MGA CARBON NANOTUBES: ISTRAKTURA, MGA KATANGIAN, APPLICATION, TOXICITY - CHEMISTRY - 2025

Ang carbon nanotubes ay mga tubo o cylinders napakaliit at napaka manipis na nabuo lamang ng mga carbon atoms (C). Ang tubular na istraktura nito ay makikita lamang sa pamamagitan ng mga mikroskopyo ng elektron. Ito ay isang solidong itim na materyal, na binubuo ng napakaliit na mga bundle o mga bundle ng maraming dosenang mga nanotubes, na pinagsama-sama upang bumuo ng isang kumplikadong network.

Ang prefix na "nano" ay nangangahulugang "napakaliit." Ang salitang "nano" na ginamit sa pagsukat ay nangangahulugan na ito ay isang bilyon ng isang pagsukat. Halimbawa, ang isang nanometro (nm) ay isang bilyong isang metro, iyon ay, 1 nm = 10 ^-9 m.

Carbon nanotube sample. Makikita na ito ay isang itim na solid na may hitsura ng carbon. Shaddack. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang bawat maliit na maliit na carbon nanotube ay binubuo ng isa o higit pang mga sheet ng grapayt na nakabalot sa kanilang sarili. Ang mga ito ay naiuri sa mga single-walled nanotubes (isang solong pinagsama sheet) at mga multi-dingding na nanotubes (dalawa o higit pang mga silindro sa loob ng isa).

Ang mga carbon nanotubes ay napakalakas, may mataas na pagtutol sa paglabag at napaka-kakayahang umangkop. Mahusay silang nagsasagawa ng init at kuryente. Binubuo din nila ang isang magaan na materyal.

Ang mga katangiang ito ay nagbibigay sa kanila ng kapaki-pakinabang sa iba't ibang larangan ng aplikasyon, tulad ng mga industriya ng automotiko, aerospace at electronics, bukod sa iba pa. Ginamit din sila sa gamot, halimbawa upang magdala at maghatid ng mga gamot na anticancer, bakuna, protina, atbp.

Gayunpaman, ang paghawak nito ay dapat gawin sa mga proteksiyon na kagamitan tulad ng kapag inhaled maaari silang magdulot ng pinsala sa baga.

Pagtuklas ng mga carbon nanotubes

Mayroong iba't ibang mga opinyon sa pang-agham na komunidad tungkol sa na natuklasan ang mga carbon nanotubes. Bagaman mayroong maraming mga papeles sa pananaliksik sa mga materyales na ito, kakaunti lamang ang mahahalagang petsa ang nabanggit sa ibaba.

- Noong 1903, ang siyentipikong Pranses na si Pélabon ay naobserbahan ang mga filament ng carbon sa isang sample (ang mga mikroskop ng elektron ay hindi pa magagamit sa petsang ito).

- Noong 1950, ang pisiko na si Roger Bacon ng kumpanya ng Union Carbide ay pinag-aaralan ang ilang mga halimbawa ng mga fibre ng carbon at na-obserbahan ang mga imahe ng tuwid at guwang na nano-fluff o nanobigots (nanowhiskers).

- Noong 1952, inilathala ng mga siyentipiko ng Russia na Radushkevich at Lukyanovich ang mga larawan ng mga larawan ng mga carbon nanotubes na synthesized ng kanilang sarili at nakuha gamit ang isang mikroskopyo ng elektron, kung saan malinaw na sinusunod na sila ay guwang.

- Noong 1973, natapos ng mga siyentipikong Ruso na sina Bochvar at Gal'pern ang isang serye ng mga kalkulasyon ng mga antas ng enerhiya ng mga orbital ng molekular na nagpapakita na ang mga sheet ng grapiko ay maaaring i-twist sa kanilang sarili upang mabuo ang "mga guwang na molekula".

- Noong 1976, ang Morinobu Endo na-obserbahan ang mga fibre ng carbon na may isang guwang na sentro na ginawa ng pyrolysis ng benzene at ferrocene sa 1000 ° C (ang pyrolysis ay isang uri ng agnas na nangyayari sa pag-init sa napakataas na temperatura sa kawalan ng oxygen).

- Noong 1991, ang sigasig para sa mga nanotubes ng carbon ay sparked pagkatapos synthesized na mga karayom ​​ng Sumio Iijima na ginawa mula sa mga guwang na tubes gamit ang pamamaraan ng electric arc.

- Noong 1993, sina Sumio Iijima at Donald Bethune (nagtatrabaho nang nakapag-iisa sa bawat isa) ay sabay-sabay na natuklasan ang mga single-walled carbon nanotubes.

