KULSTOF NANORØR: STRUKTUR, EGENSKABER, ANVENDELSER, TOKSICITET - KEMI - 2025

De kulstofnanorør er rør eller cylindre meget små og meget tynde dannet kun af carbonatomer (C). Dens rørformede struktur er kun synlig gennem elektronmikroskoper. Det er et massivt sort materiale, der består af meget små bundter eller bundter af adskillige dusin nanorør, sammenfiltret for at danne et kompliceret netværk.

Præfikset "nano" betyder "meget lille." Ordet "nano", der bruges til måling, betyder, at det er en milliardedel af en måling. For eksempel er en nanometer (nm) en milliardedel af en meter, det vil sige 1 nm = ^10-9 m.

Prøve af nanorør af kulstof. Det kan ses, at det er et sort fast stof med et kulstoflignende udseende. Shaddack. Kilde: Wikimedia Commons.

Hver lille kulstof nanorør består af et eller flere ark grafit indpakket omkring sig selv. De klassificeres i enkeltvæggede nanorør (et enkelt valset ark) og flervæggede nanorør (to eller flere cylindre den ene inde i den anden).

Carbon nanorør er meget stærke, har en høj modstand mod brud og er meget fleksible. De leder varme og elektricitet meget godt. De udgør også et meget let materiale.

Disse egenskaber gør dem nyttige inden for forskellige anvendelsesområder, såsom bil-, rum- og elektronikindustrien, blandt andre. De er også blevet brugt i medicin, for eksempel til at transportere og aflevere kræftfremkaldende lægemidler, vacciner, proteiner osv.

Dog skal det håndteres med beskyttelsesudstyr, da de kan indånde lungerne ved indånding.

Opdagelse af carbon nanorør

Der er forskellige meninger i det videnskabelige samfund om, hvem der opdagede carbon nanorubes. Selvom der er mange forskningsartikler om disse materialer, nævnes kun et par vigtige datoer nedenfor.

- I 1903 observerede den franske videnskabsmand Pélabon kulstoffilamenter i en prøve (elektronmikroskoper var endnu ikke tilgængelige på dette tidspunkt).

- I 1950 studerede fysiker Roger Bacon fra Union Carbide-selskabet visse prøver af kulfibre og observerede billeder af lige og hule nano-fluff eller nanobigots (nanowhiskers).

- I 1952 offentliggjorde de russiske forskere Radushkevich og Lukyanovich fotos af billeder af carbon nanorør, der er syntetiseret af sig selv og opnået med et elektronmikroskop, hvor det tydeligt ses, at de er hule.

- I 1973 afsluttede de russiske forskere Bochvar og Gal'pern en række beregninger af energiniveauet i molekylære orbitaler, der viser, at grafitark kan sno sig på sig selv til at danne "hule molekyler".

- I 1976 observerede Morinobu Endo carbonfibre med et udhulet center produceret ved pyrolyse af benzen og ferrocen ved 1000 ° C (pyrolyse er en type nedbrydning, der opstår under opvarmning til meget høje temperaturer i fravær af ilt).

- I 1991 blev entusiasme for kulstofnanorør udløst, efter at Sumio Iijima syntetiserede kulstofnåle fremstillet af hule rør ved hjælp af den elektriske lysbue-teknik.

- I 1993 opdagede Sumio Iijima og Donald Bethune (der arbejder uafhængigt af hinanden) samtidigt enkeltvæggede carbon-nanorør.

Fortolkninger af nogle af de konsulterede kilder

Ifølge nogle informationskilder skulle måske æren for opdagelsen af ​​kulstofnanorør gå til de russiske forskere Radushkevich og Lukyanovich i 1952.

Det menes, at de ikke fik deres fortjente kredit, fordi på det tidspunkt den såkaldte ”kolde krig” eksisterede, og vestlige forskere ikke havde adgang til russiske artikler. Derudover var det ikke mange, der kunne oversætte fra russisk, hvilket yderligere forsinkede deres forskning i at blive analyseret i udlandet.

I mange artikler siges det, at Iijima var den, der opdagede kulstofnanorør i 1991. Imidlertid vurderer nogle forskere, at virkningen af ​​Iijimas arbejde skyldes det faktum, at videnskaben allerede havde nået en tilstrækkelig modenhed til at værdsætte betydningen af ​​kulstofnanorør. nanomaterialer.

