Karbon nanorørstruktur, egenskaper, applikasjoner, toksisitet

De Karbon nanorør De er veldig små og veldig tynne sylindere eller sylindere som bare er dannet av karbonatomer (C). Den rørformede strukturen er bare synlig gjennom elektroniske mikroskop. Det er et solid svart materiale, dannet av bunter eller veldig lite av flere dusinvis av nanorør, sammenfiltret sammen og danner et komplisert nettverk.

"Nano" prefikset betyr "veldig liten". Ordet "nano" brukt i måling betyr at det er den millmillonesiske delen av et mål. For eksempel er et nanometer (NM) den millmillonesiske delen av en meter, det vil si 1 nm = 10^-9 m.

Karbon nanorørprøve. Det kan sees at det er et svart utseende svart fast stoff. Shaddack [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]. Kilde: Wikimedia Commons.

Hvert karbon nanorør bittesmå består av en eller flere grafittark rullet på seg selv. De er klassifisert i enkle vegg -nanorør (en enkelt rullet lamina) og flere vegg -nanorør (to eller flere sylindere i den andre).

Karbon nanorør er veldig sterke, har høy motstand mot å bryte og er veldig fleksible. De gjennomfører varme og strøm veldig bra. De utgjør også et veldig lett materiale.

Disse egenskapene gjør dem nyttige i flere anvendelsesfelt, for eksempel bilindustrien, romfart, elektronisk industri, blant andre. De har også blitt brukt i medisin, for eksempel for å transportere og frigjøre medisiner mot kreft, vaksiner, proteiner osv.

Imidlertid må manipulasjonen gjøres med beskyttelsesutstyr fordi de er inhalert, kan forårsake skade på lungene.

[TOC]

Oppdagelse av karbon nanorør

Det er forskjellige meninger i det vitenskapelige samfunnet om hvem som oppdaget karbon nanorør. Selv om det er mange forskningsarbeid på disse materialene, er det bare noen viktige datoer som er nevnt nedenfor.

- I 1903 observerte den franske forskeren i Pélado karbonfilamenter i en prøve (for denne datoen var elektroniske mikroskop ennå ikke tilgjengelig).

- I 1950 studerte fysikeren Roger Bacon, fra Union Carbide Company, visse prøver av karbonfibre og observerte bilder av nanopeluser eller nanobigoter (oversettelse av engelsk Nanowhiskers) Rett og hektet.

- I 1952 la russiske forskere Radushkevich og Lukyanovich ut bilder av karbon nanorør syntetisert av seg selv og oppnådd med et elektronisk mikroskop, der det tydelig observeres at de er huller.

- I 1973 fullførte russiske forskere Bochvar og Gal'pern en serie beregninger av energinivået av molekylære orbitaler som viser at grafittark kan krølle seg på seg selv som danner “hule molekyler”.

- I 1976 observerte Morinobu Endo karbonfibre med et Ahuecado -senter produsert ved pyrolyse av benzen og ferrocen ved 1000 ° C (pyrolyse er en type nedbrytning som oppstår med oppvarming ved veldig høye temperaturer i fravær av oksygen).

- I 1991 ble entusiasmen sluppet løs mot karbon nanorør etter Sumio Iijima syntetiserte karbon nåler laget med hule rør gjennom den elektriske lysbue -teknikken.

- I 1993 oppdaget Sumio Iijima og Donald Bethune (som jobber uavhengig av hverandre) samtidig de enkle karbon -nanorørene.

Tolkninger av noen av kildene konsulterte

I følge noen informasjonskilder, fortjenesten av oppdagelsen av karbon nanorør til russiske forskere Radushkevich og Lukyanovich i 1952 i 1952.

Det antas at de ikke fikk den fortjente æren, fordi det på den tiden var den så -kalt "kalde krigen" og vestlige forskere hadde ikke tilgang til russiske artikler. I tillegg var det ikke mange som visste hvordan de skulle oversette fra russeren, som videre forsinket at forskningen deres kunne analyseres i utlandet.

Kan tjene deg: Anomic Carbon: Hva er, egenskaper, eksempler

I mange artikler sies det at Iijima var den som oppdaget karbon nanorør i 1991. Visse forskere anslår imidlertid at virkningen av IIJIMAs arbeid skyldes at vitenskapen allerede hadde oppnådd tilstrekkelig modenhetsgrad til å sette pris på viktigheten av nanomaterialer.

Det er de som bekrefter at i de tiårene leste fysikere generelt ikke kjemiske magasiner, der karbon nanorør allerede var diskutert, og at de av denne grunn ble "overrasket" med artikkelen av IIJIMA.

Men alt dette reduserer ikke den høye kvaliteten på Iijimas arbeid i 1991. Og meningsforskjellen opprettholdes.

