Struktura ogljikovih nanocevk, lastnosti, aplikacije, toksičnost

The Ogljikove nanocevke So zelo majhne in zelo tanke jeklenke ali jeklenke, ki jih tvorijo samo ogljikovi atomi (c). Njegova cevasta struktura je vidna le prek elektronskih mikroskopov. Gre za trden črni material, ki ga tvorijo svežnji ali zelo majhni od več deset nanocevk, ki so skupaj zapletli zapleteno omrežje.

Predpona "nano" pomeni "zelo majhna". Beseda "nano", ki se uporablja pri merjenju, pomeni, da je to milmilonski del ukrepa. Na primer, nanometer (NM) je milmilonski del metra, torej 1 nm = 10^-9 m.

Vzorec ogljikovih nanocevk. Vidimo, da gre za črno črno trdno. Shaddack [cc by-s (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]. Vir: Wikimedia Commons.

Vsaka ogljikova nanocevka Tiny je sestavljena iz enega ali več grafitnih listov, valjanih na sebi. Uvrščeni so v preproste stenske nanocevke (ena sama valjana lamina) in več stenskih nanocevk (dva ali več jeklenk ena znotraj druge).

Ogljikove nanocevke so zelo močne, imajo veliko odpornost do preloma in so zelo prilagodljive. Zelo dobro vodijo toploto in elektriko. Prav tako sestavljajo zelo lahek material.

Te lastnosti so koristne na več področjih aplikacije, kot so avtomobilska, vesoljska, elektronska industrija. Uporabljali so jih tudi v medicini, na primer za prevoz in sproščanje zdravil proti raku, cepivi, beljakovinam itd.

Vendar je treba njegovo manipulacijo opraviti z zaščitno opremo, ker se vdihava lahko poškodba pljuč.

[TOC]

Odkritje ogljikovih nanocevk

V znanstveni skupnosti obstajajo različna mnenja o tem, kdo je odkril ogljikove nanocevke. Čeprav je na teh gradivih veliko raziskovalnih del, so spodaj omenjeni le nekateri pomembni datumi.

- Leta 1903 je francoski znanstvenik Pélado v vzorcu opazoval ogljikove filamente (za ta datum elektronski mikroskopi še niso bili na voljo).

- Leta 1950 je fizik Roger Bacon iz podjetja Union Carbide Company preučeval nekatere vzorce ogljikovih vlaken in opazoval slike nanopelusov ali nanobigot (prevod angleščine Nanowhiskers) Naravnost in priklenjen.

- Leta 1952 sta ruska znanstvenika Radushkevich in Lukyanovič objavila fotografije ogljikovih nanocevk, ki so jih sintetizirali sami in pridobljene z elektronskim mikroskopom, kjer je jasno opaziti, da gre za votle.

- Leta 1973 sta ruska znanstvenika Bochvar in Gal'Pern zaključila vrsto izračunov energijske ravni molekularnih orbitalov, ki kažejo, da se grafitni listi lahko zavijejo na sebe, ki tvorijo "votle molekule".

- Leta 1976 je Morinobu Endo opazoval ogljikova vlakna s središčem ahuecado, ki jo proizvaja piroliza benzena in ferocena pri 1000 ° C (piroliza je vrsta razgradnje, ki se pojavi z ogrevanjem pri zelo visokih temperaturah v odsotnosti kisika).

- Leta 1991 se je navdušenje sprostilo proti ogljikovim nanocevkam, potem ko je Sumio IIJima sintetizirala ogljikove igle, narejene z votlimi cevmi s tehniko električnega loka.

- Leta 1993 sta Sumio IIjima in Donald Bethune (ki delujeta neodvisno drug od drugega) hkrati odkrita preproste ogljikove nanocevke.

Interpretacije nekaterih virov, ki so se posvetovali

Po nekaterih virih informacij je zasluga za odkrivanje ogljikovih nanocevk ruskim znanstvenikom Radushusskevichom in Lukyanovichom leta 1952 leta 1952 leta 1952.