Nogle siger, at fysikere i disse årtier generelt ikke læste artikler i kemi-magasiner, hvor carbon nanorør allerede blev diskuteret, og at de af denne grund blev "overrasket" over Iijimas artikel.

Men alt dette mindsker ikke den høje kvalitet af Iijimas arbejde fra 1991. Og meningsforskellen er fortsat.

nomenklatur

- Carbon nanotubes eller CNTs (Carbon NanoTubes).

- Enkeltvæggede carbon nanorør eller SWCNTs (Enkeltvæggede carbon nano-rør).

- Multi-vægede carbon nanorør eller MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktur

Fysisk struktur

Carbon nanorør er meget fine og små rør eller cylindre, hvis struktur kun kan ses med et elektronmikroskop. De består af et ark grafit (grafen) rullet ind i et rør.

En carbon nanotube er et valset ark grafit eller grafen: (a) teoretisk billede af arkit af grafit, (b) teoretisk billede af rullet ark eller nanorør af carbon. OpenStax. Kilde: Wikimedia Commons.

De er udhulede cylindriske molekyler, der udelukkende består af carbonatomer. Kulstofatomer er arrangeret i form af små hexagoner (6-sidede polygoner) svarende til benzen og bundet sammen (kondenserede benzenringe).

Tegning af en carbon nanorør, hvor du kan se de små sekskanter med 6 carbonatomer. Bruger: Gmdm. Kilde: Wikimedia Commons.

Rørene er måske ikke tilsluttet ved deres åbninger og kan være ekstremt lange sammenlignet med deres diametre. De svarer til ark grafit (grafen) rullet i sømløse rør.

Kemisk struktur

CNT'er er polyaromatiske strukturer. Bindingerne mellem carbonatomer er kovalente (dvs. de er ikke ioniske). Disse links er inden for det samme plan og er meget stærke.

Styrken af ​​C = C-bindingerne gør CNT'er meget stive og stærke. Med andre ord væggene i disse rør er meget stærke.

Luftforbindelser er meget svage, hvilket betyder, at der ikke er nogen stærke samlinger mellem det ene rør og det andet. De er imidlertid attraktive kræfter, der tillader dannelse af bundter eller bundter af nanorør.

Klassificering efter antal rør

Carbon-nanorør er opdelt i to grupper: enkeltvægts nanorør eller SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) og multi-wall nanorubes eller MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanotube typer: (1) multi-vægget nanotube ægte billede, (2) enkeltvægget nanorør tegning, (3) grafit eller grafen ark tegning. W2raphael. Kilde: Wikimedia Commons.

Enkeltvæggede carbon-nanorør (SWCNTs) består af et enkelt grafenark, der er rullet ind i en cylinder, hvor sekskanternes toppuer passer perfekt sammen for at danne et sømløst rør.

Multi-vægede carbon nanorør (MWCNTs) består af koncentriske cylindre placeret omkring et fælles hult centrum, det vil sige to eller flere hule cylindre placeret inde i hinanden.

Flervæggede nanorør består af to eller flere cylindre den ene inde i den anden. Eric Wieser. Kilde: Wikimedia Commons.

Rigtigt billede af et multi-vægget carbon nanorør opnået med et elektronmikroskop. Oxiran. Kilde: Wikimedia Commons.

Klassificering efter formen af ​​vikling

Afhængigt af den måde, hvorpå grafenarket rulles, kan mønsteret dannet af sekskanterne i CNT'erne være: lænestolformet, zigzagformet og spiralformet eller chiralt. Og dette påvirker dens egenskaber.

Reelt billede af chiral eller spiralformet carbon nanorør. Taner Yildirim (National Institute of Standards and Technology - NIST). Kilde: Wikimedia Commons.

Fysiske egenskaber

Carbon-nanorør er faste. De mødes for at danne buketter, bundter, bundter eller "strenge" af flere dusin nanorør, sammenfiltrede for at danne et meget tæt og kompliceret netværk.

Reelt billede af carbon nanorør opnået med et elektronmikroskop. Det kan ses, at de danner bundter, der bliver sammenfiltret med hinanden. Materialscientist på engelsk Wikipedia. Kilde: Wikimedia Commons.

De har en trækstyrke, der er større end stål. Dette betyder, at de har en høj modstand mod brud, når de udsættes for stress. I teorien kan de være hundreder af gange stærkere end stål.