Mga interpretasyon ng ilan sa mga mapagkukunan na kumonsulta

Ayon sa ilang mga mapagkukunan ng impormasyon, marahil ang kredito para sa pagtuklas ng mga carbon nanotubes ay dapat pumunta sa mga siyentipiko ng Russia na sina Radushkevich at Lukyanovich noong 1952.

Naisip na hindi sila nabigyan ng kanilang nararapat na kredito dahil sa oras na iyon ang tinatawag na "cold war" ay umiiral at ang mga siyentipiko ng Kanluran ay walang access sa mga artikulo sa Russia. Bilang karagdagan, hindi marami ang maaaring magsalin mula sa Ruso, na higit na naantala ang kanilang pananaliksik mula sa pag-aralan sa ibang bansa.

Sa maraming mga artikulo sinabi na si Iijima ay ang isa na natuklasan ang mga carbon nanotubes noong 1991. Gayunpaman, tinatantiya ng ilang mga mananaliksik na ang epekto ng gawain ni Iijima ay dahil sa ang katunayan na ang agham ay nakarating sa isang sapat na antas ng kapanahunan upang pahalagahan ang kahalagahan ng mga nanotubes ng carbon. nanomaterial.

Sinasabi ng ilan na sa mga dekada na iyon ang mga pisiko ay karaniwang hindi nagbasa ng mga artikulo sa mga magazine ng kimika, kung saan ang mga carbon nanotubes ay napag-uusapan, at na sa kadahilanang ito ay "nagulat" sila ng artikulo ni Iijima.

Ngunit ang lahat ng ito ay hindi binabawasan ang mataas na kalidad ng akda ni Iijima mula 1991. At ang pagkakaiba ng opinyon ay nananatili.

Pangngalan

- Carbon nanotubes, o CNTs (Carbon NanoTubes).

- Single-pader na carbon nanotubes, o SWCNTs (Single-Walled Carbon NanoTubes).

- Mga may maraming dingding na carbon nanotubes, o MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Istraktura

Istrukturang pang-pisika

Ang mga carbon nanotubes ay napakahusay at maliit na tubo o cylinders na ang istraktura ay makikita lamang sa isang mikroskopyo ng elektron. Binubuo sila ng isang sheet ng grapayt (graphene) na pinagsama sa isang tubo.

Ang isang carbon nanotube ay isang pinagsama sheet ng grapayt o graphene: (a) teoretikal na imahe ng sheet ng grapayt, (b) teoretikal na imahe ng pinagsama sheet o nanotube ng carbon. OpenStax. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang mga ito ay mga guwang na out na cylindrical molekula na binubuo lamang ng mga carbon atoms. Ang mga carbon atoms ay nakaayos sa anyo ng mga maliit na heksagon (6-panig na polygons) na katulad ng benzene at magkakaugnay (condensadong benzene singsing).

Ang pagguhit ng isang carbon nanotube kung saan makikita mo ang maliit na hexagons na 6 na carbon atoms. Gumagamit: Gmdm. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang mga tubo ay maaaring o maaaring hindi mai-plug sa kanilang mga bukana at maaaring maging masyadong mahaba kumpara sa kanilang mga diameters. Ang mga ito ay katumbas ng mga sheet ng grapayt (graphene) na pinagsama sa mga seamless tubes.

Istraktura ng kemikal

Ang mga CNT ay mga istrukturang polyaromatic. Ang mga bono sa pagitan ng mga carbon atoms ay covalent (iyon ay, hindi sila ionik). Ang mga link na ito ay nasa loob ng parehong eroplano at napakalakas.

Ang lakas ng mga C = C na bono ay gumagawa ng mga CNT na napaka matibay at malakas. Sa madaling salita, ang mga dingding ng mga tubong ito ay napakalakas.

Ang mga kasukasuan sa labas ng eroplano ay mahina, na nangangahulugang walang malakas na mga kasukasuan sa pagitan ng isang tubo at isa pa. Gayunpaman, ang mga ito ay kaakit-akit na puwersa na nagpapahintulot sa pagbuo ng mga bundle o mga bundle ng mga nanotubes.

Pag-uuri ayon sa bilang ng mga tubo

Ang mga carbon nanotubes ay nahahati sa dalawang pangkat: mga nanotubes na solong-pader, o SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), at mga nanotubes ng maraming pader, o MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Mga uri ng Nanotube: (1) multi-walled nanotube totoong imahe, (2) pagguhit ng nanotube na single-walled, (3) graphene o graphene sheet drawing. W2raphael. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang mga single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) ay binubuo ng isang solong graphene sheet na pinagsama sa isang silindro, kung saan magkakasamang magkakasama ang mga vertice ng hexagons upang makabuo ng isang walang tahi na tubo.

