Hiilinanoputkien rakenne, ominaisuudet, sovellukset, toksisuus

Se Hiilinanoputket Ne ovat hyvin pieniä ja erittäin ohuita sylintereitä tai sylintereitä, jotka muodostuvat vain hiiliatomien (c). Sen putkimainen rakenne on näkyvissä vain elektronisten mikroskooppien avulla. Se on kiinteä musta materiaali, joka on muodostettu kimppuilla tai hyvin pieni useista kymmenistä nanoputkista, jotka sotkeutuvat yhteen monimutkaisen verkon muodostaen.

"Nano" -liite tarkoittaa "hyvin pientä". Mittauksessa käytetty sana "nano" tarkoittaa, että se on millonilainen osa mittausta. Esimerkiksi nanometri (NM) on mittarin Millmillonese osa, ts. 1 nm = 10^-9 m.

Hiilinanoputket. Voidaan nähdä, että se on mustan näköinen musta kiinteä. Shaddack [CC BY-S (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0)]. Lähde: Wikimedia Commons.

Jokainen pieni hiilinanoputki koostuu yhdestä tai useammasta grafiittialustasta, joka on rullattu itse. Ne luokitellaan yksinkertaisiin seinän nanoputkiin (yksi valssattu lamina) ja moniin seinän nanoputkiin (kaksi tai useampia sylintereitä toisessa).

Hiilinanoputket ovat erittäin vahvoja, niillä on suuri katkaisukeskianen ja ovat erittäin joustavia. He johtavat lämpöä ja sähköä erittäin hyvin. Ne muodostavat myös erittäin kevyen materiaalin.

Nämä ominaisuudet tekevät niistä hyödyllisiä monilla sovellusalueilla, kuten muun muassa auto-, ilmailu- ja elektroniikkateollisuus. Niitä on käytetty myös lääketieteessä, esimerkiksi lääkkeiden kuljettamiseen ja vapauttamiseen syöpää, rokotteita, proteiineja jne.

Sen manipulointi on kuitenkin tehtävä suojauslaitteilla, koska ne hengitetään voi vahingoittaa keuhkoja.

[TOC]

Hiilinanoputkien löytäminen

Tiedeyhteisössä on erilaisia ​​mielipiteitä siitä, kuka löysi hiilinanoputkia. Vaikka näissä materiaaleissa on monia tutkimustyötä, jäljempänä mainitaan vain joitain tärkeitä päivämääriä.

- Vuonna 1903 Pélado -ranskalainen tiedemies havaitsi näytteessä hiililaitteita (tälle päivämäärälle elektroniset mikroskoopit eivät vielä olleet saatavilla).

- Vuonna 1950 Union Carbide Company -yrityksen fyysikko Roger Bacon tutki tiettyjä hiilikuituja ja havaittuja kuvia nanopeluksista tai nanobigotteista (englanninkielinen käännös Nanowhiskers) Suora ja koukussa.

- Vuonna 1952 venäläiset tutkijat Radushkevich ja Lukyanovich lähettivät valokuvia itsessään syntetisoimista hiilinanoputkista ja saatiin elektronisella mikroskoopilla, missä selvästi havaitaan, että ne ovat onttoja.

- Vuonna 1973 venäläiset tutkijat Bochvar ja Gal'pern suorittivat sarjan laskelmia molekyyliorbitaalien energiatasoista, jotka osoittivat, että grafiittiarkit voivat käpristyä itse muodostaen "ontot molekyylit".

- Vuonna 1976 Morinobu Endo havaitsi hiilikuituja bentseenin ja ferroseenin pyrolyysin tuottamalla ahuecado -keskuksella 1000 ° C: ssa (pyrolyysi on eräänlainen hajoaminen, joka tapahtuu kuumentamalla erittäin korkeissa lämpötiloissa hapen puuttuessa).

- Vuonna 1991 innostus vapautettiin hiilinanoputkien suhteen sen jälkeen, kun Sumio IIJIMA syntetisoitiin ontoilla putkilla valmistettuja hiili -neuloja sähkökaaritekniikan kautta.

- Vuonna 1993 Sumio IIJima ja Donald Bethune (työskentelevät toisistaan ​​riippumattomasti) löysivät samanaikaisesti yksinkertaiset hiilinanoputket.

Joidenkin kuultujen lähteiden tulkinnat

Joidenkin tietolähteiden mukaan hiilinanoputkien löytämisen ansio venäläisille tutkijoille Radushkevichille ja Lukyanovichille vuonna 1952 vuonna 1952.