Menijo, da jim ni bilo zasluženih zaslug, ker je takrat obstajala tako imenovana "hladna vojna" in zahodni znanstveniki niso imeli dostopa do ruskih člankov. Poleg tega niso mnogi znali prevesti iz Rusa, kar je še dodatno odložilo, da je mogoče njihovo raziskavo analizirati v tujini.

Vam lahko služi: anomerni ogljik: kaj je, značilnosti, primeri

V mnogih člankih je pravilo, da je bil Iijima tisti, ki je leta 1991 odkril ogljikove nanocevke. Vendar nekateri raziskovalci ocenjujejo, da je vpliv dela Iijima posledica dejstva, da je znanost že dosegla zadostno stopnjo zrelosti, da bi ocenila pomen nanomaterialov.

Obstajajo tisti, ki trdijo, da v teh desetletjih fiziki na splošno niso brali revij za kemijo, kjer so že razpravljali o ogljikovih nanocevkah in da so jih iz tega razloga "presenetili" s člankom Iijima.

Toda vse to ne zmanjšuje visoke kakovosti dela Iijima leta 1991. In razlika v mnenju se vzdržuje.

Nomenklatura

- Ogljikove nanocevke ali CNT (kratica za angleščino Ogljikove nanocevke).

- Preproste stenske ogljikove nanocevke ali SWCN (angleška kratica Enostenske ogljikove nanocevke).

- Več stenskih ogljikovih nanocevk ali MWCN (angleška kratica Več-zinske ogljikove nanocevke).

Struktura

Fizična struktura

Ogljikove nanocevke so zelo tanke in majhne cevi ali jeklenke, katerih strukturo je mogoče videti le z elektronskim mikroskopom. Sestavljeni so iz lista grafita (grafena), valjanega v cev.

Ogljikov nanotubus je valjani grafit ali grafen list: (a) teoretični grafitni list, (b) teoretična slika valjane ali ogljikove nanotubo lamina. OpenTAX [CC by (https: // creativeCommons.Org/licence/by/4.0)]. Vir: Wikimedia Commons.

So ahuecadirane cilindrične molekule, sestavljene samo iz ogljikovih atomov. Ogljikovi atomi so razporejeni v obliki majhnih šesterokotnikov (6 -stranskih poligonov), podobnih benzenu in združeni med seboj (kondenzirani benčniki).

Risanje ogljikove nanocevke, kjer je mogoče opaziti majhne šestnajstega še heksagona. Uporabnik: GMDM [CC BY-S (http: // CreativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0/]]. Vir: Wikimedia Commons.

Cevi so lahko ali ne bodo pokrite v njihovih odprtinah in so lahko v primerjavi s premerom izjemno dolge. So enakovredni listi grafita (grafena), valjanih v brezšivne cevi.

Kemična struktura

CNT so polilaromatične strukture. Povezave med ogljikovimi atomi so kovalentne (to je, da niso ionske). Te povezave so znotraj iste ravnine in so zelo močne.

Moč povezav c = c naredi CNT zelo toge in odporne. Z drugimi besedami, stene teh cevi so zelo močne.

Sindikati zunaj ravnine so zelo šibki, kar pomeni, da med enim in drugo ni močnih sindikatov. Vendar so sile privlačnosti, ki omogočajo nastanek šopkov ali nanocevk.

Razvrstitev glede na število cevi

Ogljikove nanocevke so razdeljene v dve skupini: preproste stenske nanocevke ali SWCNT (kratica za angleščino Ogljikova nanocevka z eno steno) In več stenskih nanocevk ali MWCNT (kratica za angleščino Več-stenska ogljikova nanocevka).

Nanocevke Vrste: (1) resnična slika več stenskih nanotubusov, (2) Risba nanocevk na nanocevku, (3) grafit ali risba grafena. W2raphael [cc by-sa (http: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0/]]. Vir: Wikimedia Commons.

Preproste stenske ogljikove nanocevke (SWCNT) so sestavljene iz enega samega lista valjanega grafena, ki tvori cilinder, kjer se šesterokotniki odlično prilegajo, da tvorijo cev brez šiva.

