Structura nanotuburilor de carbon, proprietăți, aplicații, toxicitate

794
Sherman Hoover
Structura nanotuburilor de carbon, proprietăți, aplicații, toxicitate

Nanotuburi de carbon sunt tuburi sau cilindri foarte mici și foarte subțiri alcătuite doar din atomi de carbon (C). Structura sa tubulară este vizibilă numai prin microscopuri electronice. Este un material negru solid, alcătuit din pachete foarte mici sau pachete de câteva zeci de nanotuburi, încurcate între ele formând o rețea complicată..

Prefixul „nano” înseamnă „foarte mic”. Cuvântul „nano” utilizat în măsurare înseamnă că este o miliardime dintr-o măsurătoare. De exemplu, un nanometru (nm) este o miliardime dintr-un metru, adică 1 nm = 10-9 m.

Probă de nanotuburi de carbon. Se poate observa că este un solid negru cu aspect de carbon. Shaddack [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Fiecare nanotub de carbon mic este format din una sau mai multe foi de grafit înfășurate în jurul lor. Acestea sunt clasificate în nanotuburi cu pereți unici (o singură foaie laminată) și nanotuburi cu pereți multipli (doi sau mai mulți cilindri unul în celălalt).

Nanotuburile de carbon sunt foarte puternice, au o rezistență ridicată la rupere și sunt foarte flexibile. Ei conduc foarte bine căldura și electricitatea. De asemenea, alcătuiesc un material foarte ușor.

Aceste proprietăți le fac utile în diferite domenii de aplicare, cum ar fi industria auto, aerospațială și electronică, printre altele. De asemenea, au fost folosite în medicină, de exemplu pentru transportul și livrarea de medicamente anticanceroase, vaccinuri, proteine ​​etc..

Cu toate acestea, manipularea acestuia trebuie făcută cu echipament de protecție, deoarece atunci când sunt inhalate pot provoca leziuni la plămâni..

Indice articol

  • 1 Descoperirea nanotuburilor de carbon
    • 1.1 Interpretări ale unor surse consultate
  • 2 Nomenclatură
  • 3 Structura
    • 3.1 Structura fizică
    • 3.2 Structura chimică
    • 3.3 Clasificare în funcție de numărul de tuburi
    • 3.4 Clasificare în funcție de forma înfășurării
  • 4 Proprietăți fizice
  • 5 Proprietăți chimice
    • 5.1 Solubilitate
  • 6 Proprietăți biochimice
  • 7 Obținerea
  • 8 Aplicații ale nanotuburilor de carbon
    • 8.1 Compoziții sau amestecuri de materiale cu CNT
    • 8.2 Dispozitive electronice
    • 8.3 Senzori de gaz
    • 8.4 Aplicații medicale
    • 8.5 Alte aplicații
  • 9 Toxicitatea nanotuburilor de carbon
  • 10 Referințe

Descoperirea nanotuburilor de carbon

Există opinii diferite în comunitatea științifică despre cine a descoperit nanotuburile de carbon. Deși există multe lucrări de cercetare privind aceste materiale, doar câteva date importante sunt menționate mai jos..

- În 1903, omul de știință francez Pélabon a observat filamente de carbon într-o probă (microscopii electronici nu erau încă disponibili în acest moment).

- În 1950, fizicianul Roger Bacon de la compania Union Carbide studia anumite probe de fibre de carbon și a observat imagini de nano-puf sau nanobigoți. nanohiscuri) drept și gol.

- În 1952, oamenii de știință ruși Radushkevich și Lukyanovich au publicat fotografii cu imagini cu nanotuburi de carbon sintetizate de ei înșiși și obținute cu un microscop electronic, unde se observă în mod clar că sunt goale.

- În 1973, oamenii de știință ruși Bochvar și Gal'pern au finalizat o serie de calcule ale nivelurilor de energie ale orbitalilor moleculari, arătând că foile de grafit se pot răsuci în „molecule goale”..

- În 1976, Morinobu Endo a observat fibre de carbon cu un centru gol produs de piroliza benzenului și ferocenului la 1000 ° C (piroliza este un tip de descompunere care are loc cu încălzirea la temperaturi foarte ridicate în absența oxigenului).