De er meget elastiske, de kan bøjes, vrides og foldes uden skader og vende tilbage til deres oprindelige form. De er meget lette.

De er gode ledere af varme og elektricitet. Det siges, at de har meget alsidig elektronisk opførsel eller har høj elektronisk ledningsevne.

CNT-rør, hvis sekskanter er anbragt i form af en lænestol, har metallisk opførsel eller svarer til metals.

De, der er arrangeret i en zigzag og et spiralformet mønster, kan være metallisk og halvleder.

Kemiske egenskaber

På grund af styrken af ​​bindingerne mellem deres carbonatomer kan CNT'er modstå meget høje temperaturer (750 ° C ved atmosfærisk tryk og 2800 ° C under vakuum).

Enderne af nanorørene er kemisk mere reaktive end den cylindriske del. Hvis de udsættes for oxidation, oxideres enderne først. Hvis rørene lukkes, åbnes enderne.

Ved behandling med salpetersyre HNO ₃ eller svovlsyre H ₂ SO ₄ under visse betingelser CNTs kan danne carboxylsyre-type grupper -COOH eller quinon-type grupper O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT'er med mindre diametre er mere reaktive. Carbon-nanorør kan indeholde atomer eller molekyler af andre arter i deres indre kanaler.

Opløselighed

På grund af det faktum, at CNT'er ikke har nogen funktionel gruppe på deres overflade, er det meget hydrofobt, det vil sige, det er ekstremt dårligt foreneligt med vand og er ikke opløseligt i det eller i ikke-polære organiske opløsningsmidler.

Hvis de imidlertid omsættes med nogle forbindelser, kan CNT'erne blive opløselige. For eksempel med salpetersyre HNO ₃ kan solubiliseres i visse amidtypen opløsningsmidler under visse betingelser.

Biokemiske egenskaber

Rene kulstofnanorør er bioforenelige, hvilket betyder, at de ikke er kompatible eller relateret til liv eller levende væv. De genererer et immunrespons fra kroppen, da de betragtes som aggressive elementer.

Af denne grund modificerer forskere dem kemisk på en sådan måde, at de accepteres af kroppens væv og kan bruges til medicinske anvendelser.

De kan interagere med makromolekyler såsom proteiner og DNA, som er det protein, der udgør generne fra levende væsener.

Indhentning

Carbon-nanorør fremstilles af grafit ved hjælp af forskellige teknikker såsom laserpulsfordampning, elektriske lysbueudladninger og kemisk dampaflejring.

De er også opnået fra en højtryksstrøm af kulilte (CO) ved katalytisk vækst i gasfasen.

Tilstedeværelsen af ​​metalliske katalysatorer i nogle produktionsmetoder hjælper tilpasningen af ​​de multi-vægede nanorør.

Imidlertid er en carbon nanorør ikke et molekyle, der altid viser sig det samme. I henhold til fremstillingsmetoden og betingelserne opnås de med forskellig længde, diameter, struktur, vægt, og som et resultat giver de forskellige egenskaber.

Anvendelse af carbon nanorør

Egenskaber ved CNT'er gør dem velegnede til en lang række anvendelser.

De er blevet brugt i strukturelle materialer til elektronik, optik, plast og andre produkter inden for nanoteknologi, luftfartsindustrien og bilproduktion.

Carbon-nanorør har mange forskellige anvendelser. Dette er et rigtigt billede af carbon nanorør opnået med et elektronmikroskop. Ilmar Kink. Kilde: Wikimedia Commons.

Sammensætninger eller blandinger af materialer med CNT'er

CNT'er er blevet kombineret med polymerer til fremstilling af højtydende armerede polymerfibre og stoffer. For eksempel er de blevet anvendt til at forstærke polyacrylonitrilfibre til forsvarsformål.

Blandinger af CNT'er med polymerer kan også designes til at have forskellige elektrisk ledende egenskaber. De forbedrer ikke kun styrken og stivheden af ​​polymeren, men tilføjer også egenskaber ved elektrisk ledningsevne.

CNT-fibre og stoffer fremstilles også med styrker, der ligner aluminium og kulstofstål, men som er meget lettere end disse. Kropsrustning er designet med sådanne fibre.

De er også blevet brugt til at opnå mere resistent keramik.