Več stenskih ogljikovih nanocevk (MWCNT) tvorijo koncentrične jeklenke, nameščene okoli običajnega votlega središča, to je dva ali več votlih cilindrov, nameščenih drug v drugem.

Več stenskih nanocevk tvori dva ali več jeklenk, ena v drugem. Eric Wieer [CC by-S (https: // createCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]. Vir: Wikimedia Commons.Prava slika več stenske ogljikove nanocevke, pridobljene z elektronskim mikroskopom. Oksirane [cc by-sa (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/4.0)]. Vir: Wikimedia Commons.

Klasifikacija v skladu z obliko valjanja

Odvisno od načina, na katerem je grafenski list vpisovanje, je lahko zasnova, ki jo tvorijo šesterokotnik v CNT -jih: v obliki naslanjača, v obliki cikcaka in v vijačni ali kiralni obliki. In to vpliva na njegove lastnosti.

Vam lahko služi: pravila Hume-rotheryPrava podoba vijačnega ogljikovega nanotubusa ali kirala. Terer Yildirim (Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo - NIST) [javna domena]. Vir: Wikimedia Commons.

Fizične lastnosti

Ogljikove nanocevke so trdne. Skupaj se sestavljata, da tvorita šopke, tramove, šopke ali "strune" več deset nanocevk.

Prava slika ogljikovih nanocevk, pridobljenih z elektronskim mikroskopom. Vidimo, da tvorijo šopke, ki se med seboj zapletajo. MaterialSCienst pri angleški Wikipediji [CC by-S (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]. Vir: Wikimedia Commons.

Imajo napetostno silo, večjo od jekla. To pomeni, da imajo velik odpor, ko se prelomijo, ko se podvržejo napetosti. Teoretično so lahko stokrat močnejši od jekla.

So zelo elastični, se lahko upognejo, zasukajo in zložijo, ne da bi se poškodovali, nato pa se vrnejo v prvotno obliko. So zelo lahke.

So dobri vozniki toplote in električne energije. Govori se, da imajo zelo vsestransko elektronsko vedenje ali da imajo visoko elektronsko prevodnost.

CNT cevi, katerih šesterokotniki so razporejeni v obliki naslanjača, imajo kovinsko vedenje, podobno kot pri kovinah.

Tisti, razporejeni v cikcak in helikoidni, so lahko kovinski in polprevodniki.

Kemične lastnosti

Zaradi sile vezi med njihovimi ogljikovimi atomi lahko CNT prenesejo zelo visoke temperature (750 ° C pri atmosferskem tlaku in 2800 ° C pri vakuumu).

Konci nanocevk so kemično bolj reaktivni od valjastega dela. Če se podvržejo oksidaciji, se konci najprej oksidirajo. Če so epruvete zaprte konce.

Ob zdravljenju z dušikovo kislino hno₃ o h žveplova kislina₂SW₄ Pod določenimi pogoji lahko CNT tvorijo karboksilne -plaze ali kinon OR = C -C₄H₄-C = O.

CNT z manjšimi premeri so bolj reaktivni. Ogljikove nanocevke lahko v svojih notranjih kanalih vsebujejo atome ali molekule drugih vrst.

Topnost

Zaradi dejstva, da CNT nimajo nobene funkcionalne skupine na svoji površini, je to zelo hidrofobno, torej je izjemno malo združljivo z vodo in ni topno v tem ali v ne -polarnih organskih topilih.

Če pa se reagirajo z nekaterimi spojinami, so CNT lahko topni. Na primer z dušikovo kislino hno₃ V nekaterih pogojih jih je mogoče solubilizirati v nekaterih topilih Amida.

Biokemične lastnosti

Čiste ogljikove nanocevke so Bioyouch, kar pomeni, da niso združljive ali povezane z življenjem ali živimi tkivi. Iz organizma ustvarjajo imunski odziv, saj veljajo za agresivne elemente.

Zaradi tega jih znanstveniki kemično spreminjajo tako, da jih sprejmejo telesne tkanine in jih je mogoče uporabiti v medicinskih aplikacijah.

