Struktur nanotube karbon, sifat, aplikasi, ketoksikan

The Nanotube karbon Mereka adalah silinder atau silinder yang sangat kecil dan sangat nipis yang dibentuk hanya oleh atom karbon (c). Struktur tiubnya hanya dapat dilihat melalui mikroskop elektronik. Ia adalah bahan hitam pepejal, dibentuk oleh berkas atau sangat kecil dari beberapa puluhan nanotube, kusut bersama membentuk rangkaian rumit.

Awalan "nano" bermaksud "sangat kecil". Perkataan "nano" yang digunakan dalam pengukuran bermaksud bahawa ia adalah bahagian Millmillonese dari ukuran. Sebagai contoh, nanometer (nm) adalah bahagian Millmillonese satu meter, iaitu, 1 nm = 10^-9 m.

Sampel nanotube karbon. Dapat dilihat bahawa ia adalah pepejal hitam yang berwarna hitam. Shaddack [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Setiap nanotube karbon kecil terdiri daripada satu atau lebih lembaran grafit yang dilancarkan pada diri mereka. Mereka diklasifikasikan ke dalam nanotube dinding mudah (lamina bergulir tunggal) dan pelbagai nanotubes dinding (dua atau lebih silinder satu di dalam yang lain).

Nanotube karbon sangat kuat, mempunyai rintangan yang tinggi untuk pecah dan sangat fleksibel. Mereka melakukan haba dan elektrik dengan baik. Mereka juga membuat bahan yang sangat ringan.

Ciri -ciri ini menjadikannya berguna dalam beberapa bidang aplikasi, seperti industri automotif, aeroangkasa, elektronik, antara lain. Mereka juga telah digunakan dalam bidang perubatan, contohnya untuk mengangkut dan melepaskan ubat terhadap kanser, vaksin, protein, dll.

Walau bagaimanapun, manipulasi mesti dilakukan dengan peralatan perlindungan kerana ia disedut boleh menyebabkan kerosakan pada paru -paru.

[TOC]

Penemuan nanotube karbon

Terdapat pendapat yang berbeza dalam komuniti saintifik mengenai siapa yang menemui nanotube karbon. Walaupun terdapat banyak kerja penyelidikan mengenai bahan -bahan ini, hanya beberapa tarikh penting yang disebutkan di bawah.

- Pada tahun 1903, saintis Perancis Pélado mengamati filamen karbon dalam sampel (untuk tarikh ini mikroskop elektronik belum tersedia).

- Pada tahun 1950, ahli fizik Roger Bacon, Syarikat Union Carbide, sedang mengkaji sampel serat karbon tertentu dan imej nanopelus atau nanobigotes (terjemahan bahasa Inggeris Nanowhiskers) Lurus dan ketagih.

- Pada tahun 1952, saintis Rusia Rudushkevich dan Lukyanovich mencatatkan foto nanotube karbon yang disintesis oleh mereka sendiri dan diperoleh dengan mikroskop elektronik, di mana ia jelas diperhatikan bahawa mereka adalah lubang.

- Pada tahun 1973, saintis Rusia Bochvar dan Gal'pern menyelesaikan satu siri pengiraan tahap tenaga orbital molekul yang menunjukkan bahawa lembaran grafit dapat menggulung diri mereka membentuk "molekul berongga".

- Pada tahun 1976, Morinobu Endo mengamati serat karbon dengan pusat ahuecado yang dihasilkan oleh pirolisis benzena dan ferrocene pada 1000 ° C (pirolisis adalah sejenis penguraian yang berlaku dengan pemanasan pada suhu yang sangat tinggi jika tiada oksigen).

- Pada tahun 1991, semangat itu dilepaskan ke arah nanotube karbon selepas Sumio Iijima disintesis jarum karbon yang dibuat dengan tiub berongga melalui teknik arka elektrik.

- Pada tahun 1993, Sumio Iijima dan Donald Bethune (bekerja secara berasingan antara satu sama lain) secara serentak menemui nanotube karbon mudah.

Tafsiran beberapa sumber yang dirujuk

Menurut beberapa sumber maklumat, merit penemuan nanotube karbon kepada saintis Rusia Radushkevich dan Lukyanovich pada tahun 1952 pada tahun 1952.

