Koolstof nanobuisjes structuur, eigenschappen, toepassingen, toxiciteit

De Koolstof nanobuisjes Ze zijn erg kleine en zeer dunne cilinders of cilinders die alleen door koolstofatomen worden gevormd (c). De buisvormige structuur is alleen zichtbaar door elektronische microscopen. Het is een solide zwart materiaal, gevormd door bundels of zeer klein van enkele tientallen nanobuisjes, die samen een ingewikkeld netwerk vormen.

Het voorvoegsel "nano" betekent "erg klein". Het woord "nano" dat in meting wordt gebruikt, betekent dat het het Millmillonese deel van een maatregel is. Een nanometer (NM) is bijvoorbeeld het Millmillonese deel van een meter, dat wil zeggen 1 nm = 10^-9 M.

Koolstofnanobuisjes monster. Het is te zien dat het een zwart uitziende zwarte vaste stof is. Shaddack [cc by-s (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]. Bron: Wikimedia Commons.

Elke koolstof nanobuis Tiny bestaat uit een of meer grafietplaten op zichzelf gerold. Ze zijn geclassificeerd in eenvoudige wandnanobuisjes (een enkele opgerolde lamina) en meerdere wandnanobuisjes (twee of meer cilinders één in de andere).

Koolstofnanobuisjes zijn erg sterk, hebben een hoge weerstand om te breken en zijn zeer flexibel. Ze leiden warmte en elektriciteit heel goed. Ze vormen ook een zeer licht materiaal.

Deze eigenschappen maken ze nuttig op verschillende toepassingsgebieden, zoals de automotive, ruimtevaart, elektronische industrie, onder andere. Ze zijn ook in de geneeskunde gebruikt, bijvoorbeeld om medicijnen te transporteren en vrij te geven tegen kanker, vaccins, eiwitten, enz.

De manipulatie ervan moet echter worden gedaan met beschermingsapparatuur omdat ze worden ingeademd, kan de longen schade toebrengen.

[TOC]

Ontdekking van koolstofnanobuisjes

Er zijn verschillende meningen in de wetenschappelijke gemeenschap over wie koolstofnanobuisjes ontdekte. Hoewel er veel onderzoekswerk op deze materialen zijn, worden hieronder slechts enkele belangrijke datums genoemd.

- In 1903 observeerde de Franse wetenschapper van Pélado koolstoffilamenten in een monster (voor deze datum waren elektronische microscopen nog niet beschikbaar).

- In 1950 bestudeerde de fysicus Roger Bacon, van de Union Carbide Company, bepaalde monsters van koolstofvezels en waargenomen beelden van nanopelussen of nanobigotes (vertaling van het Engels Nanowhiskers) Recht en verslaafd.

- In 1952 plaatsten Russische wetenschappers Radushkevich en Lukyanovich foto's van door zichzelf gesynthetiseerde koolstofnanobuisjes en verkregen met een elektronische microscoop, waar duidelijk wordt opgemerkt dat ze holtes zijn.

- In 1973 voltooiden Russische wetenschappers Bochvar en Gal'pern een reeks berekeningen van de energieniveaus van moleculaire orbitalen die aantonen dat grafietbladen kunnen krullen die "holle moleculen" kunnen vormen die vormen.

- In 1976 observeerde Morinobu Endo koolstofvezels met een Ahuecado -centrum geproduceerd door de pyrolyse van benzeen en ferroceen bij 1000 ° C (pyrolyse is een soort ontleding die optreedt bij verwarming bij zeer hoge temperaturen in de afwezigheid van zuurstof).

- In 1991 werd het enthousiasme losgelaten naar koolstofnanobuisjes nadat Sumio Iijima gesynthetiseerde koolstofnaalden gemaakt met holle buizen via de elektrische boogtechniek.

- In 1993 ontdekten Sumio Iijima en Donald Bethune (onafhankelijk van elkaar) tegelijkertijd de eenvoudige koolstofnanobuisjes ontdekt.

Interpretaties van enkele van de geraadpleegde bronnen

Volgens sommige informatiebronnen, de verdienste van de ontdekking van koolstofnanobuisjes aan Russische wetenschappers Radushkevich en Lukyanovich in 1952 in 1952.