- În 1991, entuziasmul pentru nanotuburile de carbon a fost declanșat după ce Sumio Iijima a sintetizat ace de carbon realizate din tuburi goale folosind tehnica arcului electric..

- În 1993, Sumio Iijima și Donald Bethune (lucrând independent unul de celălalt) au descoperit simultan nanotuburi de carbon cu pereți unici..

Interpretări ale unor surse consultate

Potrivit unor surse de informații, probabil că meritul pentru descoperirea nanotuburilor de carbon ar trebui acordat oamenilor de știință ruși Radushkevich și Lukyanovich în 1952.

Se crede că nu li s-a acordat meritul meritat, deoarece în acel timp a existat așa-numitul „război rece” și oamenii de știință occidentali nu aveau acces la articole rusești. În plus, nu mulți au știut să traducă din rusă, ceea ce a întârziat și mai mult că cercetarea lor ar putea fi analizată în străinătate..

În multe articole se spune că Iijima a fost cel care a descoperit nanotuburile de carbon în 1991. Cu toate acestea, unii cercetători estimează că impactul muncii lui Iijima se datorează faptului că știința a atins deja un grad suficient de maturitate pentru a aprecia importanța carbonului nanotuburi.nanomateriale.

Există cei care afirmă că în acele decenii fizicienii nu citeau în general articole în reviste de chimie, unde se discutau deja nanotuburi de carbon și că din acest motiv au fost „surprinși” de articolul lui Iijima.

Dar toate acestea nu diminuează calitatea înaltă a operei lui Iijima din 1991. Și diferența de opinie rămâne.

Nomenclatură

- Nanotuburi de carbon sau CNT. Nanotuburi de carbon).

- Nanotuburi de carbon cu pereți unici sau SWCNT. NanoTuburi din carbon cu un singur perete).

- Nanotuburi de carbon cu pereți multipli sau MWCNT. NanoTuburi din carbon cu pereți multipli).

Structura

Structura fizică

Nanotuburile de carbon sunt tuburi sau cilindri foarte fini și mici a căror structură poate fi văzută doar cu un microscop electronic. Acestea constau dintr-o foaie de grafit (grafen) rulată într-un tub.

Un nanotub de carbon este o foaie laminată de grafit sau grafen: (a) imagine teoretică a unei foi de grafit, (b) imagine teoretică a unei foi laminate sau nanotub de carbon. OpenStax [CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Sunt molecule cilindrice scobite, compuse exclusiv din atomi de carbon. Atomii de carbon sunt aranjați sub formă de mici hexagoane (poligoane cu 6 fețe) similare cu benzenul și legate între ele (inele de benzen condensate).

Desenarea unui nanotub de carbon unde puteți vedea micile hexagoane a 6 atomi de carbon. Utilizator: Gmdm [CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Tuburile pot fi sau nu înfundate la deschiderile lor și pot fi extrem de lungi în comparație cu diametrul lor. Ele sunt echivalente cu foi de grafit (grafen) laminate în tuburi fără sudură.

Structura chimică

CNT-urile sunt structuri poliaromatice. Legăturile dintre atomii de carbon sunt covalente (adică nu sunt ionice). Aceste legături se află în același plan și sunt foarte puternice.

Puterea legăturilor C = C face CNT-urile foarte rigide și puternice. Cu alte cuvinte, pereții acestor tuburi sunt foarte puternici..

Îmbinările în afara planului sunt foarte slabe, ceea ce înseamnă că nu există îmbinări puternice între un tub și altul. Cu toate acestea, acestea sunt forțe de atracție care permit formarea de pachete sau pachete de nanotuburi..

Clasificare în funcție de numărul de tuburi

Nanotuburile de carbon sunt împărțite în două grupuri: nanotuburi cu perete unic sau SWCNT. NanoTube de carbon cu perete unic) și nanotuburi cu pereți multipli sau MWCNT. NanoTube multi-perete din carbon).

