УГЉЕН-НАНОЦЕВКЕ: СТРУКТУРА, СВОЈСТВА, ПРИМЕНА, ТОКСИЧНОСТ - ХЕМИЈА - 2025

У царбон нанотубес су цеви или цилиндре веома мала и врло танких формирани само атома угљеника (Ц). Његова цеваста структура видљива је само помоћу електронских микроскопа. То је чврст црни материјал, састављен од веома малих снопова или снопова од неколико десетина наноцевки, који су спојени заједно да творе сложену мрежу.

Префикс „нано“ значи „врло мали“. Реч "нано" која се користи у мерењу значи да је то једна милијарда мерења. На пример, нанометар (нм) је милијарда метра, то јест, 1 нм = 10 ^-9 м.

Узорак угљеник-наноцевке. Може се видети да је у питању црна чврста супстанца са изгледом угљеника. Схаддацк. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Свака сићушна угљенична наноцевица састоји се од једног или више листова графита омотаних око себе. Разврставају се у једноструке наноцјевчице (једносмерни ваљани лим) и вишеслојне наноцјевчице (два или више цилиндара један у другом).

Угљеничне наноцјевчице су врло јаке, имају велику отпорност на ломљење и врло су флексибилне. Врло добро спроводе топлоту и струју. Такође чине врло лак материјал.

Ова својства их чине корисним у различитим областима примене, као што су аутомобилска, ваздухопловна и електронска индустрија, између осталог. Такође се користе у медицини, на пример за транспорт и испоруку лекова против рака, вакцине, протеина итд.

Међутим, руковање се мора обављати заштитном опремом, јер приликом удисања могу оштетити плућа.

Откриће угљених наноцевки

У научној заједници постоје различита мишљења о томе ко је открио угљене наноцевке. Иако постоји много истраживачких радова о овим материјалима, у наставку се спомиње само неколико важних датума.

- 1903. француски научник Пелабон приметио је угљеничне филаменте у узорку (електронски микроскопи још нису били доступни на овај датум).

- 1950. физичар Рогер Бацон из компаније Унион Царбиде проучавао је одређене узорке угљеничних влакана и посматрао слике правих и шупљих нано-пахуљица или нанобигота (нановхискерс).

- 1952. године, руски научници Радусхкевич и Лукјанович објавили су фотографије снимака угљених наноцевки које су синтетизоване и добијене електронским микроскопом, где се јасно примећује да су шупље.

- 1973. године, руски научници Боцхвар и Гал'перн довршили су серију израчуна енергетских нивоа молекулских орбитала, показујући да се графитни листови могу савијати на себи како би формирали "шупље молекуле".

- 1976. Моринобу Ендо је приметио карбонска влакна са шупљим центром створеним пиролизом бензена и фероцена на 1000 ° Ц (пиролиза је врста распадања која се дешава са загревањем до веома високих температура у одсуству кисеоника).

- 1991. године побудило се одушевљење угљеничним наноцевкама након што је Сумио Иијима синтетизовао угљене игле направљене од шупљих цеви користећи технику електричног лука.

- 1993. године Сумио Иијима и Доналд Бетхуне (радећи независно један од другог) истовремено су открили једностенске угљене наноцевке.

Интерпретације неких извора са којима се консултовао

Према неким изворима информација, можда би заслуга за откриће угљеничних наноцевки требало да припали руским научницима Радусхкевићу и Лукјановичу 1952.

Сматра се да им није дата дужна заслуга, јер је у то време постојао такозвани "хладни рат", а западни научници нису имали приступ руским чланцима. Поред тога, многи нису могли превести са руског, што је додатно одложило њихово истраживање од анализе у иностранству.

У многим се чланцима каже да је Иијима био тај који је открио угљеничне наноцјевчице 1991. Међутим, неки истраживачи процјењују да је утицај Иијима-овог рада посљедица чињенице да је наука већ достигла довољан степен зрелости да би схватила важност угљеничних наноцјевчица. наноматеријали.

Неки кажу да у тим деценијама физичари углавном нису читали чланке у часописима о хемији, где се већ расправља о угљеничним наноцевкама и да су из тог разлога „изненађени“ чланком Иијима.

Али све то не умањује високи квалитет Иијима-овог дела из 1991. године. И даље остаје разлика у мишљењу.

Номенклатура

- угљеник-наноцевке или ЦНТ (Царбон НаноТубес).

