Struktura nanorurek węglowych, właściwości, zastosowania, toksyczność

Nanorurki węglowe Są bardzo małe i bardzo cienkie cylindry lub cylindry utworzone tylko przez atomy węgla (C). Jego struktura kanalików jest widoczna tylko przez mikroskopy elektroniczne. Jest to solidny czarny materiał, utworzony przez wiązki lub bardzo małe z kilkudziesięciu nanorurek, splątane razem, tworząc skomplikowaną sieć.

Prefiks „Nano” oznacza „bardzo mały”. Słowo „nano” użyte w pomiarze oznacza, że ​​jest to młynmilonese część miary. Na przykład nanometr (nm) to młynmilonese część miernika, to znaczy 1 nm = 10^-9 M.

Próbka nanorurek węglowych. Można zauważyć, że jest to czarna czarna stała. Shaddack [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Każdy maleńki nanorurki węglowej składa się z jednej lub więcej arkuszy grafitowych na sobie. Są one podzielone na proste nanorurki ścienne (pojedyncza wręczona blaszka) i wiele nanorurek ścian (dwa lub więcej cylindrów w drugim).

Nanorurki węglowe są bardzo silne, mają wysoką odporność na pęknięcie i są bardzo elastyczne. Bardzo dobrze prowadzą ciepło i energię elektryczną. Makują również bardzo lekki materiał.

Te właściwości sprawiają, że są one przydatne w kilku dziedzinach zastosowań, takich jak między innymi motoryzacyjna, lotnicza, elektroniczna, elektroniczna. Zostały również stosowane w medycynie, na przykład do transportu i uwalniania leków przeciwko rakowi, szczepionkom, białkom itp.

Jednak jego manipulacja należy wykonać za pomocą sprzętu ochronnego, ponieważ są one wdychane, może spowodować uszkodzenie płuc.

[TOC]

Odkrycie nanorurek węglowych

Istnieją różne opinie w społeczności naukowej na temat tego, kto odkrył nanorurki węglowe. Chociaż istnieje wiele prac badawczych nad tymi materiałami, poniżej wymieniono tylko kilka ważnych dat.

- W 1903 r. Francuski naukowiec Pélado zaobserwował włókna węglowe w próbce (dla tej daty mikroskopów elektronicznych nie były jeszcze dostępne).

- W 1950 r. Fizyk Roger Bacon z Union Carbide Company studiował niektóre próbki włókien węglowych i obserwował obrazy nanopelusów lub nanobigotów (tłumaczenie angielskiego Nanowhiskers) Proste i zaczepowane.

- W 1952 r. Rosyjscy naukowcy Radushkevich i Lukyanovich opublikowali zdjęcia nanorurek węglowych syntetyzowanych przez samego samego siebie i uzyskane za pomocą mikroskopu elektronicznego, gdzie wyraźnie obserwuje się, że są to puste.

- W 1973 r. Rosyjscy naukowcy Bochvar i Gal'pern zakończyli serię obliczeń poziomów energii orbitali molekularnych, co pokazuje, że arkusze grafitowe mogą zwinąć się na siebie, tworząc „puste cząsteczki”.

- W 1976 r. Morinobu Endo zaobserwowało włókna węglowe z centrum ahuecado wytwarzanym przez pirolizę benzenu i ferrocenu w 1000 ° C (piroliza jest rodzajem rozkładu, które występuje z ogrzewaniem w bardzo wysokich temperaturach przy braku tlenu).

- W 1991 r. Entuzjazm został uwolniony w kierunku nanorurek węglowych po zsyntetyzowanych igłach węglowych Sumio iijima wykonanych z pustych rur za pomocą techniki łukowej elektrycznej.

- W 1993 r. Sumio iijima i Donald Bethune (pracujący niezależnie od siebie) jednocześnie odkryli proste nanorurki węglowe.

Interpretacje niektórych z konsultowanych źródeł

Zgodnie z niektórymi źródłami informacji, zasługi odkrycia nanorurek węglowych dla rosyjskich naukowców Radushkevich i Lukyanovich w 1952 r. W 1952 r.

