UHLÍKOVÉ NANOTRUBICE: STRUKTURA, VLASTNOSTI, APLIKACE, TOXICITA - CHEMIE - 2025

Tyto uhlíkové nanotrubičky jsou trubky nebo válce velmi malé a velmi tenké tvořen pouze atomy uhlíku (C). Jeho tubulární struktura je viditelná pouze prostřednictvím elektronových mikroskopů. Je to pevný černý materiál, složený z velmi malých svazků nebo svazků několika desítek nanotrubic, spletených do jedné složité sítě.

Předpona „nano“ znamená „velmi malá“. Slovo „nano“ použité v měření znamená, že je to jedna miliardtina měření. Například nanometr (nm) je jedna miliardtina metru, tj. 1 nm = 10 - ⁹ m.

Vzorek uhlíkových nanotrubic. Je vidět, že se jedná o černou pevnou látku s uhlíkovým vzhledem. Shaddack. Zdroj: Wikimedia Commons.

Každá malá uhlíková nanotrubice je tvořena jednou nebo více vrstvami grafitu obalenými kolem sebe. Jsou rozděleny do jednostěnných nanotrubic (jeden válcovaný list) a vícestěnných nanotrubic (dva nebo více válců jeden uvnitř druhého).

Uhlíkové nanotrubice jsou velmi silné, mají vysokou odolnost proti lomu a jsou velmi flexibilní. Vedou teplo a elektřinu velmi dobře. Také tvoří velmi lehký materiál.

Díky těmto vlastnostem jsou užitečné mimo jiné v automobilovém, leteckém a elektronickém průmyslu. Používají se také v lékařství, například k přepravě a dodávce protinádorových léčiv, vakcín, proteinů atd.

Manipulace s ním však musí být prováděna pomocí ochranných prostředků, protože při vdechnutí mohou způsobit poškození plic.

Objev uhlíkových nanotrubic

Ve vědecké komunitě existují různé názory na to, kdo objevil uhlíkové nanotrubice. Ačkoli existuje mnoho výzkumných prací o těchto materiálech, níže je uvedeno pouze několik důležitých dat.

- V roce 1903 francouzský vědec Pélabon pozoroval uhlíková vlákna ve vzorku (elektronové mikroskopy nebyly k dispozici k tomuto datu).

- V roce 1950 studoval fyzik Roger Bacon ze společnosti Union Carbide určité vzorky uhlíkových vláken a pozoroval obrázky rovných a dutých nanočástic nebo nanobigotů (nanowhiskery).

- V roce 1952 zveřejnili ruští vědci Radushkevich a Lukyanovich fotografie obrázků samy o sobě syntetizovaných uhlíkových nanotrubic získaných elektronovým mikroskopem, kde je jasně vidět, že jsou duté.

- V roce 1973 provedli ruští vědci Bochvar a Gal'pern řadu výpočtů energetických hladin molekulárních orbitálů, což ukazuje, že grafitové listy se mohou na sebe krútit a vytvářet „duté molekuly“.

- V roce 1976 pozoroval Morinobu Endo uhlíková vlákna s dutým středem produkovaným pyrolýzou benzenu a ferocenu při 1000 ° C (pyrolýza je druh rozkladu, ke kterému dochází při zahřívání na velmi vysoké teploty v nepřítomnosti kyslíku).

- V roce 1991 došlo k nadšení pro uhlíkové nanotrubice poté, co Sumio Iijima syntetizoval uhlíkové jehly vyrobené z dutých trubic technikou elektrického oblouku.

- V roce 1993 Sumio Iijima a Donald Bethune (pracující nezávisle na sobě) objevili jednostěnné uhlíkové nanotrubice.

Interpretace některých zdrojů, které byly konzultovány

Podle některých zdrojů informací by měl být úvěr za objev uhlíkových nanotrubic v roce 1952 ruským vědcům Radushkevichovi a Lukyanovičovi.

Má se za to, že jim nebylo zaslouženo zasloužené uznání, protože v té době existovala tzv. „Studená válka“ a západní vědci neměli přístup k ruským článkům. Navíc mnoho z nich nemohlo překládat z ruštiny, což dále zpozdilo jejich výzkum od analýzy do zahraničí.

V mnoha článcích se uvádí, že Iijima byl ten, kdo objevil uhlíkové nanotrubice v roce 1991. Někteří vědci však odhadují, že dopad práce Iijimy je způsoben skutečností, že věda již dosáhla dostatečného stupně zralosti, aby ocenila důležitost uhlíkových nanotrubic. nanomateriály.