Dianggap bahawa mereka tidak diberi kredit yang layak kerana pada masa itu terdapat "Perang Dingin" yang dipanggil dan saintis Barat tidak mempunyai akses kepada artikel Rusia. Di samping.

Boleh melayani anda: karbon anomerik: apakah, ciri, contoh

Dalam banyak artikel dikatakan bahawa Iijima adalah orang yang menemui nanotube karbon pada tahun 1991. Walau bagaimanapun, penyelidik tertentu menganggarkan bahawa kesan kerja Iijima adalah disebabkan oleh fakta bahawa sains telah mencapai tahap kematangan yang mencukupi untuk menghargai kepentingan nanomaterials.

Terdapat orang -orang yang mengesahkan bahawa dalam beberapa dekad ahli fizik umumnya tidak membaca majalah kimia, di mana nanotube karbon telah dibincangkan, dan oleh sebab itu mereka "terkejut" dengan artikel oleh IiJima.

Tetapi semua ini tidak mengurangkan kualiti kerja Iijima yang tinggi pada tahun 1991. Dan perbezaan pendapat dikekalkan.

Nomenclature

- Nanotube karbon, atau CNT (akronim untuk bahasa Inggeris Nanotube karbon).

- Nanotube karbon dinding mudah, atau SWCNS (akronim Inggeris Nanotube karbon berdinding tunggal).

- Nanotube karbon dinding berganda, atau MWCNS (akronim Inggeris Nanotube karbon pelbagai berdinding).

Struktur

Struktur Fizik

Nanotube karbon sangat nipis dan tiub kecil atau silinder yang strukturnya hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektronik. Mereka terdiri daripada sekeping grafit (graphene) yang dilancarkan dalam tiub berbentuk tiub.

Nanotubus karbon adalah lembaran grafit atau graphene yang digulung: (a) lembaran grafit teoretikal, (b) imej teoretikal lamina nanotubo yang digulung atau karbon. Opentax [CC oleh (https: // creativeCommons.Org/lesen/by/4.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka adalah molekul silinder yang terdiri daripada atom karbon. Atom karbon diatur dalam bentuk heksagon kecil (poligon 6 -sisi) serupa dengan benzena dan bersatu antara satu sama lain (cincin benternik pekat).

Lukisan nanotube karbon di mana heksagon kecil 6 atom karbon dapat diperhatikan. Pengguna: gmdm [cc by-s (http: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0/]]. Sumber: Wikimedia Commons.

Tiub mungkin atau mungkin tidak diliputi dalam bukaan mereka dan boleh menjadi sangat lama jika dibandingkan dengan diameter mereka. Mereka bersamaan dengan lembaran graphite (graphene) yang dilancarkan dalam tiub lancar.

Struktur kimia

CNT adalah struktur polylaromatic. Pautan antara atom karbon adalah kovalen (iaitu, mereka bukan ionik). Pautan ini berada dalam satah yang sama dan sangat kuat.

Kekuatan pautan c = c menjadikan CNT sangat tegar dan tahan. Dengan kata lain, dinding tiub ini sangat kuat.

Kesatuan di luar kapal terbang sangat lemah, yang bermaksud bahawa tidak ada kesatuan yang kuat antara satu tiub dan yang lain. Walau bagaimanapun, mereka adalah daya tarikan yang membolehkan pembentukan tandan atau nanotube.

Klasifikasi mengikut bilangan tiub

Nanotube karbon dibahagikan kepada dua kumpulan: nanotubes dinding mudah, atau SWCNT (akronim untuk bahasa Inggeris Nanotube karbon tunggal dinding), Dan nanotube dinding berganda, atau MWCNT (akronim untuk bahasa Inggeris Nanotube karbon pelbagai dinding).

Jenis Nanotubes: (1) Imej sebenar pelbagai dinding nanotubus, (2) lukisan nanotube dinding mudah, (3) lukisan lembaran grafit atau graphene. W2raphael [cc by-sa (http: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0/]]. Sumber: Wikimedia Commons.

Nanotube karbon dinding mudah (SWCNT) terdiri daripada satu lembaran graphene yang digulung yang membentuk silinder, di mana simpang heksagon sesuai untuk membentuk tiub tanpa jahitan.