Uważa się, że nie otrzymali zasłużonego kredytu, ponieważ w tym czasie istniała „zimna wojna”, a zachodni naukowcy nie mieli dostępu do rosyjskich artykułów. Ponadto niewielu wiedziało, jak tłumaczyć się z rosyjskiego, co dodatkowo opóźniło, że ich badania mogą zostać przeanalizowane za granicą.

Może ci służyć: anomerowy węgiel: co to jest, charakterystyka, przykłady

W wielu artykułach mówi się, że IIJIMA był tym, który odkrył nanorurki węglowe w 1991 roku. Jednak niektórzy badacze szacują, że wpływ pracy IIJIMA wynika z faktu, że nauka już osiągnęła wystarczający stopień dojrzałości, aby docenić znaczenie nanomateriałów.

Są tacy, którzy potwierdzają, że w tych dziesięcioleciach fizycy na ogół nie czytali czasopism chemii, w których omawiano już nanorurki węglowe, i że z tego powodu byli „zaskoczeni” artykułem IIJIMA.

Ale wszystko to nie zmniejsza wysokiej jakości pracy IIJIMA w 1991 roku. I różnica opinii jest utrzymywana.

Nomenklatura

- Nanorurki węglowe lub CNT (akronim dla angielskiego Nanorurki węglowe).

- Proste nanorurki węglowe lub SWCN (angielski akronim Jednościenne nanorurki węglowe).

- Wiele nanorurek węglowych lub MWCN (angielski akronim Wielościenne nanorurki węglowe).

Struktura

Struktura fizyczna

Nanorurki węglowe to bardzo cienkie i małe rurki lub cylindry, których struktura można zobaczyć tylko za pomocą mikroskopu elektronicznego. Składają się z arkusza grafitu (grafenu) zwiniętego w w kształcie rurki.

Nanorurek węglowy to zwinięty arkusz grafitowy lub grafenowy: (a) teoretyczny arkusz grafitu, (b) teoretyczny obraz zwalnionej lub węglowej nanorurek. Opentax [CC przez (https: // creativeCommons.Org/licencje/według/4.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Są to ahuekadowane cząsteczki cylindryczne składane tylko z atomów węgla. Atomy węgla są ułożone w postaci małych sześciokątów (wielokąty 6 -pasmowe) podobne do benzenu i zjednoczone ze sobą (skondensowane pierścienie benternic).

Rysunek nanorurki węglowej, w którym można zaobserwować małe sześciokąt 6 atomów węgla. Użytkownik: GMDM [CC BY-S (http: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0/]]. Źródło: Wikimedia Commons.

Rurki mogą, ale nie muszą być pokryte ich otworami i mogą być bardzo długie w porównaniu z ich średnicami. Są równoważne z arkuszami grafitowymi (grafenowymi) zwiniętymi w bezproblemowe rurki.

Struktura chemiczna

CNT są strukturami polilaromatycznymi. Związki między atomami węgla są kowalencyjne (to znaczy nie są jonowe). Te linki znajdują się w tej samej płaszczyźnie i są bardzo silne.

Siła linków C = C sprawia, że ​​CNT są bardzo sztywne i odporne. Innymi słowy, ściany tych rur są bardzo silne.

Związki poza płaszczyzną są bardzo słabe, co oznacza, że ​​nie ma silnych związków między jedną rurką a drugą. Są to jednak siły przyciągania, które pozwalają na tworzenie wiązek lub nanorurek.

Klasyfikacja według liczby rur

Nanorurki węglowe są podzielone na dwie grupy: proste nanorurki ścienne lub SWCNT (akronim dla angielskiego Nanorurka węglowa pojedynczej ściany) I wielokrotne nanorurki ścienne lub MWCNT (akronim dla angielskiego Nanorurka węglowa z wieloma ścianami).

Rodzaje nanorurków: (1) prawdziwy obraz wielokrotnego nanorurek, (2) proste rysunek nanorurki ściany, (3) rysunek grafitu lub grafenu. W2rafael [cc by-sa (http: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0/]]. Źródło: Wikimedia Commons.

