HIILINANOPUTKET: RAKENNE, OMINAISUUDET, SOVELLUKSET, TOKSISUUS - KEMIA

Hiilinanoputket ovat putkia tai sylintereitä hyvin pieni ja hyvin ohut on muodostettu ainoastaan hiiliatomia (C). Sen putkimainen rakenne on näkyvissä vain elektronimikroskoopeilla. Se on kiinteä musta materiaali, joka koostuu erittäin pienistä kimpuista tai useiden kymmenien nanoputkien kimppuista, jotka ovat takertuneet toisiinsa monimutkaisen verkon muodostamiseksi.

Etuliite "nano" tarkoittaa "hyvin pieni". Mittauksessa käytetty sana "nano" tarkoittaa, että se on miljardi mittausta. Esimerkiksi nanometri (nm) on miljardi metriä, eli 1 nm = 10 - ⁹ m.

Hiilinanoputkinäyte. Voidaan nähdä, että se on musta kiinteä aine, jolla on hiilen kaltainen ulkonäkö. Shaddack. Lähde: Wikimedia Commons.

Jokainen pieni hiilinanoputki koostuu yhdestä tai useammasta grafiittilevystä, jotka on kääritty itsensä ympärille. Ne luokitellaan yksiseinäisiin nanoputkiin (yksi valssattu levy) ja moniseinäisiin nanoputkiin (kaksi tai useampia sylintereitä toisensa sisällä).

Hiilinanoputket ovat erittäin vahvoja, kestävät hyvin murtumista ja ovat erittäin joustavia. Ne johtavat lämpöä ja sähköä erittäin hyvin. Ne ovat myös erittäin kevyt materiaali.

Nämä ominaisuudet tekevät niistä hyödyllisiä useilla sovellusalueilla, kuten auto-, ilmailu- ja elektroniikkateollisuudessa. Niitä on käytetty myös lääketieteessä, esimerkiksi syöpälääkkeiden, rokotteiden, proteiinien jne. Kuljettamiseen ja toimittamiseen.

Sen käsittely on kuitenkin tehtävä suojavälineillä, koska hengitettyinä ne voivat vahingoittaa keuhkoja.

Hiilinanoputkien löytäminen

Tiedeyhteisössä on erilaisia mielipiteitä siitä, kuka löysi hiilinanoputket. Vaikka näistä materiaaleista on monia tutkimuspapereita, jäljempänä mainitaan vain muutama tärkeä päivämäärä.

- Vuonna 1903 ranskalainen tiedemies Pélabon havaitsi hiilen filamentteja näytteessä (elektronimikroskooppeja ei vielä ollut saatavilla tähän päivään mennessä).

- Union Carbide -yrityksen fyysikko Roger Bacon tutki vuonna 1950 tiettyjä hiilikuitunäytteitä ja havaitsi kuvia suorista ja onttoista nanofluffista tai nanobigotteista (nanowhiskers).

- Vuonna 1952 venäläiset tutkijat Radushkevich ja Lukyanovich julkaisivat valokuvia kuvista hiilinanoputkista, jotka on syntetisoitu itse ja jotka on saatu elektronimikroskoopilla, missä on selvästi havaittu niiden olevan onttoja.

- Vuonna 1973 venäläiset tutkijat Bochvar ja Gal'pern saattoivat päätökseen sarjan laskelmia molekyyliorbitaalien energiatasoista osoittaen, että grafiittilevyt voivat kääntyä itsensä suhteen muodostaen "onttoja molekyylejä".

- Vuonna 1976 Morinobu Endo havaitsi hiilikuituja, joissa ontto keskipiste tuotettiin bentseenin ja ferroseenin pyrolyysillä 1000 ° C: ssa (pyrolyysi on eräänlainen hajoaminen, joka tapahtuu kuumentuessa erittäin korkeisiin lämpötiloihin ilman happea).

- Vuonna 1991 innostuminen hiilinanoputkista herätti sen jälkeen, kun Sumio Iijima syntetisoi onttoputkista valmistetut hiilineulat neulakaaritekniikan avulla.

- Vuonna 1993 Sumio Iijima ja Donald Bethune (toimivat toisistaan riippumattomasti) löysivät samanaikaisesti yksiseinäiset hiilinanoputket.

Joidenkin tutkittujen lähteiden tulkinnat

Joidenkin tietolähteiden mukaan hiilinanoputkien löytämiselle pitäisi ehkä myöntää venäläisille tutkijoille Radushkevichille ja Lukyanovichille vuonna 1952.