Nanotube Karbon Dinding Pelbagai (MWCNT) dibentuk oleh silinder sepusat yang diletakkan di sekitar pusat berongga biasa, iaitu dua atau lebih silinder berongga yang diletakkan di dalam satu sama lain.

Nanotube dinding berganda dibentuk oleh dua atau lebih silinder satu di dalam yang lain. Eric Wieer [cc by-s (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.Imej sebenar nanotube karbon dinding berganda yang diperolehi dengan mikroskop elektronik. Oxirane [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/4.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Klasifikasi mengikut bentuk rolling

Bergantung pada cara di mana lembaran graphene adalah enrolle, reka bentuk yang dibentuk heksagon dalam CNT boleh: dalam bentuk kerusi berlengan, dalam bentuk zigzag dan bentuk heliks atau kiral. Dan ini mempengaruhi sifatnya.

Boleh melayani anda: Peraturan Hume-RotheryImej sebenar nanotubus karbon heliks atau kiral. Terer Yildirim (Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan - NIST) [Domain Awam]. Sumber: Wikimedia Commons.

Ciri-ciri fizikal

Nanotube karbon pepejal. Mereka berkumpul untuk membentuk bunga, rasuk, tandan atau "rentetan" dari beberapa puluhan nanotube, menghalang satu sama lain membentuk rangkaian yang sangat padat dan rumit.

Imej sebenar nanotube karbon diperolehi dengan mikroskop elektronik. Dapat dilihat bahawa mereka membentuk tandan yang terjerat antara satu sama lain. Bahan-bahan di Bahasa Inggeris Wikipedia [cc by-s (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka mempunyai daya ketegangan yang lebih besar daripada keluli. Ini bermaksud bahawa mereka mempunyai rintangan yang tinggi untuk pecah ketika mereka menjalani ketegangan. Secara teori mereka boleh seratus kali lebih kuat daripada keluli.

Mereka sangat elastik, mereka boleh membongkok, memutar dan melipat tanpa merosakkan dan kemudian kembali ke bentuk awal mereka. Mereka sangat ringan.

Mereka adalah pemacu panas dan elektrik yang baik. Dikatakan bahawa mereka mempunyai tingkah laku elektronik yang sangat serba boleh atau bahawa mereka mempunyai kekonduksian elektronik yang tinggi.

Tiub CNT yang heksagon diatur dalam bentuk kerusi berlengan mempunyai tingkah laku logam yang serupa dengan logam.

Yang diatur di zigzag dan helicoidal boleh menjadi logam dan semikonduktor.

Sifat kimia

Oleh kerana daya ikatan di antara atom karbon mereka, CNT dapat menahan suhu yang sangat tinggi (750 ° C pada tekanan atmosfera dan 2800 ° C pada vakum).

Pengakhiran nanotube secara kimia lebih reaktif daripada bahagian silinder. Sekiranya mereka menjalani pengoksidaan, hujungnya dioksidakan terlebih dahulu. Sekiranya tiub ditutup hujung terbuka.

Apabila dirawat dengan asid nitrik hno₃ o h asid sulfurik₂SW₄ Di bawah keadaan tertentu, CNT boleh membentuk kumpulan karboksilik -coah atau quinone atau = c -c₄H₄-C = O.

CNT dengan diameter kecil lebih reaktif. Nanotube karbon boleh mengandungi atom atau molekul spesies lain di saluran dalaman mereka.

Kelarutan

Oleh kerana CNTs tidak mempunyai kumpulan berfungsi di permukaannya, ini sangat hidrofobik, ia.

Walau bagaimanapun, jika mereka bertindak balas dengan beberapa sebatian, CNT boleh larut. Contohnya dengan asid nitrik hno₃ Mereka boleh diselesaikan dalam beberapa pelarut amida dalam keadaan tertentu.

Sifat biokimia

Nanotube karbon tulen adalah bioyouch, yang bermaksud bahawa mereka tidak serasi atau berkaitan dengan tisu hidup atau hidup. Mereka menghasilkan tindak balas imun dari organisma, kerana mereka dianggap elemen yang agresif.