Tipuri de nanotuburi: (1) imagine reală cu nanotuburi cu pereți multipli, (2) desen cu nanotuburi cu pereți unici, (3) desen cu foi de grafit sau grafen. W2raphael [CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Nanotuburile de carbon cu pereți unici (SWCNT) constau dintr-o singură foaie de grafen rulată într-un cilindru, unde vârfurile hexagonelor se potrivesc perfect pentru a forma un tub fără sudură.

Nanotuburile de carbon cu pereți multipli (MWCNT) sunt alcătuite din cilindri concentrici așezați în jurul unui centru comun comun, adică doi sau mai mulți cilindri goi așezați unul în celălalt..

Nanotuburile cu pereți multipli sunt formate din doi sau mai mulți cilindri unul în interiorul celuilalt. Eric Wieser [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Sursa: Wikimedia Commons.
Imagine reală a unui nanotub de carbon cu pereți multipli obținut cu un microscop electronic. Oxirane [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Clasificare în funcție de forma înfășurării

În funcție de modul în care este rulată foaia de grafen, modelul format de hexagonele din CNT poate fi: în formă de scaun, în formă de zigzag și elicoidal sau chiral. Și acest lucru îi influențează proprietățile.

Imagine reală a nanotubului de carbon chiral sau elicoidal. Taner Yildirim (Institutul Național de Standarde și Tehnologie - NIST) [Domeniul public]. Sursa: Wikimedia Commons.

Proprietăți fizice

Nanotuburile de carbon sunt solide. Acestea se reunesc pentru a forma buchete, mănunchiuri, mănunchiuri sau „șiruri” de câteva zeci de nanotuburi, încâlcite între ele formând o rețea foarte densă și complicată.

Imagine reală a nanotuburilor de carbon obținută cu un microscop electronic. Se poate vedea că formează mănunchiuri care se încurcă între ele. Științific material la Wikipedia engleză [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Au o rezistență la tracțiune mai mare decât cea a oțelului. Aceasta înseamnă că au o rezistență ridicată la rupere atunci când sunt supuși stresului. În teorie, ele pot fi de sute de ori mai puternice decât oțelul.

Sunt foarte elastice, pot fi îndoite, răsucite și pliate fără deteriorări și apoi readuse la forma inițială. Sunt foarte ușoare.

Sunt buni conductori de căldură și electricitate. Se spune că au un comportament electronic foarte versatil sau au o conductivitate electronică ridicată.

Tuburile CNT ale căror hexagone sunt dispuse în formă de fotoliu au un comportament metalic sau similar cu cel al metalelor.

Cele dispuse în formă de zigzag și elicoidale pot fi metalice și semiconductoare.

Proprietăți chimice

Datorită rezistenței legăturilor dintre atomii lor de carbon, CNT-urile pot rezista la temperaturi foarte ridicate (750 ° C la presiunea atmosferică și 2800 ° C sub vid)..

Capetele nanotuburilor sunt chimic mai reactive decât partea cilindrică. Dacă sunt supuse oxidării, capetele sunt oxidate mai întâi. Dacă tuburile sunt închise capetele se deschid.

Când este tratat cu acid azotic HNO3 sau acid sulfuric HDouăSW4 în anumite condiții CNT-urile pot forma grupări de tip carboxilic -COOH sau grupări de tip chinonă O = C-C4H4-C = O.

CNT-urile cu diametre mai mici sunt mai reactive. Nanotuburile de carbon pot conține atomi sau molecule ale altor specii în canalele lor interne.

Solubilitate

Datorită faptului că CNT-urile nu au nicio grupă funcțională pe suprafața lor, este foarte hidrofob, adică este extrem de slab compatibil cu apa și nu este solubil în ea sau în solvenți organici nepolari..

Cu toate acestea, dacă reacționează cu unii compuși, CNT-urile pot deveni solubile. De exemplu cu acidul azotic HNO3 poate fi solubilizat în anumiți solvenți de tip amidă în anumite condiții.

Proprietăți biochimice

Nanotuburile de carbon pure sunt bioincompatibile, ceea ce înseamnă că nu sunt compatibile sau nu au legătură cu viața sau țesuturile vii. Acestea generează un răspuns imun din partea corpului, deoarece sunt considerate elemente agresive.

