UHLÍKOVÉ NANORÚRKY: ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, POUŽITIE, TOXICITA - CHÉMIA - 2025

Tieto uhlíkové nanotrubičky sú rúry alebo valca veľmi malé a veľmi tenké tvorený iba atómami uhlíka (C). Jeho tubulárna štruktúra je viditeľná iba pomocou elektrónových mikroskopov. Je to pevný čierny materiál, ktorý sa skladá z veľmi malých zväzkov alebo zväzkov niekoľkých desiatok nanotrubíc, ktoré sú vzájomne spojené a vytvárajú komplikovanú sieť.

Predpona „nano“ znamená „veľmi malá“. Slovo „nano“ použité v meraní znamená, že je to jedna miliardtina merania. Napríklad nanometer (nm) je jedna miliardtina metra, tj 1 nm = 10 - ⁹ m.

Vzorka uhlíkových nanorúrok. Je vidieť, že je to čierna pevná látka s uhlíkovým vzhľadom. Shaddack. Zdroj: Wikimedia Commons.

Každá malá uhlíková nanotrubica sa skladá z jedného alebo viacerých listov grafitu obalených okolo seba. Rozdeľujú sa na jednostenné nanotrubice (jediná valcovaná fólia) a viacstenné nanotrubice (dva alebo viac valcov vo vnútri druhej).

Uhlíkové nanorúrky sú veľmi silné, majú vysokú odolnosť proti rozbitiu a sú veľmi flexibilné. Vedú teplo a elektrinu veľmi dobre. Tvoria tiež veľmi ľahký materiál.

Tieto vlastnosti ich robia užitočnými v rôznych oblastiach použitia, napríklad v automobilovom, leteckom a elektronickom priemysle. Používajú sa tiež v medicíne, napríklad na prepravu a dodávanie protirakovinových liekov, vakcín, proteínov atď.

Zaobchádzanie s ním však musí prebiehať pomocou ochranných prostriedkov, pretože pri vdýchnutí môžu spôsobiť poškodenie pľúc.

Objav uhlíkových nanorúrok

Vo vedeckej komunite existujú rôzne názory na to, kto objavil uhlíkové nanorúrky. Aj keď existuje veľa výskumných prác o týchto materiáloch, nižšie je uvedených len niekoľko dôležitých dátumov.

- V roku 1903 francúzsky vedec Pélabon pozoroval vo vzorke uhlíkové vlákna (elektrónové mikroskopy ešte neboli k dispozícii).

- V roku 1950 fyzik Roger Bacon z spoločnosti Union Carbide študoval určité vzorky uhlíkových vlákien a pozoroval obrázky rovných a dutých nanočastíc alebo nanobigotov (preklad anglických nanowhiskerov).

- V roku 1952 ruskí vedci Radushkevič a Lukyanovich uverejnili fotografie snímok uhlíkových nanorúrok, ktoré sami syntetizovali a získali elektrónovým mikroskopom, kde je zrejmé, že sú duté.

- V roku 1973 ruskí vedci Bochvar a Gal'pern dokončili sériu výpočtov energetických hladín molekulárnych orbitálov, čo ukazuje, že grafitové listy sa môžu skrútiť a vytvárať tak „duté molekuly“.

- V roku 1976 spoločnosť Morinobu Endo pozorovala uhlíkové vlákna s dutým stredom, ktoré vzniklo pyrolýzou benzénu a ferocénu pri 1000 ° C (pyrolýza je druh rozkladu, ku ktorému dochádza pri zahrievaní na veľmi vysoké teploty v neprítomnosti kyslíka).

- V roku 1991 nadšenie pre uhlíkové nanorúrky vyvolalo syntetické uhlíkové ihly Sumio Iijima vyrobené z dutých rúr pomocou techniky elektrického oblúka.

- Sumio Iijima a Donald Bethune (nezávisle od seba) v roku 1993 objavili súčasne jednostenné uhlíkové nanorúrky.

Interpretácie niektorých zdrojov, s ktorými sa konzultovalo

Podľa niektorých zdrojov informácií by mal byť úver za objav uhlíkových nanorúrok v roku 1952 ruským vedcom Radushkevičom a Lukyanovičom.

Predpokladá sa, že im nebolo zaslúžené uznanie, pretože v tom čase existovala tzv. Studená vojna a západní vedci nemali prístup k ruským článkom. Okrem toho z ruského jazyka sa nedalo prekladať veľa, čo ďalej odďaľovalo ich analyzovanie v zahraničí.

V mnohých článkoch sa hovorí, že Iijima bol tým, ktorý objavil uhlíkové nanorúrky v roku 1991. Niektorí vedci však odhadujú, že vplyv práce Iijimy je spôsobený skutočnosťou, že veda už dosiahla dostatočný stupeň zrelosti, aby si uvedomila dôležitosť uhlíkových nanorúrok. nanomateriály.