Ang mga multi-pader na carbon nanotubes (MWCNTs) ay binubuo ng mga concentric cylinders na inilalagay sa paligid ng isang karaniwang guwang na sentro, iyon ay, dalawa o higit pang mga guwang na cylinder na inilagay sa loob ng bawat isa.

Ang mga nanotubes na may maramihang mga pader ay binubuo ng dalawa o higit pang mga cylinders sa loob ng isa pa. Eric Wieser. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang tunay na imahe ng isang multi-pader na carbon nanotube na nakuha gamit ang isang mikroskopyo ng elektron. Oxirane. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Pag-uuri ayon sa anyo ng paikot-ikot

Nakasalalay sa paraan ng pag-ikot ng graphene sheet, ang pattern na nabuo ng mga heksagon sa CNT ay maaaring: hugis-upuan, hugis-zigzag, at helical o chiral. At naiimpluwensyahan nito ang mga katangian nito.

Real imahe ng chiral o helical carbon nanotube. Taner Yildirim (The National Institute of Standards and Technology - NIST). Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Mga katangiang pang-pisikal

Ang mga carbon nanotubes ay solid. Sila ay sama-sama upang makabuo ng mga bouquets, bundle, bundle o "mga string" ng maraming dosenang mga nanotubes, pinagsama-sama upang bumuo ng isang napaka siksik at kumplikadong network.

Ang totoong imahe ng carbon nanotubes na nakuha gamit ang isang mikroskopyo ng elektron. Ito ay makikita na sila ay bumubuo ng mga bundle na naging magkagulo sa bawat isa. Materyalista sa Ingles Wikipedia. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Mayroon silang isang makitid na lakas na mas malaki kaysa sa bakal. Nangangahulugan ito na mayroon silang mataas na pagtutol sa paglabag kapag sumailalim sa pagkapagod. Sa teorya maaari silang maging daan-daang beses na mas malakas kaysa sa bakal.

Ang mga ito ay napaka nababanat, maaari silang baluktot, baluktot at nakatiklop nang walang pinsala at pagkatapos ay bumalik sa kanilang paunang hugis. Napakagaan nila.

Ang mga ito ay mahusay na conductor ng init at kuryente. Sinasabing mayroon silang masyadong maraming nalalaman electronic na pag-uugali o magkaroon ng mataas na electronic conductivity.

Ang mga tubo ng CNT na ang mga heksagon ay nakaayos sa hugis ng isang armchair ay may pag-uugali ng metal o katulad ng mga metal.

Ang mga nakaayos sa isang zigzag at helical pattern ay maaaring maging metal at semiconductor.

Mga katangian ng kemikal

Dahil sa lakas ng mga bono sa pagitan ng kanilang mga carbon atoms, ang mga CNT ay maaaring makatiis ng napakataas na temperatura (750 ° C sa presyon ng atmospera at 2800 ° C sa ilalim ng vacuum).

Ang mga dulo ng nanotubes ay chemically mas reaktibo kaysa sa cylindrical part. Kung sila ay sumailalim sa oksihenasyon, ang mga dulo ay na-oxidized muna. Kung ang mga tubo ay sarado ang mga dulo buksan.

Kapag ginagamot sa nitric acid HNO ₃ o sulfuric acid H ₂ SO _{4 sa} ilalim ng ilang mga kundisyon ang mga CNT ay maaaring makabuo ng mga pangkat na uri ng carboxylic -COOH o mga pangkat na quinone-type O = CC ₄ H ₄ -C = O.

Ang mga CNT na may mas maliit na diameters ay mas reaktibo. Ang mga carbon nanotubes ay maaaring maglaman ng mga atom o molekula ng iba pang mga species sa kanilang mga panloob na mga channel.

Solubility

Dahil sa ang katunayan na ang mga CNT ay walang gumaganang pangkat sa kanilang ibabaw, ito ay napaka hydrophobic, iyon ay, ito ay lubos na hindi maganda katugma sa tubig at hindi natutunaw sa ito o sa mga nonpolar na organikong solvent.

Gayunpaman, kung sila ay reaksyon sa ilang mga compound ang mga CNT ay maaaring matunaw. Halimbawa na may nitrik acid HNO ₃ ay maaaring matunaw sa ilang mga uri ng amide solvent sa ilalim ng ilang mga kundisyon.

