byť dizajn, ktorý sa v CNT tvoria: vo forme kresla vo forme kľukatej a špirálovej alebo chirálnej formy. A to ovplyvňuje jeho vlastnosti.

Môže vám slúžiť: pravidlá Hume-RotherySkutočný obraz špirálovitého uhlíkového nanotubusu alebo chirálneho. Terer Yildirim (Národný inštitút štandardov a technológií - NIST) [verejná doména]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Fyzikálne vlastnosti

Uhlíkové nanotrubice sú pevné. Stretnú sa, aby vytvorili kytice, lúče, zväzky alebo „reťazce“ niekoľkých desiatok nanotrubíc, bránili si navzájom veľmi hustú a komplikovanú sieť.

Skutočný obraz uhlíkových nanorúrok získaných elektronickým mikroskopom. Je zrejmé, že tvoria zväzky, ktoré sa navzájom zaplietajú. MaterialScienst na anglickom wikipédii [CC By-S (https: // creativecommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Majú napätú silu väčšiu ako oceľ. To znamená, že majú vysoký odpor, aby sa zlomili, keď podstúpili napätie. Teoreticky môžu byť stokrát silnejšie ako oceľ.

Sú veľmi elastické, môžu sa ohýbať, krútiť a sklopiť bez poškodenia a potom sa vrátiť do svojej počiatočnej formy. Sú veľmi ľahké.

Sú to dobré hnacie sily tepla a elektriny. Hovorí sa, že majú veľmi všestranné elektronické správanie alebo že majú vysokú elektronickú vodivosť.

CNT trubice, ktorých šesťuholníky sú usporiadané vo forme kresla, majú kovové správanie podobné správaniu kovov.

Tie, ktoré sú usporiadané do kľukatej a helicoidálnej, môžu byť kovové a polovodiče.

Chemické vlastnosti

Kvôli sile väzieb medzi ich atómami uhlíka môžu CNT vydržať veľmi vysoké teploty (750 ° C pri atmosférickom tlaku a 2800 ° C vo vákuu).

Nanotrubice sú chemicky reaktívnejšie ako valcovitá časť. Ak sa podrobia oxidácii, konce sa najskôr oxidujú. Ak sú trubice zatvorené, konce otvorené.

Pri ošetrení kyselinou dusičnou HNO₃ o kyselina sírová₂SW₄ Za určitých podmienok môžu CNT tvoriť karboxylové -coah alebo chinón OR = c -C skupiny₄H₄-C = O.

CNT s menším priemerom sú reaktívnejšie. Uhlíkové nanotrubice môžu obsahovať atómy alebo molekuly iných druhov vo svojich vnútorných kanáloch.

Rozpustnosť

Vzhľadom na to, že CNT nemajú na svojom povrchu žiadnu funkčnú skupinu, je to veľmi hydrofóbne, to znamená, že je mimoriadne málo kompatibilný s vodou a nie je rozpustný v tomto alebo v nepolárnych organických rozpúšťadlách.

Ak však reagujú s niektorými zlúčeninami, CNT môžu byť rozpustné. Napríklad s kyselinou dusičnou HNO₃ Môžu byť solubilizované v niektorých rozpúšťadlách Amida za určitých podmienok.

Biochemické vlastnosti

Čisté uhlíkové nanotrubice sú biyouch, čo znamená, že nie sú kompatibilné alebo súvisia so životným alebo živými tkanivami. Vytvárajú imunitnú reakciu organizmu, pretože sa považujú za agresívne prvky.

Z tohto dôvodu ich vedci chemicky modifikujú tak, aby boli akceptovaní tkaninami tela a môžu sa použiť v lekárskych aplikáciách.

Môžu interagovať s makromolekulami, ako je proteín a DNA, čo je proteín, ktorý tvorí gény živých bytostí.

Získanie

Uhlíkové nanotrubice sa získavajú na základe grafitu prostredníctvom rôznych techník, ako je odparovanie laserovými impulzmi, elektrický oblúkový výtok a chemické ukladanie pary.