Er wordt gedacht dat ze niet het verdiende krediet kregen, omdat er op dat moment de zo -aangedreven "Koude Oorlog" was en westerse wetenschappers geen toegang hadden tot Russische artikelen. Bovendien wisten niet veel hoe ze zich moesten vertalen uit de Russische, wat verder vertraagde dat hun onderzoek in het buitenland kon worden geanalyseerd.

Kan u van dienst zijn: anomere koolstof: wat is, kenmerken, voorbeelden

In veel artikelen wordt gezegd dat iijima degene was die in 1991 koolstofnanobuisjes ontdekte. Bepaalde onderzoekers schatten echter dat de impact van het werk van Iijima te wijten is aan het feit dat de wetenschap al voldoende mate van volwassenheid had bereikt om het belang van nanomaterialen te waarderen.

Er zijn mensen die bevestigen dat natuurkundigen in die decennia over het algemeen geen chemagatiemagazines hebben gelezen, waar koolstofnanobuisjes al werden besproken, en dat ze om deze reden "verrast" waren met het artikel door iijima.

Maar dit alles vermindert niet de hoge kwaliteit van het werk van Iijima in 1991. En het meningsverschil wordt gehandhaafd.

Nomenclatuur

- Koolstofnanobuisjes of CNT's (acroniem voor Engels Koolstof nanobuisjes)).

- Eenvoudige muur koolstof nanobuisjes of swcns (Engels acroniem Singlewandige koolstofnanobuisjes)).

- Meerdere muur koolstof nanobuisjes of MWCN's (Engels acroniem Multi-muurde koolstofnanobuisjes)).

Structuur

Fysische structuur

Koolstofnanobuisjes zijn erg dunne en kleine buizen of cilinders waarvan de structuur alleen te zien is met een elektronische microscoop. Ze bestaan ​​uit een vel grafiet (grafeen) gerold in buisvormige vorm.

Een koolstof nanobuis is een gerold grafiet of grafeenblad: (a) theoretisch grafietblad, (b) theoretisch beeld van gerolde of koolstof nanobuislamina. OpenTax [cc door (https: // creativeCommons.Org/licenties/door/4.0)]. Bron: Wikimedia Commons.

Het zijn ahuecadecilindrische moleculen die alleen uit koolstofatomen zijn samengesteld. Koolstofatomen zijn gerangschikt in de vorm van kleine zeshoeken (6 -zijdige polygonen) vergelijkbaar met benzeen en verenigd met elkaar (gecondenseerde benternische ringen).

Tekening van een koolstofnanobuis waar kleine zeshoeken van 6 koolstofatomen kunnen worden waargenomen. Gebruiker: gmdm [cc by-s (http: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0/]]. Bron: Wikimedia Commons.

De buizen kunnen al dan niet in hun openingen worden bedekt en kunnen extreem lang zijn in vergelijking met hun diameters. Ze zijn gelijk aan grafiet (grafeen) vellen gerold in naadloze buizen.

Chemische structuur

CNT's zijn polylaromatische structuren. Verbanden tussen koolstofatomen zijn covalent (dat wil zeggen, ze zijn niet ionisch). Deze links liggen in hetzelfde vlak en zijn erg sterk.

De sterkte van de links C = C maakt de CNT's zeer rigide en resistent. Met andere woorden, de wanden van deze buizen zijn erg sterk.

De vakbonden buiten het vlak zijn erg zwak, wat betekent dat er geen sterke vakbonden zijn tussen de ene buis en de andere. Het zijn echter aantrekkingskrachten die de vorming van trossen of nanobuisjes mogelijk maken.

Classificatie volgens het aantal buizen

Koolstofnanobuisjes zijn verdeeld in twee groepen: eenvoudige wandnanobuisjes of SWCNT (acroniem voor Engels Single-wand koolstofnanobuis) En meerdere wandnanobuisjes, of MWCNT (acroniem voor Engels Multi-wands koolstofnanobuis)).

Nanobuisjes typen: (1) Echte afbeelding van meervoudige muur nanobuis, (2) eenvoudige wandnanobuistekening, (3) grafiet of grafeenplaattekening. W2Rafael [CC BY-SA (http: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0/]]. Bron: Wikimedia Commons.

Eenvoudige muur koolstof nanobuisjes (SWCNT) bestaan ​​uit een enkel vel opgerold grafeen dat een cilinder vormt, waar hoogtepunten van zeshoeken perfect passen om een ​​buis te vormen zonder naad.