Nomenklatur

- Karbon nanorør, eller CNT -er (forkortelse for engelsk Karbon nanorør).

- Enkel veggkarbon nanorør, eller SWCNS (engelsk akronym Enkeltveggede karbon nanorør).

- Flere veggkarbon nanorør, eller MWCNS (engelsk akronym Multi-veggede karbon nanorør).

Struktur

Fysisk struktur

Karbon nanorør er veldig tynne og små rør eller sylindere hvis struktur bare kan sees med et elektronisk mikroskop. De består av et ark med grafitt (grafen) rullet i rør -formet.

En karbon nanotubus er et rullet grafitt- eller grafenark: (a) Teoretisk grafittark, (b) Teoretisk bilde av rullet eller karbon nanotubo -lamina. Opentax [CC av (https: // creativecommons.Org/lisenser/av/4.0)]. Kilde: Wikimedia Commons.

De er ahuecaded sylindriske molekyler sammensatt av karbonatomer. Karbonatomer er anordnet i form av små sekskanter (6 -sidige polygoner) som ligner på benzen og forent med hverandre (kondenserte benterniske ringer).

Tegning av en karbon nanorør hvor små sekskanter av 6 karbonatomer kan observeres. Bruker: GMDM [CC BY-S (http: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0/]]. Kilde: Wikimedia Commons.

Rørene er kanskje ikke dekket i åpningene deres og kan være ekstremt lange sammenlignet med deres diametre. De tilsvarer grafitt (grafen) ark rullet i sømløse rør.

Kjemisk struktur

CNT -er er polylaromatiske strukturer. Koblinger mellom karbonatomer er kovalente (det vil si at de ikke er ioniske). Disse koblingene er innenfor samme fly og er veldig sterke.

Styrken til koblingene C = C gjør CNT -ene veldig stiv og motstandsdyktig. Med andre ord, veggene i disse rørene er veldig sterke.

Fagforeningene utenfor flyet er veldig svake, noe som betyr at det ikke er noen sterke fagforeninger mellom ett rør og et annet. De er imidlertid attraksjonskrefter som tillater dannelse av bunter eller nanorør.

Klassifisering i henhold til antall rør

Karbon nanorør er delt inn i to grupper: enkle vegg -nanorør, eller SWCNT (forkortelse for engelsk Enkeltveggs karbon nanorør), Og flere vegg -nanorør, eller MWCNT (forkortelse for engelsk Multi-Wall Carbon Nanotube).

Nanorørstyper: (1) ekte bilde av flere vegg nanotubus, (2) enkel vegg nanorørtegning, (3) grafitt eller grafenark tegning. W2raphael [CC By-SA (http: // creativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0/]]. Kilde: Wikimedia Commons.

Enkle veggkarbon nanorør (SWCNT) består av et enkelt ark med rullet grafen som danner en sylinder, der hexagons -toppunktene passer perfekt for å danne et rør uten søm.

Flere veggkarbon nanorør (MWCNT) dannes av konsentriske sylindere plassert rundt et felles hult senter, det vil si to eller flere hule sylindere plassert inne i hverandre.

Flere vegg -nanorør dannes av to eller flere sylindere i den andre. Eric Wieer [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]. Kilde: Wikimedia Commons.Ekte bilde av et karbon nanorør med flere vegg oppnådd med et elektronisk mikroskop. Oxirane [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/4.0)]. Kilde: Wikimedia Commons.

Klassifisering i henhold til formen for rulling

Avhengig av måten grafenarket er påmeldt, kan utformingen som sekskanter dannes i CNT -ene være: i form av en lenestol, i form av en sikksakk og i spiralformet eller chiral form. Og dette påvirker egenskapene.

Kan tjene deg: Hume-Rothery RulesEkte bilde av spiralformet karbon nanotubus eller chiral. Terer Yildirim (National Institute of Standards and Technology - NIST) [Public Domain]. Kilde: Wikimedia Commons.

Fysiske egenskaper

Karbon nanorør er solide. De kommer sammen for å danne buketter, bjelker, bunter eller "strenger" av flere dusinvis av nanorør, hindret hverandre og dannet et veldig tett og komplisert nettverk.

Ekte bilde av karbon nanorør oppnådd med et elektronisk mikroskop. Det kan sees at de danner bunter som blir viklet sammen med hverandre. MaterialsCienst på engelsk Wikipedia [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]. Kilde: Wikimedia Commons.

De har en spenningskraft større enn stål. Dette betyr at de har en høy motstand mot å bryte når de gjennomgår en spenning. I teorien kan de være hundre ganger sterkere enn stål.