Někteří říkají, že v těchto desetiletích fyzici obecně nečetli články v časopisech o chemii, kde se již diskutovalo o uhlíkových nanotrubičkách, a že proto byli Iijimovým článkem „překvapeni“.

To vše však nesnižuje vysokou kvalitu Iijimovy práce z roku 1991. A rozdíl v názorech zůstává.

Nomenklatura

- uhlíkové nanotrubice nebo CNT (uhlíkové nanotrubičky).

- jednostěnné uhlíkové nanotrubice nebo SWCNT (jednovalcové uhlíkové nanotrubice).

- Vícestěnné uhlíkové nanotrubice nebo MWCNT (vícestěnné uhlíkové nanotrubice).

Struktura

Fyzikální struktura

Uhlíkové nanotrubice jsou velmi jemné a malé zkumavky nebo válce, jejichž strukturu lze vidět pouze elektronovým mikroskopem. Skládají se z listu grafitu (grafenu) válcovaného do zkumavky.

Uhlíková nanotrubice je válcovaný list grafitu nebo grafenu: a) teoretický obraz listu grafitu, b) teoretický obraz válcovaného listu nebo nanotrubice uhlíku. OpenStax. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jsou to vyhloubené válcové molekuly složené výhradně z atomů uhlíku. Atomy uhlíku jsou uspořádány ve formě malých hexagonů (6-stranných polygonů) podobných benzenu a vzájemně spojené (kondenzované benzenové kruhy).

Kresba uhlíkové nanotrubice, kde můžete vidět malé šestiúhelníky o 6 atomech uhlíku. Uživatel: Gmdm. Zdroj: Wikimedia Commons.

Trubky mohou nebo nemusí být ucpané u svých otvorů a mohou být extrémně dlouhé ve srovnání s jejich průměry. Jsou rovnocenné listům grafitu (grafenu) válcovaným do bezešvých trubek.

Chemická struktura

CNT jsou polyaromatické struktury. Vazby mezi atomy uhlíku jsou kovalentní (tj. Nejsou iontové). Tyto odkazy jsou ve stejné rovině a jsou velmi silné.

Díky síle vazeb C = C jsou CNT velmi tuhé a silné. Jinými slovy, stěny těchto trubek jsou velmi silné.

Spoje mimo rovinu jsou velmi slabé, což znamená, že mezi trubkou a trubkou nejsou silné spoje. Jsou to však atraktivní síly, které umožňují vytváření svazků nebo svazků nanotrubic.

Klasifikace podle počtu zkumavek

Uhlíkové nanotrubice jsou rozděleny do dvou skupin: jednovrstvé nanotrubičky nebo SWCNT (jednovrstvé uhlíkové nanomateriály), a víceděnné nanotrubičky nebo MWCNT (víceděnové uhlíkové nanomateriály).

Typy nanotrubic: (1) vícestěnný skutečný obraz nanotrubic, (2) jednostěnný výkres nanotrubic, (3) kresba grafitu nebo grafenu. W2raphael. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNT) jsou tvořeny jediným grafenovým plechem válcovaným do válce, kde vrcholy šestiúhelníků dokonale pasují dohromady a vytvářejí bezešvé trubice.

Vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) jsou tvořeny soustřednými válci umístěnými kolem společného dutého středu, tj. Dvěma nebo více dutými válci umístěnými uvnitř sebe.

Vícestěnové nanotrubice jsou tvořeny dvěma nebo více válci jeden uvnitř druhého. Eric Wieser. Zdroj: Wikimedia Commons.

Skutečný obraz vícestěnné uhlíkové nanotrubice získané elektronovým mikroskopem. Oxirane. Zdroj: Wikimedia Commons.

Klasifikace podle formy vinutí

V závislosti na způsobu válcování grafenového plechu může být vzor tvořený šestiúhelníky v CNT: židlový, klikatý, spirálový nebo chirální. A to ovlivňuje jeho vlastnosti.

Skutečný obraz chirální nebo spirálové uhlíkové nanotrubice. Taner Yildirim (Národní institut pro standardy a technologie - NIST). Zdroj: Wikimedia Commons.

Fyzikální vlastnosti

Uhlíkové nanotrubice jsou pevné. Shromažďují se ke kyticím, svazkům, svazkům nebo „strunám“ několika tuctů nanotrubic, které se spojují a vytvářejí velmi hustou a komplikovanou síť.

Skutečný obraz uhlíkových nanotrubic získaných elektronovým mikroskopem. Je vidět, že tvoří svazky, které se vzájemně zaplétají. Materialscientist ve společnosti English Wikipedia. Zdroj: Wikimedia Commons.

