UGLJIČNE NANOCJEVČICE: STRUKTURA, SVOJSTVA, PRIMJENA, TOKSIČNOST - KEMIJA - 2025

Su ugljika nanocjevčice su cijevi ili vrlo male cilindre i vrlo tanke formirane samo atoma ugljika (C). Njegova cevasta struktura vidljiva je samo putem elektronskih mikroskopa. To je čvrst crni materijal, sastavljen od vrlo malih snopova ili snopova od nekoliko desetaka nanocjevčica, isprepletenih zajedno da tvore složenu mrežu.

Prefiks „nano“ znači „vrlo mali“. Riječ "nano" koja se koristi u mjerenju znači da je to bila milijarda mjerenja. Na primjer, nanometar (nm) je jedna milijarda metra, to jest, 1 nm = 10 ^-9 m.

Uzorak ugljikove nanocjevčice. Može se vidjeti da je crna kruta tvar s ugljikovim izgledom. Shaddack. Izvor: Wikimedia Commons.

Svaka sićušna ugljikova nanocjevčica sastoji se od jednog ili više listova grafita omotanih oko sebe. Razvrstavaju se u jednozidne nanocjevčice (jednostruki valjani lim) i višezidne nanocjevčice (dva ili više cilindara jedan u drugom).

Ugljične nanocjevčice su vrlo jake, imaju veliku otpornost na lomljenje i vrlo su fleksibilne. Vrlo dobro provode toplinu i struju. Oni također čine vrlo lagan materijal.

Ova svojstva čine ih korisnim u različitim područjima primjene, poput automobilske, zrakoplovne i elektroničke industrije, među ostalim. Također su korišteni u medicini, na primjer, za prijevoz i isporuku lijekova protiv raka, cjepiva, proteina itd.

Međutim, njegovo rukovanje mora se obavljati zaštitnom opremom jer pri udisanju mogu oštetiti pluća.

Otkriće ugljikovih nanocjevčica

U znanstvenoj zajednici postoje različita mišljenja o tome tko je otkrio ugljikove nanocjevčice. Iako postoji mnogo znanstvenih radova o tim materijalima, u nastavku se spominje samo nekoliko važnih datuma.

- 1903., francuski znanstvenik Pélabon uočio je ugljikove filamente u uzorku (elektronski mikroskopi još nisu bili dostupni na ovaj datum).

- 1950. fizičar Roger Bacon iz tvrtke Union Carbide proučavao je određene uzorke ugljičnih vlakana i promatrao slike ravnih i šupljih nanopuha ili nanobigota (nanowhiskers).

- 1952. ruski znanstvenici Radushkevič i Lukyanovich objavili su fotografije slika ugljikovih nanocjevčica koje su sintetizirane sami i dobivene elektronskim mikroskopom, na kojima se jasno vidi da su šuplje.

- 1973. ruski znanstvenici Bochvar i Gal'pern dovršili su niz izračuna energetskih razina molekulskih orbitala, pokazujući da se grafitni listovi mogu uviti u sebe kako bi tvorili "šuplje molekule".

- 1976. Morinobu Endo je opazio ugljična vlakna sa šupljim središtem nastalom pirolizom benzena i ferocena na 1000 ° C (piroliza je vrsta raspadanja koja se događa s zagrijavanjem do vrlo visokih temperatura u nedostatku kisika).

- 1991. godine pobudio se entuzijazam za ugljikove nanocjevice nakon što je Sumio Iijima sintetizirao ugljikove igle napravljene od šupljih cijevi koristeći tehniku ​​električnog luka.

- Godine 1993. Sumio Iijima i Donald Bethune (radeći neovisno jedan od drugoga) istovremeno su otkrili jednozidne ugljikove nanocjevčice.

Tumačenja nekih izvora s kojima se savjetovala

Prema nekim izvorima informacija, možda bi zasluga za otkriće ugljikovih nanocjevica trebala pripasti ruskim znanstvenicima Radushkeviču i Lukyanovichu 1952. godine.

Smatra se da im nije zaslužena zasluga, jer je u to vrijeme postojao takozvani "hladni rat", a zapadni znanstvenici nisu imali pristup ruskim člancima. Osim toga, mnogi nisu mogli prevesti s ruskog, što je dodatno odgodilo njihovo istraživanje od analize u inozemstvu.

U mnogim se člancima kaže da je Iijima bio onaj koji je otkrio ugljikove nanocjevčice 1991. Međutim, neki istraživači procjenjuju da je utjecaj Iijima-ovog rada posljedica činjenice da je znanost već dostigla dovoljan stupanj zrelosti da shvati važnost ugljikovih nanocjevčica. nanomaterijala.