Meerdere muur koolstof nanobuisjes (MWCNT) worden gevormd door concentrische cilinders geplaatst rond een gemeenschappelijk hol centrum, dat wil zeggen twee of meer holle cilinders die in elkaar zijn geplaatst.

Meerdere wandnanobuizen worden gevormd door twee of meer cilinders één in de andere. Eric Wieer [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]. Bron: Wikimedia Commons.Echt beeld van een meervoudige muur koolstof nanobuis verkregen met een elektronische microscoop. Oxiraan [cc by-sa (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)]. Bron: Wikimedia Commons.

Classificatie volgens de vorm van rollen

Afhankelijk van de manier waarop het grafeenblad is ingeschreven, kan het ontwerp dat zeshoeken zich vormen in de CNT's zijn: in de vorm van een fauteuil, in de vorm van een zigzag en in spiraalvormige of chirale vorm. En dit beïnvloedt zijn eigenschappen.

Kan u van dienst zijn: Hume-rothery-regelsEcht beeld van spiraalvormige koolstof nanobuis of chirale. Terer Yildirim (het National Institute of Standards and Technology - NIST) [Public Domain]. Bron: Wikimedia Commons.

Fysieke eigenschappen

Koolstofnanobuisjes zijn vast. Ze komen samen om boeketten, balken, trossen of "snaren" van enkele tientallen nanobuisjes te vormen, belemmerden elkaar en vormden een zeer dicht en gecompliceerd netwerk.

Echt beeld van koolstofnanobuizen verkregen met een elektronische microscoop. Het is te zien dat ze trossen vormen die met elkaar verstrikt raken. Materiaalscienst bij Engels Wikipedia [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]. Bron: Wikimedia Commons.

Ze hebben een spanningskracht die groter is dan die van staal. Dit betekent dat ze een hoge weerstand hebben om te breken wanneer ze een spanning ondergaan. In theorie kunnen ze honderd keer sterker zijn dan staal.

Ze zijn erg elastisch, ze kunnen buigen, draaien en vouwen zonder schadelijk te zijn en vervolgens terug te keren naar hun eerste vorm. Ze zijn erg licht.

Het zijn goede drijfveren van warmte en elektriciteit. Er wordt gezegd dat ze een zeer veelzijdig elektronisch gedrag hebben of dat ze een hoge elektronische geleidbaarheid hebben.

CNT -buizen waarvan de zeshoeken zijn gerangschikt in de vorm van een fauteuil, hebben metaalgedrag vergelijkbaar met dat van metalen.

Degenen die zijn gerangschikt in zigzag en helicoidaal kunnen metalen en halfgeleiders zijn.

Chemische eigenschappen

Vanwege de kracht van de bindingen tussen hun koolstofatomen kunnen de CNT's zeer hoge temperaturen weerstaan ​​(750 ° C bij atmosferische druk en 2800 ° C bij een vacuüm).

De uiteinden van de nanobuisjes zijn chemischer reactiever dan het cilindrische deel. Als ze oxidatie ondergaan, worden de uiteinden eerst geoxideerd. Als de buizen worden gesloten, zijn de uiteinden open.

Wanneer behandeld met salpeterzuur HNO₃ o H zwavelzuur₂SW₄ Onder bepaalde omstandigheden kunnen de CNT's carbonylische -coah of chinon of = c -c groepen vormen₄H₄-C = O.

CNT's met kleine diameters zijn meer reactief. Koolstofnanobuizen kunnen atomen of moleculen van andere soorten in hun interne kanalen bevatten.

Oplosbaarheid

Vanwege het feit dat de CNT's geen functionele groep op hun oppervlak hebben, is dit erg hydrofoob, dat wil zeggen, het is extreem weinig compatibel met water en is niet oplosbaar in deze of in niet -polaire organische oplosmiddelen.

Als ze echter met sommige verbindingen worden gereageerd, kunnen de CNT's oplosbaar zijn. Bijvoorbeeld met salpeterzuur HNO₃ Ze kunnen onder bepaalde omstandigheden in sommige Amida -oplosmiddelen worden opgelost.