Niektorí hovoria, že v týchto desaťročiach fyzici vo všeobecnosti nečítali články v časopisoch chémie, kde sa už diskutovalo o uhlíkových nanorúrkach, a preto boli podľa článku Iijima „prekvapení“.

To všetko však neznižuje vysokú kvalitu práce Iijima od roku 1991. A rozdiel v názoroch zostáva.

názvoslovie

- uhlíkové nanorúrky alebo CNT (uhlíkové nanorúrky).

- jednostenné uhlíkové nanotrubice alebo SWCNT (jednovalcové uhlíkové nanotrubice).

- Viacstenné uhlíkové nanorúrky alebo MWCNT (viacstenné uhlíkové nanotrubice).

štruktúra

Fyzikálna štruktúra

Uhlíkové nanotrubice sú veľmi jemné a malé rúrky alebo valce, ktorých štruktúru je možné vidieť iba pomocou elektrónového mikroskopu. Skladajú sa z listu grafitu (grafén) valcovaného do rúrky.

Uhlíková nanotrubica je valcovaná tabuľa grafitu alebo grafénu: a) teoretický obraz vrstvy grafitu, b) teoretický obrázok valcovaného listu alebo nanotrubice uhlíka. OpenStax. Zdroj: Wikimedia Commons.

Sú to duté valcové molekuly zložené výlučne z atómov uhlíka. Atómy uhlíka sú usporiadané vo forme malých šesťuholníkov (šesťstranné polygóny) podobné benzénu a navzájom spojené (kondenzované benzénové kruhy).

Kresba uhlíkovej nanotrubice, kde môžete vidieť malé šesťuholníky so 6 atómami uhlíka. Užívateľ: Gmdm. Zdroj: Wikimedia Commons.

Rúrky môžu alebo nemusia byť upchávané pri svojich otvoroch a môžu byť extrémne dlhé v porovnaní so svojimi priemermi. Sú rovnocenné listom grafitu (grafénu) valcovaného do bezšvíkových rúr.

Chemická štruktúra

CNT sú polyaromatické štruktúry. Väzby medzi atómami uhlíka sú kovalentné (to znamená, že nie sú iónové). Tieto spojenia sú v rovnakej rovine a sú veľmi silné.

Sila väzieb C = C robí CNT veľmi rigidnými a silnými. Inými slovami, steny týchto trubíc sú veľmi silné.

Spoje mimo roviny sú veľmi slabé, čo znamená, že medzi jednou rúrkou a druhou nie sú silné spoje. Sú to však príťažlivé sily, ktoré umožňujú vytváranie zväzkov alebo zväzkov nanorúrok.

Klasifikácia podľa počtu skúmaviek

Uhlíkové nanorúrky sú rozdelené do dvoch skupín: jednovrstvové nanotrubice alebo SWCNT (jednovrstvové uhlíkové nanomateriály) a viacstenné nanotrubičky alebo MWCNT (multivostné uhlíkové nanomateriály).

Typy nanotrubičiek: (1) viacstenný skutočný obraz nanotrubíc, (2) jednostenné kreslenie nanotrubíc, (3) kresba grafitu alebo grafenového listu. W2raphael. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNT) sú vyrobené z jedného grafenového plechu zvinutého do valca, kde vrcholy šesťuholníkov dokonale zapadajú do formy bezšvíkovej trubice.

Viacstenné uhlíkové nanorúrky (MWCNT) sa skladajú z koncentrických valcov umiestnených okolo spoločného dutého stredu, to znamená dvoch alebo viacerých dutých valcov umiestnených vo vnútri seba.

Viacstenné nanotrubice sa skladajú z dvoch alebo viacerých valcov navzájom vo vnútri. Eric Wieser. Zdroj: Wikimedia Commons.

Skutočný obraz viacstennej uhlíkovej nanotrubice získanej elektrónovým mikroskopom. Etylénoxidu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Klasifikácia podľa formy vinutia

V závislosti od spôsobu valcovania grafénovej fólie môže byť vzor tvorený hexagónmi v CNT: stoličkový, kľukatý, špirálový alebo chirálny. A to ovplyvňuje jeho vlastnosti.

Skutočný obraz chirálnej alebo špirálovej uhlíkovej nanotrubice. Taner Yildirim (Národný inštitút pre normy a technológie - NIST). Zdroj: Wikimedia Commons.

Fyzikálne vlastnosti

Uhlíkové nanorúrky sú tuhé. Spoločne vytvárajú kytice, zväzky, zväzky alebo „struny“ niekoľkých tuctov nanotrubíc, ktoré sú zapletené do veľmi hustej a komplikovanej siete.

