OGLJIKOVE NANOCEVKE: ZGRADBA, LASTNOSTI, UPORABA, STRUPENOST - KEMIJA - 2025

Za ogljikove nanocevke so cevi, valji zelo majhno in zelo tanke oblikovani samo atomi ogljika (C). Njegova cevasta struktura je vidna le z elektronskimi mikroskopi. Je trden črni material, sestavljen iz zelo majhnih snopov ali snopov več deset nanocevk, ki so zapleteni skupaj in tvorijo zapleteno mrežo.

Predpona "nano" pomeni "zelo majhna." Beseda "nano", ki se uporablja pri merjenju, pomeni, da je to ena milijarda. Na primer, nanometra (nm) je ena milijarda metra, torej 1 nm = 10 ^-9 m.

Vzorec ogljikove nanocevke. Vidimo, da gre za črno trdno snov karbonskega videza. Shaddack. Vir: Wikimedia Commons.

Vsaka drobna ogljikova nanocevka je sestavljena iz enega ali več listov grafita, ovitih okoli sebe. Razvrščamo jih v enostenske nanocevke (enojni valjani list) in večstenske nanocevke (dve ali več jeklenk ena v drugi).

Ogljikove nanocevke so zelo močne, imajo visoko odpornost na lomljenje in so zelo prožne. Zelo dobro vodijo toploto in elektriko. Sestavljajo tudi zelo lahek material.

Zaradi teh lastnosti so uporabne na različnih področjih uporabe, med drugim v avtomobilski, vesoljski in elektronski industriji. Uporabljali so jih tudi v medicini, na primer za prevoz in dostavo zdravil proti raku, cepiva, beljakovine itd.

Vendar je treba ravnati z zaščitno opremo, saj pri vdihavanju lahko pljuča poškodujejo.

Odkritje ogljikovih nanocevk

V znanstveni skupnosti obstajajo različna mnenja o tem, kdo je odkril ogljikove nanocevke. Čeprav je o teh gradivih veliko raziskovalnih prispevkov, je spodaj omenjenih le nekaj pomembnih datumov.

- Leta 1903 je francoski znanstvenik Pélabon opazoval ogljikove nitke v vzorcu (elektronski mikroskopi še niso bili na voljo).

- Leta 1950 je fizik Roger Bacon iz podjetja Union Carbide preučeval določene vzorce ogljikovih vlaken in opazoval slike ravnih in votlih nanopuhov ali nanobigotov (prevod angleškega nanowhiskers).

- Leta 1952 sta ruska znanstvenika Radushkevič in Lukyanovich objavila fotografije posnetkov ogljikovih nanocevk, ki so jih sintetizirali sami in jih pridobili z elektronskim mikroskopom, kjer je jasno razvidno, da so votle.

- Leta 1973 sta ruska znanstvenika Bochvar in Gal'pern opravila niz izračunov energetskih nivojev molekulskih orbitalov, ki kažejo, da se lahko grafitni listi zvijajo na sebi, da tvorijo "votle molekule".

- Morinobu Endo je leta 1976 opazoval ogljikova vlakna z vdolbinim središčem, ki nastane s pirolizo benzena in ferocena pri 1000 ° C (piroliza je vrsta razkroja, ki se pojavi pri segrevanju na zelo visoke temperature, če kisika ni).

- Leta 1991 se je navdušilo nad ogljikovimi nanocevkami, ko je Sumio Iijima sintetiziral ogljikove igle, izdelane iz votlih cevi, s tehniko električnega obloka.

- Leta 1993 sta Sumio Iijima in Donald Bethune (ki delujeta neodvisno drug od drugega) istočasno odkrila enostenske ogljikove nanocevke.

Interpretacije nekaterih virov, s katerimi se je posvetoval

Po nekaterih virih informacij bi morda zasluga za odkritje ogljikovih nanocevk prišla leta 1952 ruskim znanstvenikom Radushkeviču in Lukyanoviču.

Menijo, da jim niso bili zasluženi, ker takrat ni obstajala tako imenovana "hladna vojna" in zahodni znanstveniki niso imeli dostopa do ruskih člankov. Poleg tega jih ni bilo veliko prevajalcev iz ruščine, kar je še dodatno odvzelo analizo v tujini.

V mnogih člankih piše, da je bil Iijima tisti, ki je odkril ogljikove nanocevke leta 1991. Vendar nekateri raziskovalci ocenjujejo, da je vpliv Iijima dela posledica dejstva, da je znanost že dosegla zadostno stopnjo zrelosti, da bi lahko ocenila pomen ogljikovih nanocevk. nanomateriali.