Uskotaan, että heille ei annettu ansaittua luottoa, koska tuolloin oli ns. Kylmä sota ja länsimaisilla tutkijoilla ei ollut pääsyä venäläisiin artikkeleihin. Lisäksi harva osaa kääntää venäjäksi, mikä viivästytti heidän tutkimuksensa analysointia ulkomailla.

Monissa artikkeleissa sanotaan, että Iijima löysi hiilinanoputket vuonna 1991. Jotkut tutkijat kuitenkin arvioivat, että Iijiman työn vaikutus johtuu siitä, että tiede oli jo saavuttanut riittävän kypsän asteen hiilinanoputkien merkityksen arvioimiseksi. nanomateriaaleja.

Jotkut sanovat, että noina vuosikymmeninä fyysikot eivät yleensä lukeneet artikkeleita kemian aikakauslehdistä, joissa hiilinanoputkista oli jo keskusteltu, ja että tästä syystä Iijiman artikkeli "yllättyi".

Mutta kaikki tämä ei heikennä Iijiman työn korkeaa tasoa vuodesta 1991. Ja mielipiteiden ero on edelleen.

nimistö

- Hiilinanoputket tai CNT-putket (Carbon NanoTubes).

- Yksiseinäiset hiilinanoputket tai SWCNT-putket (yksiseinäiset hiilinanoputket).

- Moniseinäiset hiilinanoputket tai MWCNT-putket (moniseinäiset hiilinanoputket).

Rakenne

Fyysinen rakenne

Hiilinanoputket ovat erittäin hienoja ja pieniä putkia tai sylintereitä, joiden rakenne näkyy vain elektronimikroskoopilla. Ne koostuvat grafiittilevystä (grafeeni), joka on rullattu putkeen.

Hiilinanoputki on valssattu grafiitti- tai grafeenilevy: (a) teoreettinen kuva grafiittilevystä, (b) teoreettinen kuva valssatusta levystä tai hiilinanoputkesta. OpenStax. Lähde: Wikimedia Commons.

Ne ovat onttoja sylinterimäisiä molekyylejä, jotka koostuvat yksinomaan hiiliatomeista. Hiiliatomit on järjestetty pienten kuusikulmaisten (6-puolisten monikulmioiden) muodossa, jotka ovat samanlaisia kuin bentseeni ja kytketty toisiinsa (kondensoituneet bentseenirenkaat).

Piirustus hiilinanoputkesta, jossa voit nähdä pienet kuusikulmaiset 6 hiiliatomia. Käyttäjä: Gmdm. Lähde: Wikimedia Commons.

Putket voivat olla tukittuina aukkoihinsa ja voivat olla erittäin pitkiä niiden halkaisijoihin verrattuna. Ne vastaavat saumattomiin putkiin valssattuja grafiittilevyjä (grafeeni).

Kemiallinen rakenne

CNT: t ovat polyaromaattisia rakenteita. Hiiliatomien väliset sidokset ovat kovalentteja (ts. Ne eivät ole ionisia). Nämä linkit ovat saman tason sisällä ja ovat erittäin vahvoja.

C = C-sidosten lujuus tekee CNT: stä erittäin jäykät ja vahvat. Toisin sanoen näiden putkien seinät ovat erittäin vahvat.

Tason ulkopuolella olevat liitokset ovat erittäin heikkoja, mikä tarkoittaa, että putken ja toisen putken välillä ei ole vahvoja liitoksia. Ne ovat kuitenkin houkuttelevia voimia, jotka sallivat nanoputkien kimppujen tai kimppujen muodostumisen.

Luokittelu putkien lukumäärän mukaan

Hiilinanoputket jaetaan kahteen ryhmään: yksiseinäiset nanoputket tai SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) ja moniseinäiset nanoputket tai MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanoputkityypit: (1) moniseinäiset nanoputkistokuvat, (2) yksiseinäiset nanoputkipiirrokset, (3) grafiitti- tai grafeenilevypiirrokset. W2raphael. Lähde: Wikimedia Commons.

Yksiseinäiset hiilinanoputket (SWCNT) koostuvat yhdestä sylinteriin valssatusta grafeenilevystä, jossa kuusikulmioiden kärjet sopivat täydellisesti saumattoman putken muodostamiseen.

Moniseinäiset hiilinanoputket (MWCNT) koostuvat samankeskisistä sylintereistä, jotka on sijoitettu yhteisen onton keskuksen ympärille, toisin sanoen kahdesta tai useammasta ontto sylinteristä, jotka on sijoitettu toistensa sisäpuolelle.