Biochemische eigenschappen

Pure koolstof nanobuisjes zijn bioyouch, wat betekent dat ze niet compatibel zijn of gerelateerd zijn aan leven of levende weefsels. Ze genereren een immuunrespons van het organisme, omdat ze worden beschouwd als agressieve elementen.

Om deze reden wijzigen wetenschappers ze chemisch, zodat ze worden geaccepteerd door de stoffen van het lichaam en kunnen worden gebruikt in medische toepassingen.

Ze kunnen interageren met macromoleculen zoals eiwitten en DNA, het eiwit dat de genen van levende wezens vormt.

Het verkrijgen van

Koolstofnanobuizen worden verkregen op basis van grafiet door verschillende technieken zoals verdamping door laserpulsen, elektrische boogafvoer en chemische dampafzetting.

Ze zijn ook verkregen uit een hoge koolmonoxide hoge (CO) stroom door katalytische groei in een gasfase.

De aanwezigheid van metaalkatalysatoren bij sommige methoden voor het verkrijgen helpt de afstemming van meerdere wandnanobuisjes.

Een koolstofnanobuis is echter geen molecuul dat altijd hetzelfde is. Volgens de methode van voorbereiding en voorwaarden worden verkregen met verschillende lengte, diameter, structuur, gewicht en als gevolg daarvan presenteren ze verschillende eigenschappen.

Kan u van dienst zijn: eenvoudige microscoop

Koolstof nanobuisjes toepassingen

De eigenschappen van de CNT's maken ze geschikt voor een breed scala aan gebruik.

Ze zijn gebruikt in structurele materialen voor elektronica, optica, kunststoffen en andere producten op het gebied van nanotechnologie, ruimtevaartindustrie en automobielproductie.

Koolstofnanobuisjes hebben een zeer divers gebruik. Dit is een echt beeld van koolstofnanobuizen verkregen met een elektronische microscoop. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]. Bron: Wikimedia Commons.

Samenstellingen of mengsels van materialen met CNT's

De CNT's hebben gecombineerd met polymeren om vezels en doek van versterkte polymeren te maken voor hoge prestaties. Zijn bijvoorbeeld gebruikt om polyacrylonitrilvezels voor defensiedoeleinden te versterken.

CNT -mengsels met polymeren kunnen ook worden ontworpen om verschillende elektriciteits -eigenschappen te hebben. Ze verbeteren niet alleen de sterkte en stijfheid van het polymeer, maar voegen ook eigenschappen van elektrische geleidbaarheid toe.

Vezels en stoffen van CNT's worden ook vervaardigd met weerstanden die vergelijkbaar zijn met die van aluminium en koolstofstaal, maar die veel lichter zijn dan deze. Met dergelijke vezels zijn lichamelijk pantser ontworpen.

Ze zijn ook gebruikt om meer resistente keramiek te verkrijgen.

Elektronica -apparaten

Koolstofnanobuisjes hebben een groot potentieel in vacuümelektronica, nanodispositieve en energieopslag.

CNT's kunnen functioneren als diodes, transistoren en relais (elektromagnetische apparaten die elektrische circuits kunnen openen en sluiten).

Ze kunnen ook elektronen uitzenden wanneer ze worden onderworpen aan een elektrisch veld of als een spanning wordt toegepast.

Gassensoren

Het gebruik van CNT's in gassensoren stelt hen in staat klein, compact en licht te zijn en dat kan worden gecombineerd met elektronische toepassingen.

De elektronische configuratie van de CNT's maakt de sensoren zeer gevoelig voor extreem kleine hoeveelheden gassen en bovendien kunnen de CNT's chemisch worden aangepast om specifieke gassen te detecteren.

Medische toepassingen

Vanwege het hoge oppervlak, kunnen uitstekende chemische stabiliteit en polylaromatische structuur rijk aan elektronen CNT's adsorberen of combineren met een breed scala aan therapeutische moleculen, zoals medicijnen, eiwitten, antilichamen, enzymen, vaccins, enz.

Ze hebben bewezen uitstekende voertuigen te zijn voor het transport en de afgifte van geneesmiddelen, die direct de cellen binnendringen en de medicatie intact houden tijdens hun transport door het lichaam.

Dit laatste maakt het mogelijk om de dosis geneeskunde en de toxiciteit ervan te verminderen, vooral anti -kanker medicijnen.