Uskotaan, että heille ei annettu ansaittua luottoa, koska tuolloin oli niin kutsuttu "kylmä sota" ja länsimaiset tutkijat eivät saaneet Venäjän artikkeleita. Lisäksi monet eivät tienneet kääntyä venäläiseltä, mikä viivästyi edelleen, että heidän tutkimustaan ​​voidaan analysoida ulkomailla.

Voi palvella sinua: anomeerinen hiili: Mikä on, ominaisuudet, esimerkit

Monissa artikkeleissa sanotaan, että iijima löysi hiilinanoputkia vuonna 1991. Tietyt tutkijat kuitenkin arvioivat, että IIJiman työn vaikutus johtuu siitä, että tiede oli jo saavuttanut riittävän kypsyysasteen arvioidakseen nanomateriaalien merkitystä.

Jotkut vakuuttavat, että noina vuosikymmeninä fyysikot eivät yleensä lukeneet kemialehtiä, joissa hiilinanoputkia jo keskusteltiin ja että tästä syystä he olivat "yllättyneitä" artikkelissa Iijima.

Mutta kaikki tämä ei vähennä iijiman työn korkeaa laatua vuonna 1991. Ja mielipide -ero säilyy.

Nimikkeistö

- Hiilinanoputket tai CNT: t (lyhenne englanniksi Hiilinanoputket-A.

- Yksinkertaiset seinähiilinanoputket tai SWCN: t (englanninkielinen lyhenne Yksiseinäiset hiilinanoputket-A.

- Useita seinän hiilinanoputkia tai MWCNS (englanninkielinen lyhenne Moniseinäiset hiilinanoputket-A.

Rakenne

Fyysinen rakenne

Hiilinanoputket ovat erittäin ohuita ja pieniä putkia tai sylintereitä, joiden rakenne voidaan nähdä vain elektronisella mikroskoopilla. Ne koostuvat grafiittia (grafeeni), joka on rullattu putken muotoiseksi.

Hiilinanopubus on valssattu grafiitti- tai grafeenilevy: (a) teoreettinen grafiittiarkki, (b) rullatun tai hiilen nanopubo -laminan teoreettinen kuva. Opentax [cc by (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by/4.0)]. Lähde: Wikimedia Commons.

Ne ovat AHUECADED -lieriömäisiä molekyylejä, jotka koostuvat vain hiiliatomeista. Hiiliatomit on järjestetty pienten kuusikulmioon (6 -puolella monikulmio), jotka ovat samanlaisia ​​kuin bentseeni ja yhdistyneet toisiinsa (tiivistetyt benteeriset renkaat).

Hiilinanoputken piirtäminen, jossa voidaan havaita pieniä 6 hiiliatomien kuusikulmioonia. Käyttäjä: GMDM [CC BY-S (http: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0/]]. Lähde: Wikimedia Commons.

Putket voidaan peittää aukkoihinsa ja ne voivat olla erittäin pitkiä verrattuna niiden halkaisijoihin. Ne vastaavat grafiittia (grafeeni) -levyjä, jotka on rullattu saumattomiin putkiin.

Kemiallinen rakenne

CNT: t ovat polylaromaattisia rakenteita. Hiiliatomien väliset yhteydet ovat kovalenttisia (ts. Ne eivät ole ionisia). Nämä linkit ovat samassa tasossa ja ovat erittäin vahvoja.

Linkkien C = C lujuus tekee CNT: stä erittäin jäykän ja resistenttisen. Toisin sanoen näiden putkien seinät ovat erittäin vahvoja.

Koneiden ulkopuolella olevat ammattiliitot ovat erittäin heikkoja, mikä tarkoittaa, että yhden putken ja toisen välillä ei ole vahvoja ammattiliittoja. Ne ovat kuitenkin vetovoiman voimia, jotka sallivat nippujen tai nanoputkien muodostumisen.

Luokitus putkien lukumäärän mukaan

Hiilinanoputket on jaettu kahteen ryhmään: yksinkertaiset seinä nanoputket tai SWCNT (lyhenne englanniksi Yksiseinäinen hiilinanoputki) Ja useita seinän nanoputkia tai MWCNT (lyhenne englanniksi Moniseinäinen hiilen nanoputki-A.

Nanoputket tyypit: (1) Todellinen kuva monista seinän nanopubusista, (2) yksinkertainen seinän nanoputkistopiirros, (3) grafiitti- tai grafeenilevypiirustus. W2Raphael [CC BY-SA (http: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0/]]. Lähde: Wikimedia Commons.