Boli tiež získané z vysokého oxidu oxidu uhoľnatého (CO) prúdom katalytickým rastom v plynnej fáze.

Prítomnosť kovových katalyzátorov v niektorých metódach získania pomáha pri zarovnaní viacerých nanotrubíc steny.

Uhlíková nanotrubica však nie je molekula, ktorá je vždy rovnaká. Podľa metódy prípravy a podmienok sa získajú s rôznou dĺžkou, priemerom, štruktúrou, hmotnosťou a v dôsledku toho vykazujú rôzne vlastnosti.

Môže vám slúžiť: jednoduchý mikroskop

Aplikácie uhlíkových nanorúrok

Vlastnosti CNT ich robia vhodné pre širokú škálu použití.

Používajú sa v štrukturálnych materiáloch pre elektroniku, optiku, plasty a ďalšie výrobky v oblasti nanotechnológie, leteckého priemyslu a automobilovej výroby.

Uhlíkové nanotrubice majú veľmi rozmanité použitie. Toto je skutočný obraz uhlíkových nanorúrok získaných elektronickým mikroskopom. Ilmar cink [CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Kompozície alebo zmesi materiálov s CNT

CNT sa kombinovali s polymérmi, aby sa vytvorili vlákna a látka vystužených polymérov pre vysokovýkonný výkon. Napríklad sa použili na posilnenie polyakrylonitrilových vlákien na obranné účely.

Zmesi CNT s polymérmi môžu byť tiež navrhnuté tak, aby mali rôzne vlastnosti jazdy elektrickej energie. Zlepšujú nielen pevnosť a tuhosť polyméru, ale tiež pridávajú vlastnosti elektrickej vodivosti.

Vlákna a tkaniny CNT sa tiež vyrábajú s odpormi podobnými odporom hliníka a uhlíkovej ocele, ale ktoré sú oveľa ľahšie ako tieto. S takýmito vláknami bolo navrhnuté telesné brnenie.

Boli tiež použité na získanie odolnejšej keramiky.

Elektronické zariadenia

Uhlíkové nanotrubice majú veľký potenciál vo vákuovej elektronike, nanodispozičných a skladovaní energie.

CNT môžu fungovať ako diódy, tranzistory a relé (elektromagnetické zariadenia, ktoré umožňujú otvorenie a zatváranie elektrických obvodov).

Môžu tiež emitovať elektróny, keď sú vystavené elektrickému poľu alebo ak sa aplikuje napätie.

Plynové senzory

Použitie CNT v plynových senzoroch im umožňuje byť malý, kompaktný a svetlo a ktoré sa dá kombinovať s elektronickými aplikáciami.

Vďaka elektronickej konfigurácii CNT je senzory veľmi citlivé na extrémne malé množstvá plynov a okrem toho môžu byť CNT chemicky prispôsobené na detekciu konkrétnych plynov.

Lekárske aplikácie

Vďaka svojej vysokej povrchovej ploche môže vynikajúca chemická stabilita a polylalomatická štruktúra bohatá na elektróny CNT adsorbovať alebo kombinovať so širokou škálou terapeutických molekúl, ako sú lieky, proteíny, protilátky, enzýmy, vakcíny atď.

Ukázalo sa, že sú vynikajúcimi vozidlami na prepravu a uvoľňovanie liekov, priamo prenikajú do buniek a udržiavajú lieky nedotknuté počas ich transportu telom.

Ten umožňuje znížiť dávku medicíny a jej toxicitu, najmä protirakovinové lieky.

CNT boli užitočné pri terapiách rakoviny, infekciách, regenerácii tkanív, neurodegeneratívnych chorobách a ako antioxidanty.

Používajú sa tiež pri diagnostike ochorenia v určitých analýzach, ako sú biosenzory, separácia liečiva a extrakcia biochemických zlúčenín.

Používajú sa tiež v ortopedických protézach a ako podporný materiál pre rast kostného tkaniva.