Din acest motiv, oamenii de știință le modifică chimic în așa fel încât să fie acceptate de țesuturile corpului și să poată fi utilizate în aplicații medicale..

Ele pot interacționa cu macromoleculele, cum ar fi proteinele și ADN-ul, care este proteina care alcătuiește genele ființelor vii.

Obținerea

Nanotuburile de carbon sunt obținute din grafit prin diverse tehnici, cum ar fi vaporizarea utilizând impulsuri laser, descărcări de arc electric și depunere chimică de vapori..

Acestea au fost, de asemenea, obținute dintr-un flux de presiune ridicată de monoxid de carbon (CO) prin creștere catalitică în faza gazoasă..

Prezența catalizatorilor metalici în unele metode de producție ajută la alinierea nanotuburilor cu pereți multipli.

Cu toate acestea, un nanotub de carbon nu este o moleculă care rezultă întotdeauna la fel. În funcție de metoda de preparare și de condiții, acestea se obțin cu lungime, diametru, structură, greutate diferite și, prin urmare, prezintă proprietăți diferite..

Aplicații cu nanotuburi de carbon

Proprietățile CNT le fac potrivite pentru o mare varietate de utilizări.

Acestea au fost utilizate în materiale structurale pentru electronică, optică, materiale plastice și alte produse din domeniile nanotehnologiei, aerospațiale și producției auto..

Nanotuburile de carbon au multe utilizări diferite. Aceasta este o imagine reală a nanotuburilor de carbon obținute cu un microscop electronic. Ilmar Kink [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Sursa: Wikimedia Commons.

Compoziții sau amestecuri de materiale cu CNT

CNT-urile au fost combinate cu polimeri pentru a produce țesături și fibre din polimer armat de înaltă performanță. De exemplu, acestea au fost utilizate pentru întărirea fibrelor de poliacrilonitril în scopuri de apărare..

Amestecurile de CNT cu polimeri pot fi, de asemenea, proiectate pentru a avea proprietăți conductoare electrice diferite. Acestea îmbunătățesc nu numai rezistența și rigiditatea polimerului, ci adaugă și proprietăți de conductivitate electrică.

Fibrele și țesăturile sunt fabricate și din CNT-uri cu rezistențe similare cu cele ale aluminiului și oțelului carbon, dar care sunt mult mai ușoare decât acestea. Armura corporală a fost proiectată cu astfel de fibre.

De asemenea, au fost folosite pentru a obține ceramică mai rezistentă.

Dispozitive electronice

Nanotuburile de carbon au un mare potențial în electronica de vid, nanodispozitive și stocarea energiei.

CNT-urile pot funcționa ca diode, tranzistoare și relee (dispozitive electromagnetice care permit deschiderea și închiderea circuitelor electrice).

De asemenea, pot emite electroni atunci când sunt supuși unui câmp electric sau dacă este aplicată o tensiune..

Senzori de gaz

Utilizarea CNT-urilor în senzorii de gaz le permite să fie mici, compacte și ușoare și că pot fi combinate cu aplicații electronice.

Configurația electronică a CNT face senzorii foarte sensibili la cantități extrem de mici de gaze și, în plus, CNT-urile pot fi adaptate chimic pentru a detecta gaze specifice..

Aplicații medicale

Datorită suprafeței lor ridicate, stabilității chimice excelente și structurii poliaromatice bogate în electroni, CNT-urile se pot adsorbi sau conjuga cu o mare varietate de molecule terapeutice, cum ar fi medicamente, proteine, anticorpi, enzime, vaccinuri etc..

S-au dovedit a fi vehicule excelente pentru transportul și livrarea medicamentelor, pătrunzând direct în celule și păstrând medicamentul intact în timpul transportului său prin corp..

Acesta din urmă face posibilă reducerea dozei de medicament și a toxicității acestuia, în special a medicamentelor împotriva cancerului..

CNT s-au dovedit utile în terapiile împotriva cancerului, infecțiilor, regenerării țesuturilor, bolilor neurodegenerative și ca antioxidanți..