Proste nanorurki węglowe ściany (SWCNT) składają się z pojedynczego arkusza zwiniętego grafenu tworzącego cylinder, w którym wierzchołki sześciokątne idealnie pasują do rurki bez szwu.

Wiele nanorurek węglowych (MWCNT) są tworzone przez koncentryczne cylindry umieszczone wokół wspólnego pustego środka, to znaczy dwa lub więcej pustych cylindrów umieszczonych w sobie.

Wiele nanorurków ścianowych jest tworzonych przez dwa lub więcej cylindrów jeden w drugim. Eric Wieer [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.Prawdziwy obraz wielokrotnego nanorurki węglowej uzyskanej za pomocą mikroskopu elektronicznego. Oksirane [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Klasyfikacja zgodnie z formą toczenia

W zależności od sposobu, w jaki rejestruje się arkusz grafenowy, projekt, który tworzą heksagony w CNT, może być: w postaci fotela, w postaci zygzaka i w formie spiralnej lub chiralnej. I to wpływa na jego właściwości.

Może ci służyć: Hume-Rotherty RulesPrawdziwy obraz spiralnego nanorurem węglowego lub chiralnego. Terer Yildirim (National Institute of Standards and Technology - NIST) [domena publiczna]. Źródło: Wikimedia Commons.

Właściwości fizyczne

Nanorurki węglowe są stałe. Spotykają się, tworząc bukiety, wiązki, wiązki lub „sznurki” kilkudziesięciu nanorurek, utrudniając sobie bardzo gęstą i skomplikowaną sieć.

Prawdziwy obraz nanorurek węglowych uzyskanych za pomocą mikroskopu elektronicznego. Można zauważyć, że tworzą wiązki, które są ze sobą uwikłane. MaterialScienst at English Wikipedia [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Mają siłę napięcia większą niż siła stali. Oznacza to, że mają wysoki odporność na złamanie, gdy ulegają napięciu. Teoretycznie mogą być stu razy silniejsze niż stal.

Są bardzo elastyczne, mogą zginać, skręcić i składać bez szkodowania, a następnie wracać do swojej początkowej formy. Są bardzo lekkie.

Są dobrymi czynnikami cieplnymi i elektrycznymi. Mówi się, że mają bardzo wszechstronne zachowanie elektroniczne lub że mają wysoką przewodność elektroniczną.

Rurki CNT, których sześciokąt są ułożone w postaci fotela, mają zachowanie metali podobne do metali.

Osoby ułożone w zygzak i helikoidalne mogą być metaliczne i półprzewodniki.

Właściwości chemiczne

Z powodu siły wiązań między ich atomami węgla CNT mogą wytrzymać bardzo wysokie temperatury (750 ° C przy ciśnieniu atmosferycznym i 2800 ° C przy próżni).

Zakończenia nanorurek są chemicznie bardziej reaktywne niż część cylindryczna. Jeśli ulegają utlenianiu, końce są najpierw utleniane. Jeśli rurki są zamknięte, końce otwarte.

Podczas leczenia kwasem azotowym HNO₃ o H kwas siarkowy₂południowy zachód₄ W pewnych warunkach CNT mogą tworzyć grupy karboksylowe -coah lub chinon lub = c -c₄H₄-C = O.

CNT o niewielkich średnicach są bardziej reaktywne. Nanorurki węglowe mogą zawierać atomy lub cząsteczki innych gatunków w kanałach wewnętrznych.

Rozpuszczalność

Ze względu na fakt, że CNT nie mają żadnej grupy funkcjonalnej na swojej powierzchni, jest to bardzo hydrofobowe, to znaczy jest wyjątkowo mało kompatybilne z wodą i nie jest rozpuszczalne w tym lub w nie -spolarnych rozpuszczalnikach organicznych.

Jeśli jednak reagują na niektóre związki, CNT mogą być rozpuszczalne. Na przykład z kwasem azotowym HNO₃ Można je rozpuść w niektórych rozpuszczalnikach amida w określonych warunkach.

Właściwości biochemiczne

Czyste nanorurki węglowe są bioyouch, co oznacza, że ​​nie są one kompatybilne ani związane z życiowymi ani żywymi tkankami. Generują odpowiedź immunologiczną organizmu, ponieważ są uważane za agresywne elementy.