Yksinkertaiset seinähiilinanoputket (SWCNT) koostuu yhdestä valssatun grafeenin arkista, joka muodostaa sylinterin, jossa kuusikulmiot sopivat täydellisesti putken muodostamiseksi ilman saumaa.

Useita seinän hiilinanoputkia (MWCNT) muodostetaan samankeskisillä sylintereillä, jotka on sijoitettu yhteisen onton keskuksen ympärille, ts. Kaksi tai useampaa onttoja sylintereitä, jotka on sijoitettu toisiinsa.

Kaksi tai useampaa sylinteriä muodostuu useita seinän nanoputkia toisessa. Eric Wieer [CC BY-S (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0)]. Lähde: Wikimedia Commons.Oikea kuva monista seinämän hiilinanoputkesta, joka on saatu elektronisella mikroskoopilla. Oxirane [CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/4.0)]. Lähde: Wikimedia Commons.

Luokittelu liikkuvan muodon mukaan

Grafeenilevyn ilmoittautumisesta riippuen malli, jonka heksagonit muodostuvat CNT: ssä, voi olla: nojatuolin muodossa, siksak -muodossa ja kierteisessä tai kiraalisessa muodossa. Ja tämä vaikuttaa sen ominaisuuksiin.

Voi palvella sinua: Hume-rothery -säännötTodellinen kuva kierteisestä hiilinanopubusta tai kiraalista. Terer Yildirim (kansallinen standardien ja tekniikan instituutti - NIST) [julkinen alue]. Lähde: Wikimedia Commons.

Fyysiset ominaisuudet

Hiilinanoputket ovat kiinteitä. Ne kokoontuvat muodostamaan kimppuja, palkkeja, kimppuja tai "jousia" useiden kymmenien nanoputkien kanssa, estävät toisiaan muodostaen erittäin tiheän ja monimutkaisen verkon.

Todellinen kuva hiilinanoputkista, jotka on saatu elektronisella mikroskoopilla. Voidaan nähdä, että ne muodostavat nippuja, jotka takertuvat toisiinsa. MaterialScienst englanniksi Wikipedia [CC BY-S (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0)]. Lähde: Wikimedia Commons.

Niiden jännitysvoima on suurempi kuin teräs. Tämä tarkoittaa, että heillä on suuri rikkoutumiskestävyys, kun heillä on jännitteitä. Teoriassa ne voivat olla sata kertaa vahvempia kuin teräs.

Ne ovat erittäin joustavia, he voivat taivuttaa, kiertää ja taittaa vahingoittamatta ja palata sitten alkuperäiseen muotoonsa. Ne ovat erittäin kevyitä.

Ne ovat hyviä lämmön ja sähkön kuljettajia. Sanotaan, että heillä on erittäin monipuolinen elektroninen käyttäytyminen tai että heillä on korkea elektroninen johtavuus.

CNT -putket, joiden heksagonit on järjestetty nojatuolin muodossa.

Siksakissa ja helikoidiset voivat olla metallisia ja puolijohteita.

Kemialliset ominaisuudet

Hiiliatomien välisten sidosten voiman vuoksi CNT: t kestävät erittäin korkeita lämpötiloja (750 ° C ilmakehän paineessa ja 2800 ° C tyhjössä).

Nanoputket päätteet ovat kemiallisesti reaktiivisempia kuin lieriömäinen osa. Jos ne hapettuu, päät hapetetaan ensin. Jos putket suljetaan päät auki.

Kun niitä käsitellään typpihappo -HNO: lla₃ O H rikkihappo₂Sw₄ Tietyissä olosuhteissa CNT: t voivat muodostaa karboksyyli -tapaan tai kinonia tai = c -c -ryhmiä₄H₄-C = O.

CNT: t, joilla on pieniä halkaisijoita, ovat reaktiivisempia. Hiilinanoputket voivat sisältää muiden lajien atomeja tai molekyylejä sisäisissä kanavissa.

Liukoisuus

Koska CNT: llä ei ole funktionaalista ryhmää pinnallaan, tämä on hyvin hydrofobista, ts. Se on erittäin vähän yhteensopiva veden kanssa eikä ole liukoinen tässä tai ei -polaarisissa orgaanisissa liuottimissa.

Kuitenkin, jos ne reagoivat joidenkin yhdisteiden kanssa, CNT: t voivat olla liukoisia. Esimerkiksi typpihappo HNO: lla₃ Ne voidaan liuottaa joihinkin Amida -liuottimiin tietyissä olosuhteissa.