Nekateri pravijo, da fiziki v tistih desetletjih na splošno niso brali člankov v kemijskih revijah, kjer so že razpravljali o ogljikovih nanocevkah in so bili zaradi tega člani Iijima "presenečeni".

Toda vse to ne zmanjšuje visoke kakovosti Iijima dela iz leta 1991. Razlika v mnenju ostaja.

Nomenklatura

- Ogljikove nanocevke ali CNT (Carbon NanoTubes).

- Enostenske ogljikove nanocevke ali SWCNT (enojne stenske ogljikove nanocevke).

- Večstenske ogljikove nanocevke ali MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktura

Fizična zgradba

Karbonske nanocevke so zelo fine in majhne cevi ali valji, katerih zgradbo je mogoče videti le z elektronskim mikroskopom. Sestavljeni so iz lista grafita (grafena), zvitega v cev.

Ogljikova nanocevka je valjana plošča grafita ali grafena: (a) teoretična slika lista grafita, (b) teoretična slika valjane pločevine ali nanocevke iz ogljika. OpenStax. Vir: Wikimedia Commons.

So vdolbinaste valjaste molekule, sestavljene izključno iz ogljikovih atomov. Ogljikovi atomi so razporejeni v obliki majhnih šesterokotnikov (6-stranskih mnogokotnikov), podobnih benzenu in povezani med seboj (kondenzirani benzenski obroči).

Risba ogljikove nanocevke, kjer lahko vidite majhne šesterokotnike s 6 atomi ogljika. Uporabnik: Gmdm Vir: Wikimedia Commons.

Cevke se lahko na svojih odprtinah vtaknejo ali ne, zato so v primerjavi s premerom izredno dolge. Enakovredni so listi grafita (grafen), zvite v brezšivne cevi.

Kemična zgradba

CNT so poliaromatske strukture. Veze med ogljikovimi atomi so kovalentne (torej niso ionske). Te povezave so znotraj iste ravnine in so zelo močne.

Moč C = C vezi naredi CNT zelo toge in močne. Z drugimi besedami, stene teh cevi so zelo močne.

Zunajplastni sklepi so zelo šibki, kar pomeni, da med eno cevjo in drugo ni močnih spojev. Vendar so privlačne sile, ki omogočajo tvorbo snopov ali snopov nanocevk.

Razvrstitev glede na število cevi

Ogljikove nanocevke delimo v dve skupini: enostenske nanocevke ali SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) in večstenske nanocevke ali MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Vrste nanocevk: (1) večstenska nanocevna realna slika, (2) risba nanocevk z enim zidom, (3) risanje grafita ali grafena. W2raphael. Vir: Wikimedia Commons.

Enostenske ogljikove nanocevke (SWCNT) so sestavljene iz ene same grafenske pločevine, valjane v valj, kjer se vretena šesterokotnikov popolnoma prilegajo, da tvorijo brezšivno cev.

Večstenske ogljikove nanocevke (MWCNT) so sestavljene iz koncentričnih jeklenk, nameščenih okoli skupnega votlega središča, to je dveh ali več votlih cilindrov, ki so nameščeni drug v drugem.

Večstenske nanocevke so sestavljene iz dveh ali več jeklenk, ena v drugi. Eric Wieser. Vir: Wikimedia Commons.

Realna slika večstenske ogljikove nanocevke, pridobljene z elektronskim mikroskopom. Oxirane. Vir: Wikimedia Commons.

Razvrstitev glede na obliko navijanja

Glede na način valjanja pločevine z grafenom je lahko vzorec, ki ga tvorijo šesterokotniki v CNT-jih: naslanjač v obliki cikcaka in vijačen ali kiralni. In to vpliva na njegove lastnosti.

Resnična slika kiralne ali spiralne ogljikove nanocevke. Taner Yildirim (Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo - NIST). Vir: Wikimedia Commons.

Fizične lastnosti

Ogljikove nanocevke so trdne. Skupaj tvorijo šopke, gomile, svežnje ali "strune" več deset nanocevk, zapletenih skupaj in tvorijo zelo gosto in zapleteno mrežo.

Resnična slika ogljikovih nanocevk, pridobljenih z elektronskim mikroskopom. Videti je, da tvorijo snope, ki se med seboj zapletejo. Materialcientist na angleški Wikipediji. Vir: Wikimedia Commons.

Imajo natezno trdnost večjo od jekla. To pomeni, da imajo visoko odpornost na lomljenje, ko so izpostavljeni stresu. Teoretično so lahko stokrat močnejši od jekla.

So zelo elastični, lahko jih brez poškodb upognete, zvijete in zložite in se nato vrnete v prvotno obliko. So zelo lahki.