Moniseinäiset nanoputket koostuvat kahdesta tai useammasta sylinteristä toistensa sisällä. Eric Wieser. Lähde: Wikimedia Commons.

Oikea kuva moniseinäisestä hiilinanoputkesta, joka on saatu elektronimikroskoopilla. Oksiraani. Lähde: Wikimedia Commons.

Luokittelu käämin muodon mukaan

Grafeenilevyn valssaustavasta riippuen CNT: n kuusikulmioiden muodostama kuvio voi olla: tuolin muotoinen, siksak-muotoinen ja kierteinen tai kiraalinen. Ja tämä vaikuttaa sen ominaisuuksiin.

Oikea kuva kiraalisesta tai kierteisestä hiilinanoputkesta. Taner Yildirim (Kansallinen standardi- ja teknologiainstituutti - NIST). Lähde: Wikimedia Commons.

Fyysiset ominaisuudet

Hiilinanoputket ovat kiinteitä. Ne kokoontuvat muodostaen kimppuja, kimppuja, kimppuja tai "jousia" useista kymmenistä nanoputkista, jotka ovat takertuneet toisiinsa muodostaen erittäin tiheän ja monimutkaisen verkon.

Oikea kuva hiilinanoputkista, jotka on saatu elektronimikroskoopilla. Voidaan nähdä, että ne muodostavat niput, jotka takertuvat toisiinsa. Materiaalitieteilijä englanninkielisessä Wikipediassa. Lähde: Wikimedia Commons.

Niiden vetolujuus on suurempi kuin teräksen. Tämä tarkoittaa, että niillä on suuri murtumiskestävyys, kun ne altistetaan stressille. Teoriassa ne voivat olla satoja kertoja vahvempia kuin teräs.

Ne ovat erittäin joustavia, ne voidaan taivuttaa, kiertää ja taittaa vaurioittamatta ja palata sitten alkuperäiseen muotoonsa. Ne ovat erittäin kevyitä.

Ne ovat hyviä lämmön ja sähkönjohtajia. Heidän sanotaan käyttävän erittäin monipuolista elektronista käyttäytymistä tai niiden korkeaa sähköä johtavuutta.

CNT-putket, joiden kuusikulmio on järjestetty nojatuolin muotoon, ovat metallisesti käyttäytyviä tai samanlaisia kuin metallit.

Siksak-muotoon ja kierteisiin kuvioihin järjestetyt voivat olla metallisia ja puolijohteita.

Kemiallisia ominaisuuksia

Hiiliatomiensa välisten sidosten lujuudesta johtuen CNT: t kestävät erittäin korkeita lämpötiloja (750 ° C ilmanpaineessa ja 2800 ° C tyhjiössä).

Nanoputkien päät ovat kemiallisesti reaktiivisempia kuin lieriömäinen osa. Jos ne hapetetaan, päät hapetetaan ensin. Jos putket ovat kiinni, päät avautuvat.

Kun typpihapolla käsiteltyä HNO ₃ tai rikkihappoa H ₂ SO ₄ tietyissä olosuhteissa CNT: t voivat muodostaa karboksyylihappo-ryhmiä, COOH tai kinoni-ryhmiä, O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT: t, joiden halkaisija on pienempi, ovat reaktiivisempia. Hiilinanoputket voivat sisältää muiden lajien atomeja tai molekyylejä sisäisissä kanavissaan.

Liukoisuus

Koska CNT-yhdisteiden pinnalla ei ole funktionaalista ryhmää, se on erittäin hydrofobinen, ts. Se on erittäin huonosti yhteensopiva veden kanssa eikä liukene siihen tai ei-polaarisiin orgaanisiin liuottimiin.

CNT: t saattavat kuitenkin muuttua liukoisiksi, jos ne saatetaan reagoimaan joidenkin yhdisteiden kanssa. Esimerkiksi typpihappo HNO ₃ voidaan liuottaa joitakin amidi liuottimet, tietyissä olosuhteissa.

Biokemialliset ominaisuudet

Puhtaat hiilinanoputket ovat bioyhteensopivia, mikä tarkoittaa, että ne eivät ole yhteensopivia tai liittyvät elämään tai eläviin kudoksiin. Ne tuottavat kehosta immuunivasteen, koska niitä pidetään aggressiivisina elementeinä.

Tästä syystä tutkijat modifioivat niitä kemiallisesti siten, että kehon kudokset hyväksyvät ne ja niitä voidaan käyttää lääketieteellisissä sovelluksissa.