CNT's zijn nuttig geweest bij kankertherapieën, infecties, weefselregeneratie, neurodegeneratieve ziekten en als antioxidanten.

Ze worden ook gebruikt bij de diagnose van ziekten, in bepaalde analyses, zoals biosensoren, scheiding van geneesmiddelen en extractie van biochemische verbindingen.

Ze worden ook gebruikt in orthopedische prothesen en als ondersteuningsmateriaal voor botweefselgroei.

Andere apps

Het gebruik ervan is ook voorgesteld als materialen voor batterijen en brandstofcelmembranen, lithium -ionbatterijen, supercanders en chemische filters.

Hun hoge elektrische en relatieve geleidbaarheid maakt ze nuttig als elektroden in elektrochemische reacties.

Ze kunnen zich ook houden aan reactant -deeltjes en voor hun grote oppervlakkige gebied kunnen ze functioneren als katalysatorsteunen.

Ze hebben ook de capaciteit om waterstof op te slaan, wat een groot nut vindt in voertuigen die met dit gas werken, omdat het met de CNT's veilig kan worden getransporteerd.

Koolstof nanobuisjes toxiciteit

Studies hebben moeilijkheden aangetoond om de toxiciteit van CNT's te evalueren. Dit lijkt afhankelijk te zijn van kenmerken zoals lengte, stijfheid, concentratie en duur van blootstelling aan CNT's. Het hangt ook af van de productie- en zuiverheidsmethode van de CNT's.

Het wordt echter aanbevolen om beschermingsapparatuur te gebruiken tijdens CNT -manipulatie omdat er studies zijn die hun gelijkenis aangeven met asbestvezels en dat het inademen van CZS -stof schade aan de longen kan veroorzaken.

Technicus die monsters van koolstofnanobuisjes weegt. De beschermingsmogelijkheden die u gebruikt, kunnen worden waargenomen. OF.S. National Institute for Occupational Safety and Health [Public Domain]. Bron: Wikimedia Commons.Echt beeld van hoe een koolstofnanobuis een cel van een long kruist. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori a. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova en Dale W. Porter / NIOSH [Public Domain]. Bron: Wikimedia Commons.

Referenties

1. Basu-dutt, s. et al. (2012). Chemie van koolstofnanobuisjes voor iedereen. J. Chem. Onderwijzer. 2012, 89, 221-229. Hersteld van pubs.ACS.borg.
2. Maanden, m. en Kuznetsov, v.L. (Editors). (2006). Wie moet de eer krijgen voor de ontdekking van koolstofnanotibes? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Hersteld van Scientedirect.com.
3. Eatemadi, een. et al. (2014). Koolstofnanobuisjes: eigenschappen, synthese, zuivering en medische toepassingen. Research Letters 2014, 9: 393 op nanoschaal. NCBI hersteld.NLM.NIH.Gov.
4. Saxid, m.Je. et al. (2016) Koolstof nanobuisjes van synthese tot In vivo Biomedische toepassingen. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI hersteld.NLM.NIH.Gov.
5. Ajayan, p.M. (1999). Nanobuisjes van koolstof. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Hersteld van pubs.ACS.borg.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Chemie van enkelwandige koolstofnanobuisjes. ACC. Chem. Rundvlees. 2002, 35, 1105-1113. Hersteld van pubs.ACS.borg.
7. Overspoeld, k. et al. (2005). Synthese van koolstofnanobuisjes. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI hersteld.NLM.NIH.Gov.
8. Grobert, n. (2007). Koolstofnanobuisjes - schoon worden. Materiaalstoday Volume 10, uitgaven 1-2, pagina's 28-35. Hersteld van de lezer.Elsevier.com.
9. Hij, h. et al. (2013). Koolstofnanobuisjes: toepassingen in apotheek en geneeskunde. Biomed res int. 2013; 2013: 578290. NCBI hersteld.NLM.NIH.Gov.
10. Francis, een.P. en devase, t. (2018). Toxiciteit van koolstofnanobuisjes: een overzicht. Toxicologie en industriële gezondheid (2018) 34, 3. Hersteld van tijdschriften.Sagepub.com.
11. Harik, V. M. (2017). Geometrie van koolstofnanobuizen en mechanismen van fagocytose en toxische effecten. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI hersteld.NLM.NIH.Gov.