Atas sebab ini, saintis mengubah suai mereka secara kimia supaya mereka diterima oleh kain badan dan boleh digunakan dalam aplikasi perubatan.

Mereka boleh berinteraksi dengan makromolekul seperti protein dan DNA, yang merupakan protein yang membentuk gen makhluk hidup.

Memperoleh

Nanotube karbon diperolehi berdasarkan grafit melalui pelbagai teknik seperti pengewapan oleh denyutan laser, pelepasan arka elektrik dan pemendapan wap kimia.

Mereka juga telah diperolehi dari arus tinggi karbon monoksida tinggi (CO) oleh pertumbuhan pemangkin dalam fasa gas.

Kehadiran pemangkin logam dalam beberapa kaedah mendapatkan membantu penjajaran pelbagai nanotubes dinding.

Walau bagaimanapun, nanotube karbon bukan molekul yang selalu sama. Mengikut kaedah penyediaan dan syarat diperoleh dengan panjang, diameter, struktur, berat, dan hasilnya yang berbeza.

Boleh melayani anda: mikroskop sederhana

Aplikasi nanotube karbon

Sifat -sifat CNT menjadikannya sesuai untuk pelbagai kegunaan.

Mereka telah digunakan dalam bahan struktur untuk elektronik, optik, plastik dan produk lain dalam bidang nanoteknologi, industri aeroangkasa dan pengeluaran automotif.

Nanotube karbon mempunyai kegunaan yang sangat pelbagai. Ini adalah imej sebenar nanotube karbon yang diperolehi dengan mikroskop elektronik. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Komposisi atau campuran bahan dengan CNT

CNT telah digabungkan dengan polimer untuk membuat serat dan kain polimer bertetulang untuk prestasi tinggi. Contohnya telah digunakan untuk mengukuhkan serat polyacrylonitrile untuk tujuan pertahanan.

Campuran CNT dengan polimer juga boleh direka untuk mempunyai sifat memandu elektrik yang berbeza. Mereka meningkatkan bukan sahaja kekuatan dan ketegaran polimer tetapi juga menambah sifat kekonduksian elektrik.

Gentian dan kain CNT juga dihasilkan dengan rintangan yang serupa dengan aluminium dan keluli karbon, tetapi itu lebih ringan daripada ini. Dengan serat seperti itu, perisai badan telah direka.

Mereka juga telah digunakan untuk mendapatkan seramik yang lebih tahan.

Peranti elektronik

Nanotube karbon mempunyai potensi besar dalam penyimpanan elektronik vakum, nanodispositif dan tenaga.

CNT boleh berfungsi sebagai diod, transistor dan geganti (peranti elektromagnet yang membolehkan litar elektrik membuka dan menutup).

Mereka juga boleh memancarkan elektron apabila tertakluk kepada medan elektrik atau jika voltan digunakan.

Sensor gas

Penggunaan CNT dalam sensor gas membolehkan mereka menjadi kecil, padat dan ringan dan yang boleh digabungkan dengan aplikasi elektronik.

Konfigurasi elektronik CNTs menjadikan sensor sangat sensitif terhadap jumlah gas yang sangat kecil dan, di samping itu, CNT boleh disesuaikan secara kimia untuk mengesan gas tertentu.

Aplikasi perubatan

Oleh kerana kawasan permukaannya yang tinggi, kestabilan kimia yang sangat baik dan struktur polylaromatik yang kaya dengan CNT elektron boleh menyerap atau menggabungkan dengan pelbagai molekul terapeutik, seperti ubat -ubatan, protein, antibodi, enzim, vaksin, dan lain -lain.

Mereka telah terbukti menjadi kenderaan yang sangat baik untuk pengangkutan dan pelepasan ubat -ubatan, secara langsung menembusi sel -sel dan menjaga ubat utuh semasa pengangkutan mereka oleh badan.

Yang terakhir membolehkan mengurangkan dos ubat dan ketoksikannya, terutama ubat anti -kanser.

CNTs berguna dalam terapi kanser, jangkitan, pertumbuhan semula tisu, penyakit neurodegeneratif dan sebagai antioksidan.