Biokemialliset ominaisuudet

Puhtaat hiilinanoputket ovat bioyouch, mikä tarkoittaa, että ne eivät ole yhteensopivia tai liitetään elämään tai eläviin kudoksiin. Ne tuottavat organismista immuunivasteen, koska niitä pidetään aggressiivisia elementtejä.

Tästä syystä tutkijat muokkaavat niitä kemiallisesti niin, että kehon kankaat hyväksyvät ne ja niitä voidaan käyttää lääketieteellisissä sovelluksissa.

Ne voivat olla vuorovaikutuksessa makromolekyylien, kuten proteiinin ja DNA: n, kanssa, jotka ovat proteiini, joka muodostaa elävien olentojen geenit.

Saada

Hiilinanoputket saadaan grafiitin perusteella erilaisten tekniikoiden, kuten höyrystymisen avulla laserpulssien, sähkökaarin purkamisen ja kemiallisen höyryn laskeutumisen avulla.

Ne on saatu myös korkean hiilimonoksidin korkeasta (CO) virrasta katalyyttisen kasvun avulla kaasufaasissa.

Metallikatalyyttien esiintyminen joissakin saamismenetelmissä auttaa useiden seinämän nanoputkien kohdistamista.

Hiilinanoputki ei kuitenkaan ole molekyyli, joka on aina sama. Valmistusmenetelmän ja olosuhteiden mukaan saadaan eri pituudella, halkaisijalla, rakenteella, painolla ja seurauksena niillä on erilaisia ​​ominaisuuksia.

Voi palvella sinua: yksinkertainen mikroskooppi

Hiilinanoputket

CNT: ien ominaisuudet tekevät niistä sopivia monenlaisiin käyttötarkoituksiin.

Niitä on käytetty elektroniikan, optiikan, muovien ja muiden tuotteiden rakenteellisissa materiaaleissa nanoteknologian, ilmailualan teollisuuden ja autojen tuotannon alalla.

Hiilinanoputkilla on hyvin monipuolinen käyttö. Tämä on todellinen kuva hiilinanoputkista, jotka on saatu elektronisella mikroskoopilla. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0)]. Lähde: Wikimedia Commons.

Koostumukset tai materiaaliseokset CNT: llä

CNT: t ovat yhdessä polymeerien kanssa kuitujen ja vahvistettujen polymeerien kankaan tekemiseksi korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi. Esimerkiksi on käytetty polyakryylinitriilikuitujen vahvistamiseen puolustustarkoituksiin.

CNT -seokset, joissa on polymeerejä. Ne parantavat polymeerin lujuutta ja jäykkyyttä myös lisäävät myös sähkönjohtavuuden ominaisuuksia.

CNT: ien kuidut ja kankaat valmistetaan myös alumiinin ja hiiliteräksen kaltaisilla resistansseilla, mutta ne ovat paljon kevyempiä kuin nämä. Tällaisilla kuiduilla kehon panssari on suunniteltu.

Niitä on käytetty myös resistenttisempien keramiikoiden saamiseen.

Elektroniikkalaitteet

Hiilinanoputkilla on suuri potentiaali tyhjiöelektroniikassa, nanodispositiivisessa ja energian varastoinnissa.

CNT: t voivat toimia diodeina, transistoreina ja releinä (sähkömagneettiset laitteet, jotka sallivat avata ja sulkea sähköpiirit).

Ne voivat myös lähettää elektroneja, kun ne altistetaan sähkökentälle tai jos levitetään jännitettä.

Kaasusanturit

CNT: ien käyttö kaasusantureissa antaa niiden olla pieniä, kompakteja ja kevyitä, ja se voidaan yhdistää elektronisiin sovelluksiin.

CNT: ien elektroninen konfiguraatio tekee antureista erittäin herkkiä erittäin pienille kaasumäärille ja lisäksi CNT: t voidaan mukauttaa kemiallisesti tiettyjen kaasujen havaitsemiseksi.

Lääketieteelliset sovellukset

Korkean pinta -alan takia erinomainen kemiallinen stabiilisuus ja polylaromaattinen rakenne, jossa on runsaasti elektroneja CNT: iä.

Ne ovat osoittautuneet erinomaisiksi ajoneuvoiksi lääkkeiden kuljettamiseen ja vapauttamiseen, tunkeutuen suoraan soluihin ja pitämällä lääkkeet ehjänä kuljetuksen aikana kehon kautta.

Jälkimmäinen sallii vähentää lääketieteen annosta ja sen toksisuutta, erityisesti syövän vastaisia ​​lääkkeitä.