Skutočný obraz uhlíkových nanorúrok získaných elektrónovým mikroskopom. Je vidieť, že vytvárajú zväzky, ktoré sa vzájomne zaplietnu. Materialscientist na anglickej Wikipédii. Zdroj: Wikimedia Commons.

Majú pevnosť v ťahu väčšiu ako pevnosť ocele. To znamená, že pri zaťažení majú vysokú odolnosť proti rozbitiu. Teoreticky môžu byť stokrát silnejšie ako oceľ.

Sú veľmi elastické, môžu sa ohýbať, skrútiť a skladať bez poškodenia a potom sa vrátiť do pôvodného tvaru. Sú veľmi ľahké.

Sú dobrými vodičmi tepla a elektriny. Hovorí sa, že majú veľmi univerzálne elektronické správanie alebo majú vysokú elektronickú vodivosť.

Rúrky CNT, ktorých šesťuholníky sú usporiadané do tvaru kresla, majú kovové správanie alebo sa podobajú kovovým vlastnostiam.

Tie, ktoré sú usporiadané v kľukatom a špirálovom vzore, môžu byť kovové a polovodičové.

Chemické vlastnosti

V dôsledku sily väzieb medzi atómami uhlíka môžu CNT odolávať veľmi vysokým teplotám (750 ° C pri atmosférickom tlaku a 2800 ° C vo vákuu).

Konce nanotrubíc sú chemicky reaktívnejšie ako valcovitá časť. Pokiaľ sú podrobené oxidácii, konce sú najskôr oxidované. Ak sú rúry zatvorené, konce sú otvorené.

Ak sa nechajú reagovať s kyselinou dusičnou HNO ₃ alebo kyseliny sírovej H ₂ SO _4, za určitých podmienok CNT môžu tvoriť karboxylovej typu skupiny -COOH alebo CHINON typu skupiny O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT s menšími priemermi sú reaktívnejšie. Uhlíkové nanorúrky môžu vo svojich vnútorných kanáloch obsahovať atómy alebo molekuly iných druhov.

rozpustnosť

Pretože CNT nemajú na svojom povrchu žiadnu funkčnú skupinu, je veľmi hydrofóbna, to znamená, že je mimoriadne zle kompatibilná s vodou a nie je v nej rozpustná ani v nepolárnych organických rozpúšťadlách.

Ak však reagujú s niektorými zlúčeninami, CNT sa môžu stať rozpustnými. Napríklad s kyselinou dusičnou HNO _3, môžu byť solubilizovány v niektorých amidových rozpúšťadlách typu za určitých podmienok.

Biochemické vlastnosti

Čisté uhlíkové nanorúrky sú biologicky kompatibilné, čo znamená, že nie sú kompatibilné alebo nesúvisia so životom alebo živými tkanivami. Vytvárajú imunitnú reakciu z tela, pretože sa považujú za agresívne prvky.

Z tohto dôvodu ich vedci chemicky modifikujú tak, aby ich tkanivá tela akceptovali a aby sa dali použiť v lekárskych aplikáciách.

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

získanie

Uhlíkové nanotrubice sa vyrábajú z grafitu rôznymi technikami, ako je napríklad odparovanie laserovým pulzom, výboje elektrickým oblúkom a chemické ukladanie pár.

Získali sa tiež z vysokotlakového prúdu oxidu uhoľnatého (CO) katalytickým rastom v plynnej fáze.

Prítomnosť kovových katalyzátorov v niektorých výrobných metódach pomáha pri zarovnávaní viacstenných nanorúrok.

Uhlíková nanotrubica však nie je molekula, ktorá vždy vyzerá rovnako. Podľa spôsobu prípravy a podmienok sa získavajú s rôznou dĺžkou, priemerom, štruktúrou, hmotnosťou a výsledkom sú rôzne vlastnosti.

Použitie uhlíkových nanorúrok

Vďaka vlastnostiam CNT sú vhodné na široké použitie.

Používajú sa v konštrukčných materiáloch pre elektroniku, optiku, plasty a ďalšie výrobky v oblasti nanotechnológie, letectva a automobilovej výroby.

Uhlíkové nanotrubice majú mnoho rôznych použití. Toto je skutočný obraz uhlíkových nanorúrok získaných elektrónovým mikroskopom. Ilmar Kink. Zdroj: Wikimedia Commons.

Zmesi alebo zmesi materiálov s CNT

CNT sa kombinovali s polymérmi, aby sa vyrobili vysokovýkonné vystužené polymérne vlákna a textílie. Používajú sa napríklad na vystuženie polyakrylonitrilových vlákien na obranné účely.

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

Vlákna a tkaniny CNT sa vyrábajú aj s pevnosťou podobnou ako hliník a uhlíková oceľ, ale ktoré sú omnoho ľahšie ako tieto. Pancier na telo bol navrhnutý z týchto vlákien.

Používajú sa tiež na získanie odolnejšej keramiky.