De er veldig elastiske, de kan bøye, vri seg og brette uten å skade og deretter gå tilbake til sin første form. De er veldig lette.

De er gode drivere av varme og strøm. Det sies at de har veldig allsidig elektronisk oppførsel eller at de har høy elektronisk ledningsevne.

CNT -rør hvis sekskanter er ordnet i form av en lenestol har metallatferd som ligner på metaller.

De som er ordnet i sikksakk og helikoidal kan være metalliske og halvledere.

Kjemiske egenskaper

På grunn av kraften i bindingene mellom karbonatomene sine, tåler CNT -ene veldig høye temperaturer (750 ° C ved atmosfæretrykk og 2800 ° C ved et vakuum).

Nanorørendingene er kjemisk mer reaktive enn den sylindriske delen. Hvis de gjennomgår oksidasjon, oksideres endene først. Hvis rørene er lukket, åpner endene.

Når den behandles med salpetersyre HNO₃ o h svovelsyre₂SW₄ Under visse forhold kan CNT -ene danne karboksylisk -coah eller kinon eller = c -c -grupper₄H₄-C = O.

CNT -er med mindre diametre er mer reaktive. Karbon nanorør kan inneholde atomer eller molekyler av andre arter i sine indre kanaler.

Løselighet

På grunn av det faktum at CNT -ene ikke har noen funksjonell gruppe på overflaten, er dette veldig hydrofobt, det vil si at det er ekstremt lite kompatibelt med vann og er ikke løselig i denne eller i ikke -polare organiske løsningsmidler.

Imidlertid, hvis de reagerte med noen forbindelser, kan CNT -ene være løselige. For eksempel med salpetersyre HNO₃ De kan solubiliseres i noen Amida -løsningsmidler under visse forhold.

Biokjemiske egenskaper

Rene karbon -nanorør er biouch, noe som betyr at de ikke er kompatible eller relatert til liv eller levende vev. De genererer en immunrespons fra organismen, ettersom de regnes som aggressive elementer.

Av denne grunn endrer forskere dem kjemisk slik at de blir akseptert av kroppens stoffer og kan brukes i medisinske applikasjoner.

De kan samhandle med makromolekyler som protein og DNA, som er proteinet som danner genene til levende vesener.

Å skaffe

Karbon nanorør oppnås basert på grafitt gjennom forskjellige teknikker som fordamping av laserpulser, elektrisk lysbueutladning og kjemisk dampavsetning.

De er også oppnådd fra en høy karbonmonoksidhøy (CO) strøm ved katalytisk vekst i en gassfase.

Tilstedeværelsen av metallkatalysatorer i noen metoder for å oppnå hjelper innretting av flere vegg -nanorør.

Imidlertid er en karbon nanorør ikke et molekyl som alltid er det samme. I henhold til metoden for forberedelse og forhold oppnås med forskjellig lengde, diameter, struktur, vekt, og som et resultat presenterer de forskjellige egenskaper.

Kan tjene deg: enkelt mikroskop

Karbon nanorør applikasjoner

Egenskapene til CNT -ene gjør dem egnet for en lang rekke bruksområder.

De har blitt brukt i strukturelle materialer for elektronikk, optikk, plast og andre produkter innen nanoteknologi, luftfartsindustri og bilproduksjon.

Karbon nanorør har veldig mangfoldig bruk. Dette er et ekte bilde av karbon nanorør oppnådd med et elektronisk mikroskop. ILMAR KINK [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]. Kilde: Wikimedia Commons.

Sammensetninger eller blandinger av materialer med CNT -er

CNT -ene har kombinert med polymerer for å lage fibre og klut av armerte polymerer for høy ytelse. For eksempel har blitt brukt for å forsterke polyakrylonitrilfibre til forsvarsformål.

CNT -blandinger med polymerer kan også utformes for å ha forskjellige elektrisitetsdriftsegenskaper. De forbedrer ikke bare styrken og stivheten til polymeren, men tilfører også egenskaper til elektrisk ledningsevne.

Fibre og stoffer av CNT -er er også produsert med motstander som ligner på aluminium og karbonstål, men det er mye lettere enn disse. Med slike fibre er kroppslig rustning designet.

De har også blitt brukt for å oppnå mer motstandsdyktig keramikk.

Elektronikkenheter

Karbon nanorør har stort potensiale innen vakuumelektronikk, nanodispositiv og energilagring.

CNT -er kan fungere som dioder, transistorer og reléer (elektromagnetiske enheter som tillater å åpne og lukke elektriske kretsløp).

De kan også avgi elektroner når de blir utsatt for et elektrisk felt eller hvis en spenning påføres.

Gasssensorer

Bruken av CNT -er i gasssensorer lar dem være små, kompakte og lette, og som kan kombineres med elektroniske applikasjoner.