CNT: t ovat olleet hyödyllisiä syöpähoitoissa, infektioissa, kudoksen uudistamisessa, neurodegeneratiivisissa sairauksissa ja antioksidantteina.

Niitä käytetään myös sairauden diagnoosissa tietyissä analyyseissä, kuten biosensorit, lääkkeiden erottaminen ja biokemiallisten yhdisteiden uutto.

Niitä käytetään myös ortopedisissa proteeseissa ja tukiraateriaalina lukukudoksen kasvulle.

Muut sovellukset

Sen käyttöä on ehdotettu myös akkujen ja polttokennokalvojen, litium -ion -akkujen, superkontereiden ja kemiallisten suodattimien materiaaleina.

Niiden korkea sähköinen ja suhteellinen johtavuus tekee niistä hyödyllisiä elektrodina sähkökemiallisissa reaktioissa.

Ne voivat myös tarttua reagenssipartikkeleihin ja niiden suurelle pinnalliselle alueelle ne voivat toimia katalyytin tuella.

Heillä on myös kyky varastoida vetyä, joka löytää loistavan hyödyllisyyden ajoneuvoissa, jotka toimivat tämän kaasun kanssa, koska CNT: ien avulla se voitaisiin kuljettaa turvallisesti.

Hiilinanoputket

Tutkimukset ovat paljastaneet vaikeuksia CNT: n toksisuuden arvioinnissa. Tämä näyttää riippuvan ominaisuuksista, kuten CNT: lle altistumisen pituus, jäykkyys, pitoisuus ja kesto. Se riippuu myös CNT: n tuotanto- ja puhtausmenetelmästä.

Suojauslaitteita CNT -manipuloinnin aikana on kuitenkin suositeltavaa käyttää tutkimuksia, jotka osoittavat niiden samankaltaisuuden asbestikuitujen kanssa ja että keskushermostopölyn hengitys voi aiheuttaa vaurioita keuhkoihin.

Teknikko, joka punnitsee näytteitä hiilinanoputkista. Käyttämäsi suojausvälineet voidaan havaita. TAI.S. Kansallinen työturvallisuus- ja terveysinstituutti [julkinen alue]. Lähde: Wikimedia Commons.Todellinen kuva siitä, kuinka hiilen nanoputki ylittää keuhkojen solun. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, liing wang, lori a. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova ja Dale W. Porter / NIOSH [julkinen alue]. Lähde: Wikimedia Commons.

Viitteet

1. Basu-dutt, s. et al. (2012). Hiilinanoputkien kemia kaikille. J -. Kemia. Koulutus. 2012, 89, 221-229. Pubista toipunut.ACS.org.
2. Kuukautta, m. ja Kuznetsov, V.Lens. (Toimittajat). (2006). Joille olisi annettava tunnustus hiilen nanotibien löytämisestä? Carbon 44 (2006) 1621-1623. ScienEdirect.com.
3. Syömä, a. et al. (2014). Hiilinanoputket: Ominaisuudet, synteesi, puhdistus ja lääketieteelliset sovellukset. Nanomittakaavan tutkimuskirjeet 2014, 9: 393. NCBI toipunut.Nlm.NIH.Hallitus.
4. Saksidi, m.Yllyttää. et al. (2016) Hiilinanoputket synteesistä In vivo Lääketieteelliset sovellukset. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI toipunut.Nlm.NIH.Hallitus.
5. Ajayan, P.M. (1999). Hiilen nanoputket. Kemia. 1999, 99, 1787-1799. Pubista toipunut.ACS.org.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Yksiseinäisten hiilinanoputkien kemia. Acc. Kemia. Naudanliha. 2002, 35, 1105-1113. Pubista toipunut.ACS.org.
7. Awashi, k. et al. (2005). Hiilinanoputkien synteesi. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI toipunut.Nlm.NIH.Hallitus.
8. Grobert, n. (2007). Hiilinanoputket - puhdas. MaterialStoday Volume 10, numerot 1-2, sivut 28-35. Lukijalle palautettu.Elsevier.com.
9. Hän, h. et al. (2013). Hiilinanoputket: sovellukset apteekissa ja lääketieteessä. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. NCBI toipunut.Nlm.NIH.Hallitus.
10. Francis, a.P. ja disasi, t. (2018). Hiilinanoputkien myrkyllisyys: Katsaus. Toksikologia ja teollisuusterveys (2018) 34, 3. Palautettu lehdistä.Sagepub.com.
11. Harik, v. M. (2017). Hiilinanoputkien geometria sekä fagosytoosin ja myrkyllisten vaikutusten mekanismit. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI toipunut.Nlm.NIH.Hallitus.