Lahko sodelujejo z makromolekulami, kot sta beljakovine in DNK, ki je beljakovine, ki tvorijo gene živih bitij.

Pridobivanje

Ogljikove nanocevke dobimo na podlagi grafita z različnimi tehnikami, kot so izhlapevanje z laserskimi impulzi, izpust električnega loka in kemično odlaganje hlapov.

Pridobljeni so bili tudi iz visokega ogljikovega monoksida (CO) toka s katalitično rastjo v plinski fazi.

Prisotnost kovinskih katalizatorjev v nekaterih metodah pridobivanja pomaga poravnati več stenskih nanocevk.

Vendar ogljikova nanocevka ni molekula, ki je vedno enaka. Glede na način priprave in pogojev dobimo z različno dolžino, premerom, strukturo, težo in posledično predstavljajo različne lastnosti.

Vam lahko služi: preprost mikroskop

Aplikacije ogljikovih nanocevk

Lastnosti CNT so primerne za najrazličnejše uporabe.

Uporabljali so se v strukturnih materialih za elektroniko, optiko, plastiko in druge izdelke na področju nanotehnologije, vesoljske industrije in avtomobilske proizvodnje.

Ogljikove nanocevke imajo zelo raznolike uporabe. To je resnična podoba ogljikovih nanocevk, pridobljenih z elektronskim mikroskopom. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // createCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]. Vir: Wikimedia Commons.

Sestave ali mešanice materialov s CNT

CNT so kombinirali s polimeri, da bi izdelali vlakna in krpo armiranih polimerov za visoko zmogljivost. Na primer so bili uporabljeni za okrepitev poliakrilonitrilnih vlaken za obrambne namene.

CNT mešanice s polimeri so lahko tudi zasnovane tako, da imajo različne lastnosti električne energije. Izboljšajo ne le trdnost in togost polimera, ampak dodajo tudi lastnosti električne prevodnosti.

Vlakna in tkanine CNT so prav tako izdelani z upori, podobnimi aluminijem in ogljikovim jeklom, vendar so veliko lažja od teh. S takšnimi vlakni so bili zasnovani telesni oklep.

Uporabljali so se tudi za pridobivanje bolj odporne keramike.

Elektronske naprave

Ogljikove nanocevke imajo velik potencial v vakuumski elektroniki, nanodispozitivnem in shranjevanju energije.

CNT lahko delujejo kot diode, tranzistorji in releji (elektromagnetne naprave, ki omogočajo odpiranje in zapiranje električnih vezij).

Lahko oddajajo tudi elektrone, če so podvrženi električnemu polju ali če se uporabi napetost.

Senzorji plina

Uporaba CNT v plinskih senzorjih jim omogoča, da so majhni, kompaktni in lahki, ki jih je mogoče kombinirati z elektronskimi aplikacijami.

Elektronska konfiguracija CNT -jev naredi senzorje zelo občutljive na izjemno majhne količine plinov, poleg tega pa je mogoče CNT kemično prilagoditi za zaznavanje določenih plinov.

Medicinske aplikacije

Zaradi svoje visoke površine lahko odlična kemična stabilnost in polilaromatična struktura, bogata z elektroni, CNT lahko adsorbirajo ali združijo z najrazličnejšimi terapevtskimi molekulami, kot so zdravila, beljakovine, protitelesa, encimi, cepiva itd.

Dokazali so se, da so odlična vozila za transport in sproščanje zdravil, neposredno prodirajo v celice in ohranjajo zdravila nedotaknjena med prevozom s strani telesa.

Slednje omogoča zmanjšanje odmerka medicine in njene strupenosti, zlasti zdravil proti raku.

CNT so bili koristni pri terapijah z rakom, okužbah, regeneraciji tkiv, nevrodegenerativnih boleznih in kot antioksidantih.

Uporabljajo se tudi pri diagnozi bolezni, pri nekaterih analizah, kot so biosenzorji, ločevanje zdravil in ekstrakcija biokemijskih spojin.