Mereka juga digunakan dalam diagnosis penyakit, dalam analisis tertentu, seperti biosensor, pemisahan dadah dan pengekstrakan sebatian biokimia.

Mereka juga digunakan dalam prostesis ortopedik dan sebagai bahan sokongan untuk pertumbuhan tisu tulang.

Aplikasi lain

Penggunaannya juga telah dicadangkan sebagai bahan untuk bateri dan membran sel bahan bakar, bateri litium, bateri, supercanders dan penapis kimia.

Kekonduksian elektrik dan relatif yang tinggi menjadikannya berguna sebagai elektrod dalam tindak balas elektrokimia.

Mereka juga boleh mematuhi zarah reaktan dan untuk kawasan dangkal yang besar mereka boleh berfungsi sebagai sokongan pemangkin.

Mereka juga mempunyai keupayaan untuk menyimpan hidrogen, yang mendapati utiliti hebat dalam kenderaan yang bekerja dengan gas ini, kerana dengan CNTS ia dapat diangkut dengan selamat.

Ketoksikan nanotube karbon

Kajian telah mendedahkan kesukaran untuk menilai ketoksikan CNT. Ini seolah -olah bergantung kepada ciri -ciri seperti panjang, ketegaran, kepekatan dan tempoh pendedahan kepada CNT. Ia juga bergantung pada kaedah pengeluaran dan kesucian CNT.

Walau bagaimanapun, adalah disyorkan untuk menggunakan peralatan perlindungan semasa manipulasi CNT kerana terdapat kajian yang menunjukkan persamaan mereka dengan gentian asbestos dan penyedutan habuk CNS boleh menyebabkan kerosakan pada paru -paru.

Juruteknik yang menimbang sampel nanotube karbon. Perlindungan yang anda gunakan boleh diperhatikan. Atau.S. Institut Keselamatan dan Kesihatan Pekerjaan Kebangsaan [Domain Awam]. Sumber: Wikimedia Commons.Imej sebenar bagaimana nanotube karbon melintasi sel paru -paru. Robert r. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova dan Dale W. Porter / niosh [domain awam]. Sumber: Wikimedia Commons.

Rujukan

1. Basu-dutt, s. et al. (2012). Kimia nanotube karbon untuk semua orang. J. Chem. Pendidikan. 2012, 89, 221-229. Pulih dari pub.ACS.org.
2. Bulan, m. dan Kuznetsov, v.L. (editor). (2006). Siapa yang harus diberi kredit untuk penemuan nanotib karbon? Karbon 44 (2006) 1621-1623. Pulih dari Scientedirect.com.
3. Eatemadi, a. et al. (2014). Nanotube karbon: sifat, sintesis, pembersihan, dan aplikasi perubatan. Surat Penyelidikan Nanoscale 2014, 9: 393. NCBI pulih.NLM.NIH.Gov.
4. Saxid, m.Yo. et al. (2016) nanotube karbon dari sintesis ke Dalam vivo Aplikasi Bioperubatan. Jurnal Antarabangsa Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI pulih.NLM.NIH.Gov.
5. Ajayan, ms.M. (1999). Nanotube dari karbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Pulih dari pub.ACS.org.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Kimia nanotube karbon berdinding tunggal. Acc. Chem. Daging lembu. 2002, 35, 1105-1113. Pulih dari pub.ACS.org.
7. Awashi, k. et al. (2005). Sintesis nanotube karbon. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI pulih.NLM.NIH.Gov.
8. Grobert, n. (2007). Nanotube karbon - menjadi bersih. MaterialStoday Volume 10, Isu 1-2, Halaman 28-35. Pulih dari pembaca.Elsevier.com.
9. Dia, h. et al. (2013). Nanotube Karbon: Aplikasi dalam Farmasi dan Perubatan. Biomed res int. 2013; 2013: 578290. NCBI pulih.NLM.NIH.Gov.
10. Francis, a.P. dan devase, t. (2018). Ketoksikan Nanotube Karbon: Kajian. Toksikologi dan Kesihatan Perindustrian (2018) 34, 3. Pulih dari jurnal.Sagepub.com.
11. Haris, v. M. (2017). Geometri nanotube karbon dan mekanisme fagositosis dan kesan toksik. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI pulih.NLM.NIH.Gov.