Z tego powodu naukowcy modyfikują je chemicznie, aby były akceptowane przez tkaniny ciała i mogą być stosowane w zastosowaniach medycznych.

Mogą oddziaływać z makrocząsteczkami, takimi jak białko i DNA, które jest białkiem, które tworzy geny żywych istot.

Uzyskanie

Nanorurki węglowe są uzyskiwane na podstawie grafitu za pomocą różnych technik, takich jak parowanie za pomocą impulsów laserowych, wyładowanie łuku elektrycznego i odkładanie pary chemicznej.

Uzyskano je również z wysokiego prądu wysokiego tlenku węgla (CO) przez wzrost katalityczny w fazie gazowej.

Obecność katalizatorów metali w niektórych metodach uzyskiwania pomaga wyrównanie wielu nanorurek na ścianie.

Jednak nanorurka węglowa nie jest cząsteczką, która jest zawsze taka sama. Zgodnie z metodą przygotowania i warunków uzyskuje się z różną długością, średnicą, strukturą, wagą, w wyniku czego przedstawiają różne właściwości.

Może ci służyć: prosty mikroskop

Zastosowania nanorurek węglowych

Właściwości CNT sprawiają, że są odpowiednie do szerokiej gamy zastosowań.

Zostały one stosowane w materiałach strukturalnych do elektroniki, optyki, tworzyw sztucznych i innych produktów w dziedzinie nanotechnologii, branży lotniczej i produkcji motoryzacyjnej.

Nanorurki węglowe mają bardzo zróżnicowane zastosowania. Jest to prawdziwy obraz nanorurek węglowych uzyskanych za pomocą mikroskopu elektronicznego. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Kompozycje lub mieszanki materiałów z CNT

CNT w połączeniu z polimerami w celu wytwarzania włókien i tkaniny wzmocnionych polimerów w celu uzyskania wysokiej wydajności. Na przykład zastosowano do wzmocnienia włókien poliakrylonitrylowych do celów obrony.

Mieszanki CNT z polimerami mogą być również zaprojektowane tak, aby mieć różne właściwości napędu energii elektrycznej. Poprawiają nie tylko siłę i sztywność polimeru, ale także dodają właściwości przewodności elektrycznej.

Włókna i tkaniny CNT są również wytwarzane z opornościami podobnymi do stali aluminiowej i węglowej, ale są to znacznie lżejsze niż te. Z takimi włóknami zaprojektowano zbroję ciała.

Zostały również użyte do uzyskania bardziej odpornej ceramiki.

Urządzenia elektroniczne

Nanorurki węglowe mają ogromny potencjał w próżniowej elektronice, nanodyspozycyjnej i magazynowaniu energii.

CNT mogą funkcjonować jako diody, tranzystory i przekaźniki (urządzenia elektromagnetyczne, które pozwalają otwierać i zamykać obwody elektryczne).

Mogą również emitować elektrony po poddaniu się pola elektrycznego lub przy zastosowaniu napięcia.

Czujniki gazu

Zastosowanie CNT w czujnikach gazu pozwala na małe, kompaktowe i światło i można je połączyć z zastosowaniami elektronicznymi.

Konfiguracja elektroniczna CNT sprawia, że ​​czujniki są bardzo wrażliwe na wyjątkowo małe ilości gazów, a ponadto CNT można chemicznie przystosować do wykrywania określonych gazów.

Zastosowania medyczne

Ze względu na wysoką powierzchnię, doskonała stabilność chemiczna i struktura polilaromatyczna bogata w elektrony CNT mogą adsorbować lub łączyć z szeroką gamą cząsteczek terapeutycznych, takich jak leki, białka, przeciwciała, enzymy, szczepionki itp.

Okazało się, że są doskonałymi pojazdami do transportu i uwalniania leków, bezpośrednio wnika do komórek i utrzymując nienaruszone leki podczas transportu przez ciało.

Ten ostatni pozwala na zmniejszenie dawki medycyny i jej toksyczności, zwłaszcza leków przeciwnowotworowych.