Mga katangian ng biochemical

Ang mga purong carbon nanotubes ay bioincompatible, nangangahulugang hindi sila katugma o nauugnay sa buhay o nabubuhay na mga tisyu. Lumilikha sila ng isang immune response mula sa katawan, dahil ang mga ito ay itinuturing na mga agresibong elemento.

Para sa kadahilanang ito, binago ng mga siyentipiko ang mga ito sa paraang tinanggap sila ng mga tisyu ng katawan at maaaring magamit sa mga medikal na aplikasyon.

Maaari silang makipag-ugnay sa macromolecules tulad ng mga protina at DNA, na kung saan ay ang protina na bumubuo sa mga gen ng mga nabubuhay na nilalang.

Pagkuha

Ang mga carbon nanotubes ay ginawa mula sa grapayt gamit ang iba't ibang mga pamamaraan tulad ng laser pulse vaporization, electric arc discharges at kemikal na pag-alis.

Nakuha rin ang mga ito mula sa isang mataas na presyon ng stream ng carbon monoxide (CO) ng catalytic na paglaki sa phase ng gas.

Ang pagkakaroon ng mga metallic catalysts sa ilang mga pamamaraan ng paggawa ay tumutulong sa pagkakahanay ng mga multi-pader na nanotubes.

Gayunpaman, ang isang carbon nanotube ay hindi isang molekula na palaging pareho. Ayon sa paraan ng paghahanda at mga kondisyon, nakuha sila na may iba't ibang haba, diameter, istraktura, timbang, at bilang isang resulta ay nagtatanghal sila ng iba't ibang mga katangian.

Mga aplikasyon ng carbon nanotubes

Ang mga pag-aari ng CNT ay ginagawang angkop para sa isang malawak na iba't ibang paggamit.

Ginamit ang mga ito sa mga materyal na istruktura para sa electronics, optika, plastik, at iba pang mga produkto sa larangan ng nanotechnology, industriya ng aerospace, at paggawa ng automotiko.

Ang mga carbon nanotubes ay may maraming magkakaibang paggamit. Ito ay isang tunay na imahe ng carbon nanotubes na nakuha gamit ang isang mikroskopyo ng elektron. Ilmar Kink. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Komposisyon o mixtures ng mga materyales na may mga CNT

Ang mga CNT ay pinagsama sa mga polimer upang makagawa ng mataas na pagganap ng reinforced polimer fibers at tela. Halimbawa ginamit ang mga ito upang palakasin ang mga polyacrylonitrile fibers para sa mga layunin ng pagtatanggol.

Ang mga timpla ng CNT na may polimer ay maaari ding idinisenyo upang magkaroon ng iba't ibang mga katangian ng electrical conductive. Pinapabuti nila hindi lamang ang lakas at higpit ng polimer ngunit nagdaragdag din ang mga katangian ng kondaktibiti sa koryente.

Ang mga fibers at tela ng CNT ay gawa din ng mga lakas na katulad ng aluminyo at carbon steel, ngunit kung saan ay mas magaan kaysa sa mga ito. Ang armadura ng katawan ay dinisenyo kasama ng mga naturang mga hibla.

Ginamit din ang mga ito upang makakuha ng mas lumalaban na mga keramika.

Mga aparatong elektroniko

Ang mga carbon nanotubes ay may malaking potensyal sa vacuum electronics, nanodevice, at imbakan ng enerhiya.

Ang mga CNT ay maaaring gumana bilang diode, transistor at mga relay (mga electromagnetic na aparato na nagpapahintulot sa pagbubukas at pagsasara ng mga de-koryenteng circuit).

Maaari rin silang maglabas ng mga electron kapag sumailalim sa isang electric field o kung ang isang boltahe ay inilalapat.

Mga sensor ng gas

Ang paggamit ng mga CNT sa mga sensor ng gas ay nagpapahintulot sa mga ito na maging maliit, compact at light at maaari silang pagsamahin sa mga elektronikong aplikasyon.

Ang elektronikong pagsasaayos ng CNT ay ginagawang sensitibo ang mga sensor sa napakaliit na halaga ng mga gas at, bilang karagdagan, ang mga CNT ay maaaring inangkop sa kemikal upang makita ang mga tukoy na gas.

Mga application medikal

Dahil sa kanilang mataas na lugar, ang mahusay na katatagan ng kemikal at istraktura ng polyaromatic na mayaman sa electron, ang mga CNT ay maaaring mag-adorborb o magkakasamang may iba't ibang iba't ibang mga molekula ng therapeutic, tulad ng mga gamot, protina, antibodies, enzymes, bakuna, atbp.