Ele sunt, de asemenea, utilizate în diagnosticul bolilor, în anumite analize, cum ar fi biosenzorii, separarea medicamentelor și extracția compușilor biochimici..

Ele sunt, de asemenea, utilizate în proteze ortopedice și ca material de sprijin pentru creșterea țesutului osos..

Alte aplicatii

Utilizarea lor a fost, de asemenea, sugerată ca materiale pentru membranele pentru baterii și celule de combustibil, anodi pentru bateriile litiu-ion, supercondensatori și filtre chimice..

Conductivitatea electrică ridicată și relativă inertitate chimică le fac utile ca electrozi în reacțiile electrochimice..

De asemenea, pot adera la particulele reactante și, datorită suprafeței lor mari, pot funcționa ca suporturi pentru catalizatori..

De asemenea, au capacitatea de a stoca hidrogen, ceea ce este foarte util în vehiculele care funcționează cu gazul menționat, deoarece cu CNT-urile ar putea fi transportat în siguranță..

Toxicitatea nanotuburilor de carbon

Studiile au relevat dificultăți în evaluarea toxicității CNT. Acest lucru pare să depindă de caracteristici precum lungimea, rigiditatea, concentrația și durata expunerii la CNT. Depinde și de metoda de producție și de puritatea CNT-urilor..

Cu toate acestea, se recomandă utilizarea echipamentului de protecție la manipularea CNT, deoarece există studii care indică similitudinea lor cu fibrele de azbest și că inhalarea prafului CNT poate provoca leziuni la plămâni..

Tehnician cântărind probe de nanotuburi de carbon. Puteți vedea instrumentele de protecție pe care le folosește. S.U.A. Institutul Național pentru Securitate și Sănătate în Muncă [Domeniul public]. Sursa: Wikimedia Commons.
Imagine reală a modului în care un nanotub de carbon trece printr-o celulă dintr-un plămân. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova și Dale W. Porter / NIOSH [Domeniul public]. Sursa: Wikimedia Commons.

Referințe

  1. Basu-Dutt, S. și colab. (2012). Chimia nanotuburilor de carbon pentru toată lumea. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Recuperat de la pubs.acs.org.
  2. Monthioux, M. și Kuznetsov, V.L. (editori). (2006). Cui ar trebui să i se acorde creditul pentru descoperirea nanotuburilor de carbon? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Recuperat de la sciencedirect.com.
  3. Eatemadi, A. și colab. (2014). Nanotuburi de carbon: proprietăți, sinteză, purificare și aplicații medicale. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Recuperat de la ncbi.nlm.nih.gov.
  4. Sajid, M.I. și colab. (2016) Nanotuburi de carbon de la sinteză la in vivo aplicații biomedicale. Jurnalul Internațional de Farmacie 501 (2016) 278-299. Recuperat de la ncbi.nlm.nih.gov.
  5. Ajayan, P.M. (1999). Nanotuburi din carbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Recuperat de la pubs.acs.org.
  6. Niyogi, S. și colab. (2002). Chimia nanotuburilor de carbon cu pereți unici. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Recuperat de la pubs.acs.org.
  7. Awasthi, K. și colab. (2005). Sinteza nanotuburilor de carbon. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Recuperat de la ncbi.nlm.nih.gov.
  8. Grobert, N. (2007). Nanotuburile de carbon - devenind curate. Materialstoday Volumul 10, Numărurile 1-2, paginile 28-35. Recuperat de la reader.elsevier.com.
  9. El, H. și colab. (2013). Nanotuburi de carbon: aplicații în farmacie și medicină. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Recuperat de la ncbi.nlm.nih.gov.
  10. Francis, A.P. și Devasena, T. (2018). Toxicitatea nanotuburilor de carbon: o revizuire. Toxicologie și sănătate industrială (2018) 34, 3. Recuperat de la journals.sagepub.com.
  11. Harik, V. M. (2017). Geometria nanotuburilor de carbon și mecanismele de fagocitoză și efectele toxice. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Recuperat de la ncbi.nlm.nih.gov.

Nimeni nu a comentat acest articol încă.