CNT były przydatne w terapiach przeciwnowotworowych, infekcjach, regeneracji tkanek, chorobach neurodegeneracyjnych i przeciwutleniaczy.

Są one również stosowane w diagnozie choroby, w niektórych analizach, takich jak biosensory, rozdział leków i ekstrakcja związków biochemicznych.

Są one również stosowane w protezach ortopedycznych i jako materiał wspierający wzrost tkanki kostnej.

Inne aplikacje

Jego zastosowanie zostało również zasugerowane jako materiały do ​​akumulatorów i membran ogniwowych, akumulatorów litowych, superkanderów i filtrów chemicznych.

Ich wysoka przewodność elektryczna i względna sprawia, że ​​są przydatne jako elektrody w reakcjach elektrochemicznych.

Mogą również przestrzegać cząstek reagentów, a dla ich dużego powierzchniowego obszaru mogą funkcjonować jako podporne katalizatory.

Mają także zdolność do przechowywania wodoru, który znajduje świetną użyteczność w pojazdach, które działają z tym gazem, ponieważ z CNT można go bezpiecznie transportować.

Toksyczność nanorurek węglowych

Badania wykazały trudności z oceną toksyczności CNT. Wydaje się, że zależy to od cech, takich jak długość, sztywność, stężenie i czas ekspozycji na CNT. Zależy również od metody produkcji i czystości CNT.

Zaleca się jednak stosowanie urządzeń ochronnych podczas manipulacji CNT, ponieważ istnieją badania wskazujące ich podobieństwo do włókien azbestowych i że wdychanie pyłu OUN może powodować uszkodzenie płuc.

Technik ważący próbki nanorurek węglowych. Można zaobserwować narzędzia ochrony, których używasz. LUB.S. National Institute for Cucipation Bezpieczeństwo i zdrowie [domena publiczna]. Źródło: Wikimedia Commons.Prawdziwy obraz tego, jak nanorurka węglowa przecina komórkę płuc. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Lieying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castanova i Dale W. Porter / Niosh [domena publiczna]. Źródło: Wikimedia Commons.

Bibliografia

1. Basu-Dutt, s. i in. (2012). Chemia nanorurek węglowych dla wszystkich. J. Chem. Edukacja. 2012, 89, 221-229. Odzyskane z pubów.ACS.org.
2. Miesiące, m. i Kuznetsov, v.L. (redaktorzy). (2006). Kto powinien zostać uznany za odkrycie nanorodności węglowej? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Odzyskane z naukowym.com.
3. Eatemadi, a. i in. (2014). Nanorurki węglowe: właściwości, synteza, oczyszczanie i zastosowania medyczne. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. NCBI odzyskało.NLM.Nih.Gov.
4. Saxid, m.Siema. i in. (2016) nanorurki węglowe od syntezy do In vivo Zastosowania biomedyczne. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI odzyskało.NLM.Nih.Gov.
5. Ajayan, s. 1.M. (1999). Nanorurki z węgla. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Odzyskane z pubów.ACS.org.
6. Niyogi, s. i in. (2002). Chemia jednościennych nanorurek węglowych. Acc. Chem. Wołowina. 2002, 35, 1105-1113. Odzyskane z pubów.ACS.org.
7. Awashi, k. i in. (2005). Synteza nanorurek węglowych. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI odzyskało.NLM.Nih.Gov.
8. Grobert, n. (2007). Nanorurki węglowe - czyszczenie. MaterialStaDay Tom 10, problemy 1-2, strony 28-35. Odzyskane od czytelnika.Elsevier.com.
9. On, h. i in. (2013). Nanorurki węglowe: Zastosowania w aptece i medycynie. Biomed Res int. 2013; 2013: 578290. NCBI odzyskało.NLM.Nih.Gov.
10. Francis, a.P. i devase, t. (2018). Toksyczność nanorurek węglowych: przegląd. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Odzyskane z czasopism.SagePub.com.
11. Harik, v. M. (2017). Geometria nanorurek węglowych i mechanizmy fagocytozy i toksyczne efekty. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI odzyskało.NLM.Nih.Gov.