Elektronické zariadenia

Uhlíkové nanorúrky majú obrovský potenciál vo vákuovej elektronike, nanozariadeniach a akumulácii energie.

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

Môžu tiež emitovať elektróny, keď sú vystavené elektrickému poľu alebo ak je použité napätie.

Plynové senzory

Použitie CNT v plynových senzoroch umožňuje, aby boli malé, kompaktné a ľahké a aby sa dali kombinovať s elektronickými aplikáciami.

Elektronická konfigurácia CNT spôsobuje, že senzory sú veľmi citlivé na extrémne malé množstvá plynov a okrem toho môžu byť CNT chemicky upravené na detekciu špecifických plynov.

Lekárske aplikácie

Vďaka svojmu vysokému povrchu, vynikajúcej chemickej stabilite a na elektrón bohatej polyaromatickej štruktúre môžu CNT adsorbovať alebo konjugovať s celým radom terapeutických molekúl, ako sú lieky, proteíny, protilátky, enzýmy, vakcíny atď.

Ukázalo sa, že sú vynikajúcimi prostriedkami na transport a dodávanie liečiv, prenikajúcimi priamo do buniek a udržiavajú liečivo neporušené počas transportu telom.

Posledné uvedené umožňuje znížiť dávku lieku a jeho toxicitu, najmä protirakovinové lieky.

CNT sa ukázali ako užitočné pri terapiách proti rakovine, infekciám, regenerácii tkanív, neurodegeneratívnym ochoreniam a ako antioxidanty.

Používajú sa tiež pri diagnostike chorôb, pri určitých analýzach, ako sú napríklad biosenzory, separácia liekov a extrakcia biochemických zlúčenín.

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

Ďalšie aplikácie

Boli tiež navrhnuté ako materiály pre membrány batérií a palivových článkov, anódy pre lítium-iónové batérie, superkondenzátory a chemické filtre.

Ich vysoká elektrická vodivosť a relatívna chemická inertnosť ich robia užitočnými ako elektródy pri elektrochemických reakciách.

Môžu tiež priľnúť k časticiam reaktantov a vďaka svojej veľkej ploche môžu fungovať ako nosiče katalyzátora.

Majú tiež kapacitu na skladovanie vodíka, čo je veľmi užitočné vo vozidlách, ktoré jazdia na uvedený plyn, pretože s CNT by sa mohol bezpečne prepravovať.

Toxicita pre uhlíkové nanotrubice

Štúdie odhalili ťažkosti pri hodnotení toxicity CNT. Zdá sa, že to závisí od charakteristík, ako je dĺžka, tuhosť, koncentrácia a trvanie expozície CNT. Závisí to aj od spôsobu výroby a čistoty CNT.

Odporúča sa však pri manipulácii s CNT používať ochranné vybavenie, pretože existujú štúdie, ktoré naznačujú ich podobnosť s azbestovými vláknami a že vdýchnutie prachu CNT môže spôsobiť poškodenie pľúc.

Technik vážiaci vzorky uhlíkových nanorúrok. Môžete vidieť ochranné náradie, ktoré používa. Americký národný inštitút pre bezpečnosť a ochranu zdravia pri práci. Zdroj: Wikimedia Commons.

Skutočný obraz o tom, ako uhlíková nanotrubica prechádza bunkou v pľúcach. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova a Dale W. Porter / NIOSH. Zdroj: Wikimedia Commons.

Referencie

1. Basu-Dutt, S. a kol. (2012). Chémia uhlíkových nanorúrok pre každého. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Obnovené z adresy pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. a Kuznetsov, VL (redaktori). (2006). Kto by mal byť ocenený za objav uhlíkových nanorúrok? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
3. Eatemadi, A. a kol. (2014). Uhlíkové nanorúrky: vlastnosti, syntéza, čistenie a lekárske aplikácie. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI a kol. (2016) Uhlíkové nanorúrky zo syntézy na biomedicínske aplikácie in vivo. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278 - 299. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanotrubice z uhlíka. Chem., 1999, 99, 1787 - 1799. Obnovené z adresy pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. a kol. (2002). Chémia jednostenných uhlíkových nanorúrok. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Obnovené z adresy pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. a kol. (2005). Syntéza uhlíkových nanorúrok. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Uhlíkové nanorúrky - čistenie. Materialstoday Zväzok 10, vydanie 1-2, strany 28-35. Obnovené z lokality reader.elsevier.com.
9. He, H. a kol. (2013). Uhlíkové nanorúrky: Aplikácie vo farmácii a medicíne. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Obnovené z ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP a Devasena, T. (2018). Toxicita uhlíkových nanorúrok: prehľad. Toxikológia a priemyselné zdravie (2018) 34, 3. Získané z časopisov.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometria uhlíkových nanorúrok a mechanizmy fagocytózy a toxických účinkov. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.