Ostatné aplikácie

Jeho použitie bolo tiež navrhnuté ako materiály pre batérie a membrány palivových článkov, lítium -ion -batérie, superspravy a chemické filtre.

Ich vysoká elektrická a relatívna vodivosť ich robí užitočnými ako elektródy v elektrochemických reakciách.

Môžu tiež dodržiavať reaktantné častice a pre svoju veľkú povrchovú oblasť, ktorú môžu fungovať ako podpora katalyzátora.

Majú tiež kapacitu na skladovanie vodíka, ktorý nájde veľkú užitočnosť vo vozidlách, ktoré pracujú s týmto plynom, pretože s CNT by sa mohlo bezpečne prepravovať.

Toxicita uhlíkových nanotrubíc

Štúdie odhalili ťažkosti s vyhodnotením toxicity CNT. Zdá sa, že to závisí od charakteristík, ako je dĺžka, tuhosť, koncentrácia a trvanie vystavenia CNT. Závisí to aj od metódy výroby a čistoty CNT.

Odporúča sa však používať ochranné zariadenia počas manipulácie s CNT, pretože existujú štúdie, ktoré naznačujú ich podobnosť s azbestovými vláknami a že inhalácia prachu CNS môže spôsobiť poškodenie pľúc.

Technicia Vzorky vzoriek uhlíkových nanotrubíc. Dajú sa dodržiavať náradie ochrany, ktoré používate. Alebo.Siež. Národný inštitút pre bezpečnosť a zdravie pri práci [verejná doména]. Zdroj: Wikimedia Commons.Skutočný obraz toho, ako uhlíková nanotube prechádza cez bunku pľúc. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, liy Wang, Lori a. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova a Dale W. Porter / niosh [verejná doména]. Zdroj: Wikimedia Commons.

Odkazy

1. Basu-Dutt, s. a kol. (2012). Chémia uhlíkových nanorúrok pre všetkých. J. Chem. Pedagóg. 2012, 89, 221-229. Získané z krčiem.ACS.orgán.
2. Mesiace, m. a Kuznetsov, V.L. (redaktori). (2006). Kto by mal dostať zásluhu za objavenie uhlíkových nanotibilných? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Zotavené z vedeckých pracovníkov.com.
3. Eatemadi, a. a kol. (2014). Uhlíkové nanotrubice: vlastnosti, syntéza, čistenie a lekárske aplikácie. NanoScale Research Letters 2014, 9: 393. NCBI sa zotavila.NLM.NIH.Vláda.
4. Saxid, m.Jo. a kol. (2016) uhlíkové nanotrubice od syntézy do In vivo Biomedicínske aplikácie. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI sa zotavila.NLM.NIH.Vláda.
5. Ajayan, P.M. (1999). Nanotrubice z uhlíka. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Získané z krčiem.ACS.orgán.
6. Niyogi, s. a kol. (2002). Chémia jednosterných uhlíkových nanotrubíc. ACC. Chem. Hovädzie mäso. 2002, 35, 1105-1113. Získané z krčiem.ACS.orgán.
7. Awashi, k. a kol. (2005). Syntéza uhlíkových nanotrubíc. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI sa zotavila.NLM.NIH.Vláda.
8. Grobert, n. (2007). Uhlíkové nanotrubice - stáva sa čistými. MaterialStoday Zväzok 10, problémy 1-2, strany 28-35. Obnovené od čitateľa.Elsevier.com.
9. On, h. a kol. (2013). Uhlíkové nanotrubice: aplikácie vo farmácii a medicíne. Biomed res int. 2013; 2013: 578290. NCBI sa zotavila.NLM.NIH.Vláda.
10. Francis, a.P. a Dease, T. (2018). Toxicita uhlíkových nanorúrok: prehľad. Toxikológia a priemyselné zdravie (2018) 34, 3. Zotavené z časopisov.Šálka.com.
11. Harik, v. M. (2017). Geometria uhlíkových nanotrubíc a mechanizmov fagocytózy a toxických účinkov. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI sa zotavila.NLM.NIH.Vláda.