Elektroniske enheder

Carbon-nanorør har et stort potentiale inden for vakuumelektronik, nanodele og energilagring.

CNT'er kan fungere som dioder, transistorer og relæer (elektromagnetiske enheder, der tillader åbning og lukning af elektriske kredsløb).

De kan også udsende elektroner, når de udsættes for et elektrisk felt, eller hvis der tilføres en spænding.

Gas sensorer

Brug af CNT'er i gassensorer giver disse mulighed for at være små, kompakte og lette og at de kan kombineres med elektroniske applikationer.

Den elektroniske konfiguration af CNT'er gør sensorerne meget følsomme over for ekstremt små mængder gasser, og derudover kan CNT'er tilpasses kemisk til at detektere specifikke gasser.

Medicinske applikationer

På grund af deres høje overfladeareal, fremragende kemisk stabilitet og elektronrig polyaromatisk struktur, kan CNT'er adsorbere eller konjugere med en lang række terapeutiske molekyler, såsom lægemidler, proteiner, antistoffer, enzymer, vacciner osv.

De har vist sig at være fremragende køretøjer til transport og levering af medikamenter, som trænger direkte ind i celler og holder lægemidlet intakt under dets transport gennem kroppen.

Det sidstnævnte gør det muligt at reducere dosis af medicinen og dets toksicitet, især kræftfremkaldende medicin.

CNT'er har vist sig nyttige i terapier mod kræft, infektioner, vævsregenerering, neurodegenerative sygdomme og som antioxidanter.

De bruges også til diagnosticering af sygdomme i visse analyser, såsom biosensorer, medikamentadskillelse og ekstraktion af biokemiske forbindelser.

De bruges også i ortopædiske proteser og som et støttemateriale til vækst af knoglevæv.

Andre apps

Deres anvendelse er også blevet foreslået som materialer til membraner i batterier og brændselsceller, anoder til lithium-ion-batterier, superkapacitorer og kemiske filtre.

Deres høje elektriske ledningsevne og relative kemiske inertness gør dem nyttige som elektroder i elektrokemiske reaktioner.

De kan også klæbe til reaktantpartikler og kan på grund af deres store overflade fungere som katalysatorbærere.

De har også kapacitet til at opbevare brint, hvilket er meget nyttigt i køretøjer, der kører på nævnte gas, da det med CNT'er kunne transporteres sikkert.

Toksicitet ved nanorør

Undersøgelser har afsløret vanskeligheder med at evaluere toksiciteten af ​​CNT'er. Dette ser ud til at afhænge af egenskaber som længde, stivhed, koncentration og varighed af eksponering for CNT'er. Det afhænger også af produktionsmetoden og renheden af ​​CNT'erne.

Det anbefales dog at bruge beskyttelsesudstyr, når man håndterer CNT'er, da der er undersøgelser, der viser, at de ligner asbestfibre, og at indånding af CNT-støv kan forårsage skade på lungerne.

Tekniker, der vejer prøver af kulstofnanorør. Du kan se de beskyttelsesredskaber, den bruger. US National Institute for Occupational Safety and Health. Kilde: Wikimedia Commons.

Reelt billede af, hvordan en carbon nanorør passerer gennem en celle i en lunge. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova og Dale W. Porter / NIOSH. Kilde: Wikimedia Commons.

Referencer

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Kemi af kulstofanorør for alle. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Gendannes fra pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. og Kuznetsov, VL (redaktører). (2006). Hvem skal have æren for opdagelsen af ​​kulstofnanorør? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Gendannes fra sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Carbon nanotubes: egenskaber, syntese, oprensning og medicinske anvendelser. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Carbon-nanorør fra syntese til in vivo biomedicinske anvendelser. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanorør fra kulstof. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Gendannes fra pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Kemi af enkeltvæggede carbonananorør. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Gendannes fra pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Syntese af kulstofnanorør. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Carbon nanorør - bliver ren. Materialestoday bind 10, nummer 1-2, side 28-35. Gendannes fra reader.elsevier.com.
9. Han, H. et al. (2013). Carbon nanotubes: Applications in Pharmacy and Medicine. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP og Devasena, T. (2018). Toksicitet af kulstofnanorør: En gennemgang. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Gendannet fra journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometri af kulstofanorør og mekanismer til fagocytose og giftige effekter. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.