- Једностенске угљеничне наноцевке, или СВЦНТ (једнослојне карбонске нано-цеви).

- Вишеслојне угљене наноцевке или МВЦНТ (Мулти-Валлед Царбон НаноТубес).

Структура

Физичка структура

Угљеничне наноцјевчице су врло фине и мале цијеви или цилиндри чија се структура може видјети само електронским микроскопом. Састоје се од листа графита (графена) ваљаног у цев.

Угљенична наноцевица је ваљани лист графита или графена: (а) теоријска слика лима графита, (б) теоретска слика ваљаног лима или наноцевке од угљеника. ОпенСтак. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Они су издубљени цилиндрични молекули састављени искључиво од атома угљеника. Атоми угљеника су распоређени у облику малих шестерокутова (шестеространи полигони) сличних бензену и повезани заједно (кондензовани бензенски прстенови).

Цртање угљеничне наноцевке на којој се могу видети мали шестерокутници од 6 атома угљеника. Корисник: Гмдм Извор: Викимедиа Цоммонс.

Цеви се могу или не морају прикључити на своје отворе и могу бити изузетно дуге у поређењу са њиховим пречницима. Они су еквивалентни листовима графита (графен) ваљаних у бешавне цеви.

Хемијска структура

ЦНТ су полиароматске структуре. Везе између атома угљеника су ковалентне (то јест, нису јонске). Ове везе су унутар исте равни и веома су јаке.

Снага Ц = Ц веза чини ЦНТ врло круте и јаке. Другим речима, зидови ових цеви су врло чврсти.

Спојеви ван равни су врло слаби, што значи да нема јаких спојева између једне и друге цеви. Међутим, они су привлачне силе које омогућавају стварање снопова или снопова наноцевки.

Класификација према броју епрувета

Угљен-наноцевке су подељене у две групе: једнозидне наноцевке, или СВЦНТ (Сингле-Валл Царбон НаноТубе), и више-зидне наноцевке, или МВЦНТ (Мулти-Валл Царбон НаноТубе).

Типови наноцевки: (1) стварна слика наноцеви са више зида, (2) цртање једноструких наноцеви, (3) цртање графитним или графенским лимом. В2рапхаел. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Једностенске карбонске наноцјевчице (СВЦНТ) су састављене од једног графенског лима умотаног у цилиндар, при чему се врхови шестерокутника савршено спајају и чине бешавну цев.

Вишеслојне угљеничне наноцевке (МВЦНТ) сачињавају се концентрични цилиндри постављени око заједничког шупљег центра, то јест два или више шупљих цилиндара који су постављени један у другом.

Вишеслојне наноцјевчице се састоје од два или више цилиндара један у другом. Ериц Виесер. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Стварна слика вишезидне угљеничне наноцевке, добијене електронским микроскопом. Окиране. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Класификација према облику наматања

У зависности од начина намотавања графенског лима, образац који формирају шестерокутници у ЦНТ-овима могу бити: у облику столице, цик-цак и спирални или кирални. А то утиче на његова својства.

Стварна слика киралне или спиралне угљеничне наноцевке. Танер Иилдирим (Национални институт за стандарде и технологију - НИСТ). Извор: Викимедиа Цоммонс.

Физичка својства

Угљен-наноцевке су чврсте. Они се окупљају и формирају букете, свежњеве, гроздове или "струне" од неколико десетина наноцевки, сплетени заједно и творе веома густу и компликовану мрежу.

Стварна слика угљених наноцјевчица добијених електронским микроскопом. Може се видети да они формирају снопове који се међусобно заплећу. Материјалиста у енглеској Википедији. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Имају влачну чврстоћу већу од челика. То значи да имају високу отпорност на лом кад су изложени стресу. Теоретски могу бити стотине пута јачи од челика.

Веома су еластичне, могу се савијати, увијати и савијати без оштећења, а затим вратити у првобитни облик. Веома су лагане.

Добри су проводници топлоте и електричне енергије. Кажу да имају веома свестрано електронско понашање или да имају високу електронску проводљивост.

ЦНТ цијеви чији су шестерокут распоређени у облику фотеље имају метално понашање или слично металу.

Они распоређени у цик-цак и спиралном узорку могу бити метални и полуводички.

Хемијска својства

Због снаге веза између њихових атома угљеника, ЦНТ могу да издрже веома високе температуре (750 ° Ц при атмосферском притиску и 2800 ° Ц под вакуумом).