So dobri prevodniki toplote in električne energije. Pravijo, da imajo zelo raznoliko elektronsko vedenje ali imajo visoko elektronsko prevodnost.

CNT cevi, katerih šesterokotniki so razporejeni v obliki fotelja, imajo kovinsko obnašanje ali podobno kot kovine.

Tisti, razporejeni v cikcak in vijačni vzorec, so lahko kovinski in polprevodniški.

Kemijske lastnosti

Zaradi trdnosti vezi med atomi ogljika lahko CNT prenesejo zelo visoke temperature (750 ° C pri atmosferskem tlaku in 2800 ° C pod vakuumom).

Konci nanocevk so kemično bolj reaktivni kot valjasti del. Če so podvrženi oksidaciji, se najprej oksidirajo konci. Če so cevi zaprte, se konci odprejo.

Kadar se ob določenih pogojih obdelajo z dušikovo kislino HNO ₃ ali žveplovo kislino H ₂ SO _4, lahko CNT tvorijo karboksilne skupine -COOH ali skupine kinona O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT z manjšim premerom so bolj reaktivni. Ogljikove nanocevke lahko vsebujejo atome ali molekule drugih vrst v svojih notranjih kanalih.

Topnost

Ker CNT nimajo nobene funkcionalne skupine na svoji površini, je zelo hidrofobna, torej je izjemno slabo kompatibilna z vodo in ni topna v njej ali v nepolarnih organskih topilih.

Če pa reagirajo z nekaterimi spojinami, lahko CNT postanejo topne. Na primer z dušikovo kislino se lahko v nekaterih topilih amida v določenih pogojih topi HNO ₃ .

Biokemijske lastnosti

Čiste ogljikove nanocevke so biološko združljive, kar pomeni, da niso združljive ali povezane z življenjem ali živimi tkivi. Iz telesa ustvarjajo imunski odziv, saj veljajo za agresivne elemente.

Zaradi tega jih znanstveniki kemično spreminjajo tako, da jih telesna tkiva sprejmejo in se lahko uporabljajo v medicinskih aplikacijah.

Lahko komunicirajo z makromolekuli, kot so beljakovine in DNK, ki je protein, ki tvori gene živih bitij.

Pridobitev

Ogljikove nanocevke so narejene iz grafita z različnimi tehnikami, kot so lasersko uparjanje impulzov, električni ločni izpust in kemično nanašanje hlapov.

Dobili so jih tudi iz visokotlačnega toka ogljikovega monoksida (CO) s katalitično rastjo v plinski fazi.

Prisotnost kovinskih katalizatorjev v nekaterih proizvodnih metodah pomaga pri poravnavi večstenskih nanocevk.

Vendar ogljikova nanocevka ni molekula, ki se vedno izkaže enako. Glede na način priprave in pogoje jih dobimo z različno dolžino, premerom, strukturo, težo, zato imajo različne lastnosti.

Uporaba ogljikovih nanocevk

Zaradi lastnosti CNT-jev so primerne za najrazličnejše uporabe.

Uporabljali so jih v strukturnih materialih za elektroniko, optiko, plastiko in druge izdelke na področju nanotehnologije, vesoljske in avtomobilske proizvodnje.

Ogljikove nanocevke imajo veliko različnih načinov uporabe. To je resnična slika ogljikovih nanocevk, pridobljenih z elektronskim mikroskopom. Ilmar Kink. Vir: Wikimedia Commons.

Sestavine ali mešanice materialov s CNT-ji

CNT-ji so kombinirani s polimeri za izdelavo ojačanih polimernih vlaken in tkanin z visoko zmogljivostjo. Na primer, bili so uporabljeni za ojačitev poliakrilonitrilnih vlaken v obrambne namene.

Mešanice CNT-jev s polimeri so prav tako lahko zasnovane tako, da imajo različne električne prevodne lastnosti. Izboljšajo ne le trdnost in togost polimera, ampak tudi dodajo lastnosti električne prevodnosti.

Vlakna in tkanine so prav tako izdelani iz CNT-jev z močjo, podobno trdnosti iz aluminija in ogljikovega jekla, vendar so veliko lažji od teh. Karoserijski oklep je zasnovan s takšnimi vlakni.

Uporabljali so jih tudi za pridobivanje bolj odporne keramike.

Elektronske naprave

Ogljikove nanocevke imajo velik potencial v vakuumski elektroniki, nanodelnih napravah in shranjevanju energije.

CNT lahko delujejo kot diode, tranzistorji in releji (elektromagnetne naprave, ki omogočajo odpiranje in zapiranje električnih vezij).