Mají pevnost v tahu větší než pevnost oceli. To znamená, že mají vysokou odolnost proti přetržení, když jsou vystaveni stresu. Teoreticky mohou být stokrát silnější než ocel.

Jsou velmi elastické, mohou se ohýbat, kroucovat a skládat bez poškození a poté se vrátit do původního tvaru. Jsou velmi lehké.

Jsou dobrými vodiči tepla a elektřiny. Říká se, že mají velmi univerzální elektronické chování nebo mají vysokou elektronickou vodivost.

Trubky CNT, jejichž šestiúhelníky jsou uspořádány ve tvaru židle, mají kovové chování nebo podobné chování kovů.

Ty, které jsou uspořádány v klikatém a spirálovém vzoru, mohou být kovové a polovodičové.

Chemické vlastnosti

Kvůli síle vazeb mezi jejich atomy uhlíku, CNT vydrží velmi vysoké teploty (750 ° C při atmosférickém tlaku a 2800 ° C ve vakuu).

Konce nanotrubic jsou chemicky reaktivnější než válcová část. Pokud jsou podrobeny oxidaci, konce jsou nejprve oxidovány. Pokud jsou zkumavky uzavřené, konce se otevřou.

Pokud se nechají reagovat s kyselinou dusičnou HNO ₃ nebo kyseliny sírové H ₂ SO _4, za určitých podmínek CNT mohou tvořit karboxylové typu skupiny -COOH nebo chinon typu skupiny O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT s menšími průměry jsou reaktivnější. Uhlíkové nanotrubice mohou ve svých vnitřních kanálech obsahovat atomy nebo molekuly jiných druhů.

Rozpustnost

Vzhledem k tomu, že CNT nemají na svém povrchu žádnou funkční skupinu, je velmi hydrofobní, to znamená, že je extrémně špatně kompatibilní s vodou a není rozpustný v ní ani v nepolárních organických rozpouštědlech.

Pokud však reagují s některými sloučeninami, CNT se mohou stát rozpustnými. Například s kyselinou dusičnou HNO _3, mohou být solubilizovány v některých amidových rozpouštědlech typu za určitých podmínek.

Biochemické vlastnosti

Čisté uhlíkové nanotrubice jsou biologicky kompatibilní, což znamená, že nejsou kompatibilní nebo nesouvisí se životem nebo živými tkáněmi. Vyvolávají imunitní reakci z těla, protože jsou považovány za agresivní prvky.

Z tohoto důvodu je vědci chemicky modifikují tak, že jsou přijímány tkáněmi těla a mohou být použity v lékařských aplikacích.

Mohou interagovat s makromolekuly, jako jsou proteiny a DNA, což je protein, který tvoří geny živých bytostí.

Získání

Uhlíkové nanotrubice jsou vyráběny z grafitu různými technikami, jako je napařování laserovým pulsem, výboje elektrickým obloukem a chemická depozice par.

Byly také získány z vysokotlakého proudu oxidu uhelnatého (CO) katalytickým růstem v plynné fázi.

Přítomnost kovových katalyzátorů v některých výrobních metodách pomáhá při vyrovnávání vícestěnných nanotrubic.

Uhlíková nanotrubice však není molekula, která vždy dopadá stejně. Podle způsobu přípravy a podmínek se získávají s různou délkou, průměrem, strukturou, hmotností a v důsledku toho vykazují různé vlastnosti.

Aplikace uhlíkových nanotrubic

Díky vlastnostem CNT jsou vhodné pro širokou škálu použití.

Byly použity v konstrukčních materiálech pro elektroniku, optiku, plasty a další výrobky v oblasti nanotechnologie, letectví a automobilového průmyslu.

Uhlíkové nanotrubice mají mnoho různých použití. Toto je skutečný obraz uhlíkových nanotrubic získaných elektronovým mikroskopem. Ilmar Kink. Zdroj: Wikimedia Commons.

Složení nebo směsi materiálů s CNT

CNT byly kombinovány s polymery pro výrobu vysoce výkonných vyztužených polymerních vláken a tkanin. Používají se například k vyztužení polyakrylonitrilových vláken pro obranné účely.

Směsi CNT s polymery mohou být také navrženy tak, aby měly různé elektricky vodivé vlastnosti. Zlepšují nejen pevnost a tuhost polymeru, ale také zvyšují vlastnosti elektrické vodivosti.

Vlákna a tkaniny CNT se vyrábějí také s pevností podobnou hliníku a uhlíkové oceli, ale které jsou mnohem lehčí než tyto. Tělo brnění bylo navrženo s takovými vlákny.