Napatunayan nila na mahusay na mga sasakyan para sa transportasyon at paghahatid ng mga gamot, nang direkta sa pagpasok sa mga cell at pinapanatili ang bawal na gamot sa panahon ng transportasyon sa pamamagitan ng katawan.

Ginagawa ng huli na mabawasan ang dosis ng gamot at ang toxicity nito, lalo na ang mga gamot na anticancer.

Ang mga CNT ay napatunayan na kapaki-pakinabang sa mga terapiya laban sa kanser, impeksyon, pagbabagong-buhay ng tisyu, mga sakit sa neurodegenerative, at bilang mga antioxidant.

Ginagamit din ang mga ito sa pagsusuri ng mga sakit, sa ilang mga pagsusuri, tulad ng mga biosensors, paghihiwalay ng gamot at pagkuha ng mga biochemical compound.

Ginagamit din ang mga ito sa orthopedic prostheses at bilang isang suportang materyal para sa paglaki ng tisyu ng buto.

Iba pang apps

Ang kanilang paggamit ay iminungkahi din bilang mga materyales para sa mga lamad ng mga baterya at mga cell ng gasolina, mga anod para sa mga baterya ng lithium ion, supercapacitors at mga filter ng kemikal.

Ang kanilang mataas na de-koryenteng kondaktibiti at kamag-anak na inertness ng kemikal ay ginagawang kapaki-pakinabang sa kanila bilang mga electrodes sa mga reaksiyong electrochemical.

Maaari rin silang sumunod sa mga particle ng reaktor at, dahil sa kanilang malaking ibabaw na lugar, ay maaaring gumana bilang suportado ng katalista.

Mayroon din silang kakayahang mag-imbak ng hydrogen, na kapaki-pakinabang sa mga sasakyan na tumatakbo sa nasabing gas, dahil sa mga CNT maaari itong ligtas na maipadala.

Pagkalason sa carbon nanotube

Ang mga pag-aaral ay nagsiwalat ng mga paghihirap sa pagsusuri ng toxicity ng mga CNT. Mukhang nakasalalay ito sa mga katangian tulad ng haba, higpit, konsentrasyon, at tagal ng pagkakalantad sa mga CNT. Depende din ito sa pamamaraan ng produksiyon at kadalisayan ng mga CNT.

Gayunpaman, inirerekumenda na gumamit ng mga protekturang kagamitan kapag pinangangasiwaan ang mga CNT dahil may mga pag-aaral na nagpapahiwatig ng kanilang pagkakapareho sa mga asbestos fibers at ang paglanghap ng alikabok ng CNT ay maaaring magdulot ng pinsala sa mga baga.

Ang tekniko na tumitimbang ng mga sample ng carbon nanotubes. Maaari mong makita ang proteksiyon na ipinatutupad nito. US National Institute for Occupational Safety and Health. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Tunay na imahe kung paano ang isang carbon nanotube ay dumadaan sa isang cell sa isang baga. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova at Dale W. Porter / NIOSH. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Mga Sanggunian

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Chemistry ng Carbon Nanotubes para sa Lahat. J. Chem. Edukasyon sa 2012, 89, 221-229. Nabawi mula sa pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. at Kuznetsov, VL (mga editor). (2006). Sino ang dapat bigyan ng kredito para sa pagtuklas ng mga carbon nanotubes? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Nabawi mula sa sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Mga carbon nanotubes: mga katangian, synthesis, paglilinis, at mga medikal na aplikasyon. Mga Sulat ng Pananaliksik ng Nanoscale 2014, 9: 393. Nabawi mula sa ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Carbon nanotubes mula sa synthesis hanggang sa vivo biomedical application. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Nabawi mula sa ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Mga Nanotubes mula sa Carbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Nabawi mula sa pubs.acs.org.
6. Nijib, S. et al. (2002). Chemistry ng Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Nabawi mula sa pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Sintesis ng Carbon Nanotubes. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Nabawi mula sa ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Mga carbon nanotubes - nagiging malinis. Materialstoday Dami 10, Isyu 1-2, mga pahina 28-35. Nabawi mula sa mambabasa.elsevier.com.
9. Siya, H. et al. (2013). Carbon Nanotubes: Mga Aplikasyon sa Parmasya at Gamot. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Nabawi mula sa ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP at Devasena, T. (2018). Pagkalasing ng carbon nanotubes: Isang pagsusuri. Toxicology at Industrial Health (2018) 34, 3. Nabawi mula sa journal.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometry ng Carbon Nanotubes at Mekanismo ng Phagocytosis at Toxic effects. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Nabawi mula sa ncbi.nlm.nih.gov.