Крајеви наноцевки су хемијски реактивнији од цилиндричног дела. Ако су изложени оксидацији, прво се оксидују крајеви. Ако су цеви затворене, крајеви су отворени.

Када се третирају са азотном киселином ХНО ₃ или сумпорна киселина Х ₂ СО ₄ под одређеним условима ЦНТС могу формирати карбоксилна типа групе -ЦООХ или куиноне-типа групе О = ЦЦ ₄ Х ₄ -Ц = О.

ЦНТ-ови мањег промјера су више реактивни. Угљеничне наноцјевчице могу садржати атоме или молекуле других врста у својим унутрашњим каналима.

Растворљивост

Због чињенице да ЦНТ немају никакву функционалну групу на својој површини, она је веома хидрофобна, односно изузетно је компатибилна са водом и није растворљива у њој или у неполарним органским растварачима.

Међутим, ако реагују са неким једињењима, ЦНТ могу постати растворљиви. На пример, азотна киселина ХНО ₃ може да се раствори у неким амидним растварачима под одређеним условима.

Биохемијска својства

Чисте угљеничне наноцјевчице су биоинкомпатибилне, што значи да нису компатибилне или повезане са животом или живим ткивима. Они производе имуни одговор из тела, јер се сматрају агресивним елементима.

Из тог разлога, научници их хемијски модификују на такав начин да их телесна ткива прихватају и могу користити у медицинској примени.

Могу да ступају у интеракцију са макромолекулама као што су протеини и ДНК, који је протеин који чине гени живих бића.

Прибављање

Угљеничне наноцјевчице се праве од графита користећи различите технике као што су ласерско испаравање импулса, пражњење електричног лука и таложење хемијских пара.

Они су такође добијени из струје угљен моноксида (ЦО) високог притиска каталитичким растом у гасној фази.

Присуство металних катализатора у неким производним методама помаже у поравнавању вишеслојних наноцевки.

Међутим, угљен-наноцевица није молекул који увек испостави исто. Према начину припреме и условима добијају се различите дужине, пречника, структуре, тежине, и као резултат имају различита својства.

Примене угљених наноцевки

Својства ЦНТ-а чине их погодним за широку употребу.

Користе се у структуралним материјалима за електронику, оптику, пластику и друге производе из области нанотехнологије, ваздухопловне и аутомобилске производње.

Угљен-наноцевке имају много различитих намене. Ово је права слика угљених наноцевки добијених електронским микроскопом. Илмар Кинк. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Састави или мешавине материјала са ЦНТ-ом

ЦНТ-ови су комбиновани са полимерима како би се направила полимерна влакна и тканине високог учинка. На пример, они су коришћени за ојачавање полиакрилонитрилних влакана у одбрамбене сврхе.

Мешавине ЦНТ-а са полимерима такође могу бити дизајниране тако да поседују различита електрично проводљива својства. Они побољшавају не само чврстоћу и крутост полимера, већ додају својства електричне проводљивости.

ЦНТ влакна и тканине се такође производе чврстоћом сличном алуминијуму и угљеничном челику, али које су много лакше од ових. Боди армри је дизајниран са таквим влакнима.

Такође су коришћени за добијање отпорније керамике.

Електронски уређаји

Угљен-наноцјевчице имају велики потенцијал у вакуумској електроници, нано уређајима и складиштењу енергије.

ЦНТ-ови могу функционирати као диоде, транзистори и релеји (електромагнетски уређаји који омогућавају отварање и затварање електричних кругова).

Такође могу да емитују електроне када су изложени електричном пољу или ако се примени напон.

Сензори за гас

Употреба ЦНТ-а у сензорима за гас омогућава да оне буду мале, компактне и лагане и да се могу комбиновати са електронским апликацијама.

Електронска конфигурација ЦНТ-а чини сензоре врло осетљивим на изузетно мале количине гасова, а осим тога, ЦНТ-ови се могу хемијски прилагодити за детекцију специфичних гасова.

Медицинске апликације

Због велике површине, одличне хемијске стабилности и полиороматске структуре богате електронама, ЦНТ се могу адсорбирати или коњугирати са широким спектром терапијских молекула, попут лекова, протеина, антитела, ензима, вакцина итд.

Доказали су се као одлична возила за транспорт и испоруку лекова, продирејући директно у ћелије и одржавају нетакнут дрогу током транспорта кроз тело.