Den elektroniske konfigurasjonen av CNT -ene gjør sensorene veldig følsomme for ekstremt små mengder gasser, og i tillegg kan CNT -ene tilpasses kjemisk for å oppdage spesifikke gasser.

Medisinske applikasjoner

På grunn av det høye overflaten, kan utmerket kjemisk stabilitet og polylaromatisk struktur rik på elektroner CNTs adsorbere eller kombinere med et bredt utvalg av terapeutiske molekyler, for eksempel medisiner, proteiner, antistoffer, enzymer, vaksiner, etc.

De har vist seg å være utmerkede kjøretøyer for transport og frigjøring av medisiner, direkte gjennomtrengende cellene og holde medisinen intakt under transporten av kroppen.

Det siste gjør det mulig å redusere medisinens dose og dens toksisitet, spesielt medisiner mot kreft.

CNT -er har vært nyttige i kreftbehandling, infeksjoner, vevsregenerering, nevrodegenerative sykdommer og som antioksidanter.

De brukes også i sykdomsdiagnose, i visse analyser, for eksempel biosensorer, medikamentseparasjon og ekstraksjon av biokjemiske forbindelser.

De blir også brukt i ortopediske proteser og som støttemateriale for vekst av beinvev.

Andre apper

Bruk.

Deres høye elektriske og relative konduktivitet gjør dem nyttige som elektroder i elektrokjemiske reaksjoner.

De kan også holde seg til reaktantpartikler, og for deres store overfladiske område kan de fungere som katalysatorstøtter.

De har også kapasitet til å lagre hydrogen, som finner et flott verktøy i kjøretøyer som fungerer med denne gassen, for med CNT -ene kan det transporteres trygt.

Karbon nanorør toksisitet

Studier har avdekket vanskeligheter med å evaluere toksisiteten til CNT -er. Dette ser ut til å avhenge av egenskaper som lengde, stivhet, konsentrasjon og varighet av eksponering for CNT -er. Det avhenger også av produksjons- og renhetsmetoden til CNT -ene.

Imidlertid anbefales det å bruke beskyttelsesutstyr under CNT -manipulasjon fordi det er studier som indikerer deres likhet med asbestfibre og at CNS -støvinnånding kan forårsake skade på lungene.

Tekniker som veier prøver av karbon nanorør. Beskyttelsesredskapene du bruker kan observeres. ELLER.S. National Institute for Occupational Safety and Health [Public Domain]. Kilde: Wikimedia Commons.Ekte bilde av hvordan en karbon nanorør krysser en celle av en lunge. Robert r. Mercer, Ann f. Hubbs, James F. Scabilloni, lie Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova og Dale W. Porter / NIOSH [Public Domain]. Kilde: Wikimedia Commons.

Referanser

1. Basu-Dutt, s. et al. (2012). Kjemi av karbon nanorør for alle. J. Chem. Utdanning. 2012, 89, 221-229. Gjenopprettet fra puber.ACS.org.
2. Måneder, m. og Kuznetsov, V.L. (redaktører). (2006). Hvem skal få æren for oppdagelsen av karbon nanotibes? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Gjenopprettet fra Scientedirect.com.
3. Eatemadi, a. et al. (2014). Karbon nanorør: egenskaper, syntese, rensing og medisinske anvendelser. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. NCBI kom seg.NLM.NIH.Gov.
4. Saksid, m.Yo. et al. (2016) karbon nanorør fra syntese til In vivo Biomedisinske applikasjoner. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI kom seg.NLM.NIH.Gov.
5. Ajayan, p.M. (1999). Nanorør fra karbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Gjenopprettet fra puber.ACS.org.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Kjemi av enveggede karbon nanorør. Acc. Chem. Storfekjøtt. 2002, 35, 1105-1113. Gjenopprettet fra puber.ACS.org.
7. Awashi, k. et al. (2005). Syntese av karbon nanorør. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI kom seg.NLM.NIH.Gov.
8. Grobert, n. (2007). Karbon nanorør - blir ren. Material i dag volum 10, utgaver 1-2, side 28-35. Gjenopprettet fra leseren.Elsevier.com.
9. Han, h. et al. (2013). Karbon nanorør: applikasjoner i apotek og medisin. Biomed res int. 2013; 2013: 578290. NCBI kom seg.NLM.NIH.Gov.
10. Francis, a.P. og Devase, t. (2018). Toksisitet av karbon nanorør: en gjennomgang. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Gjenopprettet fra tidsskrifter.Sagepub.com.
11. Harik, v. M. (2017). Geometri av karbon nanorør og mekanismer for fagocytose og giftige effekter. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI kom seg.NLM.NIH.Gov.