Neki kažu da u tim desetljećima fizičari uglavnom nisu čitali članke u časopisima o kemiji, gdje se već raspravljalo o ugljikovim nanocjevkama i da su iz tog razloga bili „iznenađeni“ Iijimainim člankom.

No sve to ne umanjuje visoku kvalitetu Iijima djela iz 1991. I ostaje razlika u mišljenju.

Nomenklatura

- Ugljikove nanocjevčice ili CNT (Carbon NanoTubes).

- Jednozidne ugljikove nanocjevčice ili SWCNTs (Single-Walled Carbon NanoTubes).

- Višeslojne ugljikove nanocjevčice ili MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktura

Fizička struktura

Karbonske nanocjevčice su vrlo fine i male cijevi ili cilindri čija se struktura može vidjeti samo elektronskim mikroskopom. Sastoje se od lista grafita (grafen) valjanog u cijev.

Ugljična nanocjevčica je valjani list grafita ili grafena: (a) teorijska slika grafitnog lima, (b) teoretska slika valjanog lima ili ugljikove nanocjevčice. OpenStax. Izvor: Wikimedia Commons.

Oni su izdubljene cilindrične molekule sastavljene isključivo od atoma ugljika. Atomi ugljika raspoređeni su u obliku malih šesterokutova (šesterostrani poligoni) sličnih benzenu i međusobno povezani (kondenzirani benzenski prstenovi).

Crtanje ugljikove nanocjevčice na kojoj se mogu vidjeti mali šesterokutnici od 6 atoma ugljika. Korisnik: Gmdm. Izvor: Wikimedia Commons.

Cijevi se mogu ili ne moraju priključiti na svoje otvore i mogu biti vrlo dugačke u odnosu na njihov promjer. Ekvivalentni su listovima grafita (grafen) valjanih u bešavne cijevi.

Kemijska struktura

CNT su poliaromatske strukture. Veze između ugljikovih atoma su kovalentne (to jest, nisu ionske). Te su veze unutar iste ravnine i vrlo su jake.

Čvrstoća C = C veza čini CNT vrlo krute i jake. Drugim riječima, zidovi ovih cijevi su vrlo čvrsti.

Spojevi izvan ravnine su vrlo slabi, što znači da nema jakih spojeva između jedne i druge cijevi. Međutim, oni su privlačne sile koje omogućuju stvaranje snopova ili snopova nanocjevčica.

Razvrstavanje prema broju epruveta

Ugljične nanocjevčice dijele se u dvije skupine: jednozidne nanocjevčice ili SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) i višezidne nanocjevčice, ili MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Vrste nanocjevčica: (1) stvarna slika s više zidnih nanocjevčica, (2) crtanje jednostrukih nanocjevčica, (3) crtanje grafitima ili grafenom na ploči. W2raphael. Izvor: Wikimedia Commons.

Jednozidne ugljikove nanocjevčice (SWCNTs) sastoje se od jednog grafenskog lima valjanog u cilindar, gdje se vrhovi šesterokuta savršeno uklapaju u formiranje bešavne cijevi.

Višezidne ugljikove nanocjevčice (MWCNT) sastoje se od koncentričnih cilindara postavljenih oko zajedničkog šupljeg središta, to jest dva ili više šupljih cilindara smještenih jedno u drugo.

Višeslojne nanocjevčice sastoje se od dva ili više cilindara jedan u drugom. Eric Wieser. Izvor: Wikimedia Commons.

Stvarna slika višezidne ugljikove nanocjevčice dobivene elektronskim mikroskopom. Oksiran. Izvor: Wikimedia Commons.

Razvrstavanje prema obliku namotaja

Ovisno o načinu namotavanja grafenskog lima, obrazac koji tvori šesterokut u CNT-ovima može biti: u obliku stolice, cik-cak oblika i spiralnim ili kiralnim. A to utječe na njegova svojstva.

Prava slika kiralne ili spiralne ugljikove nanocjevčice. Taner Yildirim (Nacionalni institut za standarde i tehnologiju - NIST). Izvor: Wikimedia Commons.

Fizička svojstva

Ugljikove nanocjevčice su čvrste. Oni se okupljaju i tvore bukete, svežnjeve, grozdove ili "strune" od nekoliko desetaka nanocjevčica, isprepletenih zajedno kako bi stvorili vrlo gustu i kompliciranu mrežu.

Stvarna slika ugljikovih nanocjevčica dobivenih elektronskim mikroskopom. Može se vidjeti kako oni tvore snopove koji se međusobno zapleću. Materijalist na engleskoj Wikipediji. Izvor: Wikimedia Commons.

Imaju vlačnu čvrstoću veću od čelika. To znači da imaju visoku otpornost na lom kad su izloženi stresu. Teoretski mogu biti stotine puta jači od čelika.