Prav tako lahko oddajajo elektrone, kadar so izpostavljeni električnemu polju ali če se napaja napetost.

Senzorji za plin

Uporaba CNT-jev v plinskih senzorjih omogoča, da so majhne, ​​kompaktne in lahke ter da jih je mogoče kombinirati z elektronskimi aplikacijami.

Elektronska konfiguracija CNT-jev naredi senzorje zelo občutljive na izredno majhne količine plinov, poleg tega pa so CNT-ji lahko kemično prilagojeni za zaznavanje specifičnih plinov.

Medicinske aplikacije

Zaradi svoje visoke površinske površine, odlične kemične stabilnosti in z elektroni bogate poliaromatične strukture lahko CNT adsorbirajo ali konjugirajo z najrazličnejšimi terapevtskimi molekulami, kot so zdravila, beljakovine, protitelesa, encimi, cepiva itd.

Izkazali so se kot odlična vozila za prevoz in dostavo drog, ki prodirajo neposredno v celice in med transportom skozi telo ohranjajo nedotaknjeno zdravilo.

Slednje omogoča zmanjšanje odmerka zdravila in njegove strupenosti, zlasti zdravil proti raku.

CNT-ji so se izkazali za koristne pri zdravljenju raka, okužb, regeneracije tkiv, nevrodegenerativnih bolezni in kot antioksidanti.

Uporabljajo se tudi pri diagnozi bolezni, pri določenih analizah, kot so biosenzorji, ločevanje zdravil in ekstrakcija biokemijskih spojin.

Uporabljajo se tudi v ortopedskih protezah in kot podporni material za rast kostnega tkiva.

Druge aplikacije

Predlagani so tudi kot materiali za membrane baterij in gorivnih celic, anode za litij-ionske baterije, superkondenzatorji in kemični filtri.

Njihova visoka električna prevodnost in relativna kemična inertnost jih naredijo uporabne kot elektrode pri elektrokemijskih reakcijah.

Lahko se oprimejo tudi delcev reaktanta in zaradi velike površine lahko delujejo kot nosilci katalizatorja.

Imajo tudi zmogljivost za shranjevanje vodika, kar je zelo uporabno v vozilih, ki vozijo na omenjenem plinu, saj bi ga lahko s CNT-ji varno prevažali.

Strupenost ogljikovih nanocevk

Študije so pokazale težave pri oceni toksičnosti CNT-jev. Zdi se, da je to odvisno od značilnosti, kot so dolžina, togost, koncentracija in trajanje izpostavljenosti CNT-jem. Odvisno je tudi od načina proizvodnje in čistosti CNT-jev.

Vendar je priporočljivo uporabljati zaščitno opremo pri ravnanju s CNT-ji, saj obstajajo študije, ki kažejo na njihovo podobnost azbestnim vlaknom in da lahko vdihavanje prahu iz CNT poškoduje pljuča.

Tehnik tehta vzorce ogljikovih nanocevk. Ogledate si lahko zaščitne pripomočke, ki jih uporablja. Ameriški nacionalni inštitut za varstvo pri delu. Vir: Wikimedia Commons.

Resnična slika, kako ogljikova nanocevka prehaja skozi celico v pljučih. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova in Dale W. Porter / NIOSH. Vir: Wikimedia Commons.

Reference

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Kemija ogljikovih nanocevk za vse. J. Chem., Educ. 2012, 89, 221-229. Pridobljeno iz pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. in Kuznetsov, VL (uredniki). (2006). Komu je treba odkriti zasluge za odkritje ogljikovih nanocevk? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Pridobljeno od sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Ogljikove nanocevke: lastnosti, sinteza, čiščenje in medicinska uporaba. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Pridobljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Ogljikove nanocevke od sinteze do in vivo biomedicinskih aplikacij. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Pridobljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanocevke iz ogljika. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Pridobljeno iz pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Kemija enostenskih ogljikovih nanocevk. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Pridobljeno iz pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Sinteza ogljikovih nanocevk. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Pridobljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Ogljikove nanocevke - postanejo čiste. Materialstoday zvezek 10, številke 1-2, strani 28-35. Pridobljeno od bralca.elsevier.com.
9. He, H. et al. (2013). Carbon Nanotubes: Uporaba v farmaciji in medicini. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Obnovljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP in Devasena, T. (2018). Toksičnost ogljikovih nanocevk: pregled. Toksikologija in industrijsko zdravje (2018) 34, 3. Obnovljeno od journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometrija ogljikovih nanocevk in mehanizmi fagocitoze in toksičnih učinkov. Toxicol Lett 2017, 273: 69–85. Pridobljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.