Ne voivat olla vuorovaikutuksessa makromolekyylien, kuten proteiinien ja DNA: n kanssa, joka on proteiini, joka muodostaa elävien olentojen geenit.

Saada

Hiilinanoputket valmistetaan grafiitista erilaisilla tekniikoilla, kuten laserpulssihöyrystyksellä, sähkökaaripurkauksella ja kemiallisella höyrystöllä.

Ne on myös saatu hiilimonoksidin (CO) korkeapainevirrasta katalyyttisellä kasvulla kaasufaasissa.

Metallisten katalyyttien läsnäolo joissakin tuotantomenetelmissä auttaa moniseinäisten nanoputkien kohdistamisessa.

Hiilinanoputki ei kuitenkaan ole molekyyli, joka osoittautuu aina samalta. Valmistusmenetelmän ja olosuhteiden mukaan niillä saadaan erilainen pituus, halkaisija, rakenne, paino ja seurauksena niillä on erilaiset ominaisuudet.

Hiilinanoputkien sovellukset

CNT: n ominaisuudet tekevät niistä sopivia monenlaisiin käyttötarkoituksiin.

Niitä on käytetty elektroniikan, optiikan, muovien ja muiden tuotteiden rakennemateriaaleissa nanoteknologian, ilmailu- ja autoteollisuuden aloilla.

Hiilinanoputkilla on monia erilaisia käyttötarkoituksia. Tämä on todellinen kuva hiilinanoputkista, jotka on saatu elektronimikroskoopilla. Ilmar Kink. Lähde: Wikimedia Commons.

Koostumukset tai materiaaliseokset CNT: n kanssa

CNT: t on yhdistetty polymeerien kanssa erittäin suorituskykyisten vahvistettujen polymeerikuitujen ja -kankaiden valmistamiseksi. Niitä on esimerkiksi käytetty vahvistamaan polyakryylinitriilikuituja puolustustarkoituksiin.

CNT-seokset polymeerien kanssa voidaan myös suunnitella omaamaan erilaisia sähköä johtavia ominaisuuksia. Ne eivät paranna vain polymeerin lujuutta ja jäykkyyttä, vaan lisäävät myös sähkönjohtavuuden ominaisuuksia.

CNT-kuituja ja -kankaita valmistetaan myös samankaltaisilla lujuuksilla kuin alumiini ja hiiliteräs, mutta jotka ovat näitä huomattavasti kevyempiä. Vartalopanssari on suunniteltu sellaisilla kuiduilla.

Niitä on käytetty myös kestävämpien keraamien saamiseen.

Elektroniikkalaitteet

Hiilinanoputkilla on suuri potentiaali tyhjiöelektroniikassa, nanolaitteissa ja energian varastoinnissa.

CNT: t voivat toimia diodeina, transistoreina ja releinä (sähkömagneettiset laitteet, jotka mahdollistavat sähköpiirien avaamisen ja sulkemisen).

Ne voivat myös emittoida elektroneja, kun ne altistetaan sähkökentälle tai jännite kytketään.

Kaasu-anturit

CNT: n käyttö kaasuantureissa antaa niiden olla pieniä, kompakteja ja kevyitä ja että ne voidaan yhdistää elektronisiin sovelluksiin.

CNT: n elektroninen kokoonpano tekee anturit erittäin herkiksi erittäin pienille kaasumäärille ja lisäksi CNT: t voidaan mukauttaa kemiallisesti tiettyjen kaasujen havaitsemiseksi.

Lääketieteelliset sovellukset

Korkean pinta-alansa, erinomaisen kemiallisen stabiilisuutensa ja elektronirikkaan polyaromaattisen rakenteensa vuoksi CNT: t voivat adsorboitua tai konjugoitua monien erilaisten terapeuttisten molekyylien, kuten lääkkeiden, proteiinien, vasta-aineiden, entsyymien, rokotteiden jne. Kanssa.

Ne ovat osoittautuneet erinomaisiksi ajoneuvoiksi lääkkeiden kuljettamiseen ja toimittamiseen, tunkeutuen suoraan soluihin ja pitäen lääkkeen ehjänä kuljettaessaan kehon läpi.

Jälkimmäinen antaa mahdollisuuden vähentää lääkkeen annosta ja sen toksisuutta, etenkin syöpälääkkeitä.

CNT: t ovat osoittautuneet käyttökelpoisiksi syövän, infektioiden, kudosten uudistamisen, neurodegeneratiivisten sairauksien ja antioksidanttien hoidossa.