Byly také použity k získání odolnější keramiky.

Elektronická zařízení

Uhlíkové nanotrubice mají velký potenciál ve vakuové elektronice, nanotechnologiích a ukládání energie.

CNT mohou fungovat jako diody, tranzistory a relé (elektromagnetická zařízení, která umožňují otevírání a zavírání elektrických obvodů).

Mohou také emitovat elektrony, když jsou vystaveny elektrickému poli nebo pokud je přivedeno napětí.

Plynové senzory

Použití CNT v plynových senzorech umožňuje, aby byly malé, kompaktní a lehké a aby mohly být kombinovány s elektronickými aplikacemi.

Elektronická konfigurace CNT činí senzory velmi citlivými na extrémně malá množství plynů a navíc mohou být CNT chemicky upraveny pro detekci specifických plynů.

Lékařské aplikace

Vzhledem k jejich velkému povrchu, vynikající chemické stabilitě a elektronově bohaté polyaromatické struktuře mohou CNT adsorbovat nebo konjugovat s celou řadou terapeutických molekul, jako jsou léčiva, proteiny, protilátky, enzymy, vakcíny atd.

Ukázalo se, že jsou vynikajícími prostředky pro dodávání a dodávání léčiva, pronikají přímo do buněk a udržují léčivo neporušené během transportu tělem.

Posledně jmenované umožňuje snížit dávku léčiva a jeho toxicitu, zejména protirakovinová léčiva.

CNT se osvědčily při terapiích proti rakovině, infekcím, regeneraci tkání, neurodegenerativním onemocněním a jako antioxidanty.

Používají se také při diagnostice onemocnění, při určitých analýzách, jako jsou biosenzory, separace léčiv a extrakce biochemických sloučenin.

Používají se také v ortopedických protézách a jako podpůrný materiál pro růst kostní tkáně.

Další aplikace

Byly také navrženy jako materiály pro membrány baterií a palivových článků, anody pro lithium-iontové baterie, superkondenzátory a chemické filtry.

Jejich vysoká elektrická vodivost a relativní chemická inertnost je činí užitečnými jako elektrody při elektrochemických reakcích.

Mohou také ulpívat na částicích reaktantu a díky své velké ploše mohou fungovat jako nosiče katalyzátoru.

Mají také kapacitu pro skladování vodíku, což je velmi užitečné ve vozidlech, která jezdí na uvedený plyn, protože s CNT by mohl být bezpečně přepravován.

Toxicita pro uhlíkové nanotrubice

Studie odhalily obtíže při hodnocení toxicity CNT. Zdá se, že to závisí na charakteristikách, jako je délka, tuhost, koncentrace a doba expozice CNT. Závisí také na způsobu výroby a čistotě CNT.

Při manipulaci s CNT se však doporučuje používat ochranné vybavení, protože existují studie, které naznačují jejich podobnost s azbestovými vlákny a že vdechování prachu CNT může způsobit poškození plic.

Technik vážení vzorků uhlíkových nanotrubic. Můžete vidět ochranné nástroje, které používá. Americký národní institut pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci. Zdroj: Wikimedia Commons.

Skutečný obraz o tom, jak uhlíková nanotrubička prochází buňkou v plicích. 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.

Reference

1. Basu-Dutt, S. a kol. (2012). Chemie uhlíkových nanotrubic pro každého. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Obnoveno z pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. a Kuznetsov, VL (editoři). (2006). Kdo by měl být oceněn za objev uhlíkových nanotrubic? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Obnoveno z sciposedirect.com.
3. Eatemadi, A. a kol. (2014). Uhlíkové nanotrubice: vlastnosti, syntéza, čištění a lékařské aplikace. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI a kol. (2016) Uhlíkové nanotrubice ze syntézy na biomedicínské aplikace in vivo. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanotrubice z uhlíku. Chem., 1999, 99, 1787-1799. Obnoveno z pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. a kol. (2002). Chemie jednoplášťových uhlíkových nanotrubic. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Obnoveno z pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. a kol. (2005). Syntéza uhlíkových nanotrubic. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Uhlíkové nanotrubice - čištění. Materialstoday Svazek 10, vydání 1-2, strany 28-35. Obnoveno z reader.elsevier.com.
9. On, H. a kol. (2013). Uhlíkové nanotrubice: Aplikace ve farmacii a medicíně. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP a Devasena, T. (2018). Toxicita uhlíkových nanotrubic: Přehled. Toxikologie a průmyslové zdraví (2018) 34, 3. Získáno z časopisů.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometrie uhlíkových nanotrubic a mechanismy fagocytózy a toxických účinků. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.