Vrlo su elastični, mogu se savijati, uvijati i presavijati bez oštećenja, a zatim vratiti u svoj početni oblik. Vrlo su lagane.

Dobri su provodnici topline i električne energije. Kaže se da imaju vrlo svestrano elektroničko ponašanje ili da imaju visoku elektroničku vodljivost.

CNT cijevi čiji su šesterokut raspoređeni u obliku fotelje imaju metalno ponašanje ili slično metalima.

Oni poredani cik-cak i spiralnim uzorkom mogu biti metalni i poluvodički.

Kemijska svojstva

Zbog čvrstoće veza između njihovih atoma ugljika, CNT mogu podnijeti vrlo visoke temperature (750 ° C pri atmosferskom tlaku i 2800 ° C pod vakuumom).

Krajevi nanocjevčica kemijski su više reaktivni od cilindričnog dijela. Ako su izloženi oksidaciji, najprije se oksidiraju krajevi. Ako su cijevi zatvorene, krajevi se otvaraju.

Kada se tretiraju dušične kiseline HNO ₃ ili sumporne kiseline H ₂ SO ₄ pod određenim uvjetima mogu tvoriti CNTs karboksilna tipa skupine -COOH ili kinon tipa grupe O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT-ovi manjeg promjera su više reaktivni. Ugljične nanocjevčice mogu sadržavati atome ili molekule drugih vrsta u svojim unutarnjim kanalima.

Topljivost

Zbog činjenice da CNT-i nemaju nikakvu funkcionalnu skupinu na svojoj površini, ona je vrlo hidrofobna, odnosno izuzetno je kompatibilna s vodom i nije topljiva u njoj niti u nepolarnim organskim otapalima.

Međutim, ako reagiraju s nekim spojevima, CNT-ovi mogu postati topljivi. Na primjer, dušičnom kiselinom HNO ₃ se može otapati u nekim amidnim otapalima pod određenim uvjetima.

Biokemijska svojstva

Čiste ugljikove nanocjevčice su bioinkompatibilne, što znači da nisu kompatibilne ili povezane sa životom ili živim tkivima. Iz tijela stvaraju imunološki odgovor, jer se smatraju agresivnim elementima.

Zbog toga ih znanstvenici kemijski modificiraju na način da ih tjelesna tkiva prihvate i mogu koristiti u medicinskim primjenama.

Mogu komunicirati s makromolekulama kao što su proteini i DNK, koji je protein koji čine geni živih bića.

dobivanje

Ugljične nanocjevčice izrađuju se od grafita različitim tehnikama kao što su lasersko isparavanje impulsa, pražnjenje električnog luka i taloženje kemijskih para.

Oni su također dobiveni iz struje ugljičnog monoksida (CO) pod visokim tlakom katalitičkim rastom u plinskoj fazi.

Prisutnost metalnih katalizatora u nekim proizvodnim metodama pomaže usklađivanju višezidnih nanocjevčica.

Međutim, ugljikova nanocjevčica nije molekula koja uvijek ispada isto. Prema načinu pripreme i uvjetima dobivaju se s različitom duljinom, promjerom, strukturom, težinom, a kao rezultat imaju različita svojstva.

Primjene ugljikovih nanocjevčica

Svojstva CNT-a čine ih pogodnim za široku upotrebu.

Korišteni su u konstrukcijskim materijalima za elektroniku, optiku, plastiku i druge proizvode iz područja nanotehnologije, zrakoplovne i automobilske proizvodnje.

Ugljične nanocjevčice imaju mnogo različitih namjena. Ovo je prava slika ugljikovih nanocjevčica dobivenih elektronskim mikroskopom. Ilmar Kink. Izvor: Wikimedia Commons.

Sastavi ili mješavine materijala s CNT-om

CNT-ovi su kombinirani s polimerima za dobivanje ojačanih polimernih vlakana i tkanina visokih performansi. Na primjer, korištena su za ojačavanje poliakrilonitrilnih vlakana u obrambene svrhe.

Mješavine CNT-a s polimerima također se mogu konstruirati tako da posjeduju različita električno vodljiva svojstva. Oni poboljšavaju ne samo čvrstoću i krutost polimera, već dodaju svojstva električne vodljivosti.

CNT vlakna i tkanine također se proizvode čvrstoćom sličnom aluminiju i ugljičnom čeliku, ali koje su puno lakše od ovih. Body armry je dizajniran s takvim vlaknima.

Također su korišteni za dobivanje otpornije keramike.

Elektronički uređaji

Ugljične nanocjevčice imaju veliki potencijal u vakuumskoj elektronici, nanodeparatima i skladištenju energije.