Niitä käytetään myös sairauksien diagnosoinnissa, tietyissä analyyseissä, kuten biosensoreissa, lääkkeiden erottamisessa ja biokemiallisten yhdisteiden uuttamisessa.

Niitä käytetään myös ortopedisissa proteeseissa ja tukimateriaalina luukudoksen kasvulle.

Muut sovellukset

Niitä on myös ehdotettu paristoiksi akku- ja polttokennokalvoille, anodeina litium-ioni-akkuille, superkondensaattoreille ja kemiallisille suodattimille.

Niiden korkea sähkönjohtavuus ja suhteellinen kemiallinen inertti tekevät niistä käyttökelpoisia elektrodeina sähkökemiallisissa reaktioissa.

Ne voivat myös tarttua reagenssipartikkeleihin ja suuren pinta-alansa vuoksi toimia katalysaattorina.

Niillä on myös kyky varastoida vetyä, mikä on erittäin hyödyllistä mainitulla kaasulla käyvissä ajoneuvoissa, koska CNT: llä se voidaan kuljettaa turvallisesti.

Hiilinanoputkien toksisuus

Tutkimukset ovat paljastaneet vaikeuksia CNT-yhdisteiden toksisuuden arvioinnissa. Tämä näyttää riippuvan ominaisuuksista, kuten pituudesta, jäykkyydestä, pitoisuudesta ja CNT-altistumisen kestosta. Se riippuu myös CNT: ien valmistusmenetelmästä ja puhtaudesta.

CNT-aineiden käsittelyssä on kuitenkin suositeltavaa käyttää suojavarusteita, koska on tutkimuksia, jotka osoittavat niiden samankaltaisuuden asbestikuitujen kanssa ja että CNT-pölyn hengittäminen voi vahingoittaa keuhkoja.

Hiilinanoputkien näytteitä punnitseva teknikko. Voit nähdä käyttämäsi suojavälineet. Yhdysvaltain kansallinen työturvallisuus- ja työterveyslaitos. Lähde: Wikimedia Commons.

Oikea kuva siitä, kuinka hiilinanoputki kulkee keuhkosolun läpi. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova ja Dale W. Porter / NIOSH. Lähde: Wikimedia Commons.

Viitteet

Basu-Dutt, S. et ai. (2012). Hiilinanoputkien kemia kaikille. J. Chem. Educ., 2012, 89, 221 - 229. Palautettu pubs.acs.org-sivustosta.
Monthioux, M. ja Kuznetsov, VL (toimittajat). (2006). Kenelle pitäisi antaa tunnustusta hiilinanoputkien löytämisestä? Hiili 44 (2006) 1621-1623. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
Eatemadi, A. et ai. (2014). Hiilinanoputket: ominaisuudet, synteesi, puhdistus ja lääketieteelliset sovellukset. Nanoskaalan tutkimuskirjeet 2014, 9: 393. Palautettu osoitteesta ncbi.nlm.nih.gov.
Sajid, MI et ai. (2016) Hiilinanoputket synteesistä in vivo biolääketieteellisiin sovelluksiin. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Palautettu osoitteesta ncbi.nlm.nih.gov.
Ajayan, PM (1999). Nanoputket hiiltä. Chem., 1999, 99, 1787 - 1799. Palautettu pubs.acs.org-sivustosta.
Niyogi, S. et ai. (2002). Yksiseinäisten hiilinanoputkien kemia. Acc. Chem. Res., 2002, 35, 1105-1113. Palautettu pubs.acs.org-sivustosta.
Awasthi, K. et ai. (2005). Hiilinanoputkien synteesi. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Palautettu osoitteesta ncbi.nlm.nih.gov.
Grobert, N. (2007). Hiilinanoputket - puhdasta. Materialstoday-nide 10, numerot 1-2, sivut 28-35. Palautettu lukijalta.elsevier.com.
He, H. et ai. (2013). Hiilinanoputket: farmasian ja lääketieteen sovellukset. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Palautettu sivustolta ncbi.nlm.nih.gov.
Francis, AP ja Devasena, T. (2018). Hiilinanoputkien toksisuus: Katsaus. Toksikologia ja työterveys (2018) 34, 3. Palautettu osoitteesta journals.sagepub.com.
Harik, VM (2017). Hiilinanoputkien geometria sekä fagosytoosin ja toksisten vaikutusten mekanismit. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Palautettu osoitteesta ncbi.nlm.nih.gov.

HIILINANOPUTKET: RAKENNE, OMINAISUUDET, SOVELLUKSET, TOKSISUUS - KEMIA - 2025