Uporabljajo se tudi v ortopedskih protezah in kot podporni material za rast kostnih tkiv.

Druge aplikacije

Njegova uporaba je bila predlagana tudi kot materiali za baterije in membrane gorivnih celic, litij -ionske baterije, supercelice in kemične filtre.

Njihova visoka električna in relativna prevodnost sta uporabna kot elektrode v elektrokemičnih reakcijah.

Prav tako se lahko držijo delcev reaktantov in za svoje veliko površinsko območje lahko delujejo kot podporniki katalizatorja.

Prav tako lahko shranijo vodik, ki najde veliko koristnost v vozilih, ki delajo s tem plinom, saj bi ga lahko z CNT varno prepeljali.

Toksičnost ogljikovih nanocevk

Študije so pokazale težave pri oceni strupenosti CNT. Zdi se, da je to odvisno od značilnosti, kot so dolžina, togost, koncentracija in trajanje izpostavljenosti CNT. Odvisno je tudi od metode proizvodnje in čistosti CNT.

Vendar je priporočljivo uporabljati zaščitno opremo med manipulacijo s CNT, ker obstajajo študije, ki kažejo na njihovo podobnost z azbestnimi vlakni in da lahko vdihavanje prahu CNS poškoduje pljuča.

Tehnik, ki tehta vzorce ogljikovih nanocevk. Zaščitne pripomočke, ki jih uporabljate. Ali.S. Nacionalni inštitut za varstvo in zdravje pri delu [javna domena]. Vir: Wikimedia Commons.Prava podoba, kako ogljikova nanocevka prečka celico pljuč. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, laži Wang, Lori a. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova in Dale W. Porter / Niosh [javna domena]. Vir: Wikimedia Commons.

Reference

1. Basu-dutt, s. et al. (2012). Kemija ogljikovih nanocevk za vse. J. Kem. Educa. 2012, 89, 221-229. Okrevani iz lokalov.Acs.org.
2. Meseci, m. in kuznetsov, v.L. (Uredniki). (2006). Kdo bi moral dobiti zasluge za odkritje ogljikovih nanotib? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Okrevano od Scientirect.com.
3. Eatemadi, a. et al. (2014). Ogljikove nanocevke: lastnosti, sinteza, čiščenje in medicinske aplikacije. NanoScale Research Letters 2014, 9: 393. NCBI si je opomogel.NLM.ameriški nacionalni inštitut za zdravje.Gov.
4. Saksid, m.Yo. et al. (2016) Ogljikove nanocevke od sinteze do In vivo Biomedicinske aplikacije. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI si je opomogel.NLM.ameriški nacionalni inštitut za zdravje.Gov.
5. Ajayan, str.M. (1999). Nanocevke iz ogljika. Kem. 1999, 99, 1787-1799. Okrevani iz lokalov.Acs.org.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Kemija enostenskih ogljikovih nanocevk. ACC. Kem. Govedina. 2002, 35, 1105-1113. Okrevani iz lokalov.Acs.org.
7. Awashi, k. et al. (2005). Sinteza ogljikovih nanocevk. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616–36. NCBI si je opomogel.NLM.ameriški nacionalni inštitut za zdravje.Gov.
8. Grobert, n. (2007). Ogljikove nanocevke - postanejo čiste. MaterialStoday zvezek 10, številke 1-2, strani 28-35. Okreval od bralca.Elsevier.com.
9. On, h. et al. (2013). Ogljikove nanocevke: aplikacije v farmaciji in medicini. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. NCBI si je opomogel.NLM.ameriški nacionalni inštitut za zdravje.Gov.
10. Frančišek, a.Str. in devase, t. (2018). Toksičnost ogljikovih nanocevk: pregled. Toksikologija in industrijsko zdravje (2018) 34, 3. Okreval iz revij.Sagepub.com.
11. Harik, v. M. (2017). Geometrija ogljikovih nanocevk in mehanizmov fagocitoze in strupenih učinkov. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI si je opomogel.NLM.ameriški nacionalni inštitut za zdravje.Gov.