CNT-ovi mogu funkcionirati kao diode, tranzistori i releji (elektromagnetski uređaji koji omogućuju otvaranje i zatvaranje električnih krugova).

Oni također mogu emitirati elektrone ako su izloženi električnom polju ili ako se primjenjuje napon.

Senzori za plin

Uporaba CNT-a u senzorima za plin omogućuje da oni budu mali, kompaktni i lagani te da se mogu kombinirati s elektroničkim aplikacijama.

Elektronička konfiguracija CNT-a čini senzore vrlo osjetljivim na vrlo male količine plinova i, osim toga, CNT-ovi se mogu kemijski prilagoditi za otkrivanje specifičnih plinova.

Medicinske primjene

Zbog velike površine, izvrsne kemijske stabilnosti i poliaromatske strukture bogate elektronama, CNT-ovi se mogu adsorbirati ili konjugirati s velikim brojem terapijskih molekula, poput lijekova, proteina, antitijela, enzima, cjepiva itd.

Dokazali su se kao izvrsna vozila za dostavu i isporuku lijekova, prodirući izravno u stanice i održavajući netaknut drogu tijekom transporta kroz tijelo.

Potonji omogućuje smanjenje doze lijeka i njegove toksičnosti, posebno lijekova protiv raka.

CNT-ovi su se pokazali korisnima u terapijama protiv raka, infekcija, regeneracije tkiva, neurodegenerativnih bolesti i kao antioksidanti.

Oni se također koriste u dijagnostici bolesti, u određenim analizama, kao što su biosenzori, razdvajanje lijekova i ekstrakcija biokemijskih spojeva.

Također se koriste u ortopedskim protezama i kao potporni materijal za rast koštanog tkiva.

Ostale aplikacije

Također se preporučuju kao materijali za membrane akumulatora i gorivnih ćelija, anode za litij-ionske baterije, superkondenzatori i kemijski filtri.

Njihova visoka električna vodljivost i relativna kemijska inertnost čine ih korisnim kao elektrode u elektrokemijskim reakcijama.

Oni se također mogu lijepiti za čestice reaktanata i zbog velike površine mogu djelovati kao nosači katalizatora.

Oni također imaju mogućnost skladištenja vodika, što je vrlo korisno u vozilima koja se voze na navedenom plinu, jer se s CNT-ovima može sigurno transportirati.

Toksičnost ugljikove nanocjevčice

Studije su otkrile poteškoće u procjeni toksičnosti CNT-a. Čini se da to ovisi o karakteristikama kao što su duljina, krutost, koncentracija i trajanje izlaganja CNT-ovima. To također ovisi o načinu proizvodnje i čistoći CNT-a.

Međutim, preporučuje se koristiti zaštitnu opremu za rukovanje CNT-om jer postoje studije koje ukazuju na njihovu sličnost azbestnim vlaknima i da udisanje CNT prašine može uzrokovati oštećenje pluća.

Tehničar je vagao uzorke ugljikovih nanocjevčica. Možete vidjeti zaštitne uređaje koje koristi. Američki Nacionalni institut za zaštitu na radu. Izvor: Wikimedia Commons.

Prava slika kako ugljikova nanocjevčica prolazi kroz stanicu u plućima. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova i Dale W. Porter / NIOSH. Izvor: Wikimedia Commons.

Reference

1. Basu-Dutt, S. i sur. (2012). Kemija ugljikovih nanocjevčica za sve. J. Chem., Educ. 2012, 89, 221-229. Oporavak od pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. i Kuznetsov, VL (urednici). (2006). Kome treba pripisati zaslugu za otkriće ugljikovih nanocjevčica? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Oporavljeno od sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. i sur. (2014). Ugljične nanocjevčice: svojstva, sinteza, pročišćavanje i medicinske primjene. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI i sur. (2016) Ugljikove nanocjevčice od sinteze do in vivo biomedicinske primjene. Međunarodni časopis za farmaciju 501 (2016) 278-299. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanocjevčice od karbona. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Oporavak od pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. i sur. (2002). Kemija jednostenskih ugljikovih nanocjevčica. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Oporavak od pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. i sur. (2005). Sinteza ugljikovih nanocjevčica. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Ugljične nanocjevčice - postaju čiste. Materijal danas svezak 10, brojevi 1-2, stranice 28-35. Oporavilo od čitatelja.elsevier.com.
9. He, H. i sur. (2013). Carbon Nanotubes: Primjene u farmaciji i medicini. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP i Devasena, T. (2018). Toksičnost ugljikovih nanocjevčica: pregled. Toksikologija i industrijsko zdravlje (2018) 34, 3. Oporavilo od journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometrija ugljikovih nanocjevčica i mehanizmi fagocitoze i toksični učinci. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.