Ово последње омогућава смањење дозе лека и његове токсичности, посебно лекова против рака.

ЦНТ су се показали корисним у терапијама против рака, инфекција, регенерације ткива, неуродегенеративних болести и као антиоксиданти.

Такође се користе у дијагностици болести, у одређеним анализама, као што су биосензори, раздвајање лекова и екстракција биохемијских једињења.

Такође се користе у ортопедским протезама и као помоћни материјал за раст коштаног ткива.

Друге апликације

Такође су предложени као материјали за мембране батерија и ћелија за гориво, аноде за литијум јонске батерије, суперкондензаторе и хемијске филтере.

Њихова велика електрична проводљивост и релативна хемијска инертност чине их корисним као електроде у електрохемијским реакцијама.

Такође се могу лепити за честице реактаната и због велике површине могу функционисати као носачи катализатора.

Такође имају капацитет за складиштење водоника, што је веома корисно у возилима која се возе на поменутом гасу, јер се са ЦНТ-овима може безбедно транспортовати.

Токсичност угљеничних наноцевки

Студије су откриле потешкоће у процјени токсичности ЦНТ-а. Чини се да то зависи од карактеристика као што су дужина, крутост, концентрација и трајање излагања ЦНТ-овима. То такође зависи од начина производње и чистоће ЦНТ-а.

Међутим, препоручује се употреба заштитне опреме приликом руковања ЦНТ-овима, јер постоје студије које указују на њихову сличност азбестним влакнима и да удисање ЦНТ прашине може проузроковати оштећење плућа.

Техничар за вагање узорака угљених наноцевки. Можете видети заштитне уређаје које користи. Амерички Национални институт за заштиту на раду. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Права слика како угљенична наноцевица пролази кроз ћелију у плућима. Роберт Р. Мерцер, Анн Ф. Хуббс, Јамес Ф. Сцабиллони, Лииинг Ванг, Лори А. Баттелли, Диане Сцхвеглер-Берри, Винцент Цастранова и Дале В. Портер / НИОСХ. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Референце

1. Басу-Дутт, С. и др. (2012). Хемија угљених наноцевки за све. Ј. Цхем., Едуц. 2012, 89, 221-229. Опоравак од пубс.ацс.орг.
2. Монтхиоук, М. и Кузнетсов, ВЛ (уредници). (2006). Коме би требало приписати заслугу за откриће угљеничних наноцевки? Царбон 44 (2006) 1621-1623. Опоравак од сциенцедирецт.цом.
3. Еатемади, А. и др. (2014). Угљен-наноцевке: својства, синтеза, пречишћавање и медицинска примена. Наносцале Ресеарцх Леттерс 2014, 9: 393. Опоравак од нцби.нлм.них.гов.
4. Сајид, МИ и др. (2016) Угљен-наноцевке од синтезе до ин виво биомедицинске примене. Интернатионал Јоурнал оф Пхармацеутицс 501 (2016) 278-299. Опоравак од нцби.нлм.них.гов.
5. Ајаиан, ПМ (1999). Наноцевке од угљеника. Цхем. 1999, 99, 1787-1799. Опоравак од пубс.ацс.орг.
6. Нииоги, С. и др. (2002). Хемија једностенских угљеничних наноцевки. Ацц. Цхем. Рес. 2002, 35, 1105-1113. Опоравак од пубс.ацс.орг.
7. Авастхи, К. и др. (2005). Синтеза наноцеви од угљеника. Ј Наносци Нанотецхнол 2005; 5 (10): 1616-36. Опоравак од нцби.нлм.них.гов.
8. Гроберт, Н. (2007). Угљеничне наноцјевчице - постају чисте. Материалстодаи Том 10, Издања 1-2, странице 28-35. Опоравак од читача.елсевиер.цом.
9. Хе, Х. и др. (2013). Царбон Нанотубес: Примене у фармацији и медицини. Биомед Рес Инт. 2013; 2013: 578290. Опоравак од нцби.нлм.них.гов.
10. Францис, АП и Девасена, Т. (2018). Токсичност угљених наноцевки: Преглед. Токицологи анд Индустриал Хеалтх (2018) 34, 3. Обновљено од јоурналс.сагепуб.цом.
11. Харик, ВМ (2017). Геометрија угљених наноцевки и механизми фагоцитозе и токсични ефекти. Токицол Летт 2017, 273: 69-85. Опоравак од нцби.нлм.них.гов.