OGLEKĻA NANOCAURULES: STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, PIELIETOJUMS, TOKSICITĀTE - ĶĪMIJA - 2025

Par oglekļa nanocaurulītes ir caurules, vai cilindri ļoti mazi un ļoti plānas veidojas tikai ar oglekļa atomiem (C). Tās cauruļveida struktūra ir redzama tikai caur elektronu mikroskopiem. Tas ir ciets, melns materiāls, kas sastāv no ļoti maziem saišķiem vai vairāku desmitu nanocauruļu saišķiem, kas ir savijušies kopā, veidojot sarežģītu tīklu.

Prefikss "nano" nozīmē "ļoti mazs". Mērījumos izmantotais vārds "nano" nozīmē, ka tā ir viena ceturtā daļa no mērījuma. Piemēram, nanometrs (nm) ir viena metra viena ceturtā daļa, tas ir, 1 nm = 10 ^-9 m.

Oglekļa nanocaurules paraugs. Var redzēt, ka tā ir melna cieta viela ar oglekļa veida izskatu. Shaddack. Avots: Wikimedia Commons.

Katru niecīgu oglekļa nanocauruli veido viena vai vairākas grafīta loksnes, kas apvilktas ap sevi. Tos klasificē atsevišķu sienu nanocaurulēs (viena velmēta loksne) un daudzsienu nanocaurulēs (divi vai vairāki cilindri viens otra iekšpusē).

Oglekļa nanocaurules ir ļoti spēcīgas, tām ir augsta izturība pret salūšanu un tās ir ļoti elastīgas. Viņi ļoti labi vada siltumu un elektrību. Tie ir arī ļoti viegls materiāls.

Šīs īpašības padara tās noderīgas dažādās piemērošanas jomās, piemēram, automobiļu, kosmiskās aviācijas un elektronikas rūpniecībā. Tos izmanto arī medicīnā, piemēram, pretvēža zāļu, vakcīnu, olbaltumvielu utt. Pārvadāšanai un piegādei.

Tomēr ar to ir jārīkojas, izmantojot aizsardzības līdzekļus, jo ieelpojot tie var sabojāt plaušas.

Oglekļa nanocauruļu atklāšana

Zinātnieku aprindās ir atšķirīgi viedokļi par to, kurš atklāja oglekļa nanocaurules. Lai gan par šiem materiāliem ir daudz pētījumu, zemāk ir minēti tikai daži svarīgi datumi.

- 1903. gadā franču zinātnieks Pelabons novēroja oglekļa pavedienus paraugā (elektronu mikroskopi šajā datumā vēl nebija pieejami).

- 1950. gadā fiziķis Rodžers Bekons no Union Carbide uzņēmuma pētīja noteiktus oglekļa šķiedru paraugus un novēroja taisnu un dobu nano-pūku vai nanobigotu (nanowhiskers) attēlus.

- 1952. gadā krievu zinātnieki Raduškevičs un Lukjanovičs publicēja fotoattēlus ar oglekļa nanocaurulīšu attēliem, kas paši sintezēti un iegūti ar elektronu mikroskopu, kur skaidri redzams, ka tie ir dobi.

- 1973. gadā krievu zinātnieki Bohvars un Gal'perns pabeidza molekulāro orbitāļu enerģijas līmeņa aprēķinu sēriju, parādot, ka grafīta loksnes var savērpties uz sevi, veidojot “dobas molekulas”.

- 1976. gadā Morinobu Endo novēroja oglekļa šķiedras ar dobu centru, kas rodas benzola un ferocēna pirolīzē 1000 ° C temperatūrā (pirolīze ir sadalīšanās veids, kas notiek karsējot līdz ļoti augstām temperatūrām, ja nav skābekļa).

- 1991. gadā uzliesmoja entuziasms par oglekļa nanocaurulēm pēc tam, kad Sumio Iijima sintezēja oglekļa adatas, kas izgatavotas no dobām caurulēm, izmantojot elektriskās loka metodi.

- 1993. gadā Sumio Iijima un Donalds Bethūns (darbojoties neatkarīgi viens no otra) vienlaikus atklāja vienas sienas oglekļa nanocaurules.

Dažu izmantoto avotu interpretācija

Saskaņā ar dažiem informācijas avotiem, iespējams, kredīts oglekļa nanocauruļu atklāšanai būtu jāiegūst krievu zinātniekiem Raduškevičam un Lukjanovičam 1952. gadā.

Tiek uzskatīts, ka viņiem netika piešķirts pelnītais kredīts, jo tajā laikā pastāvēja tā dēvētais “aukstais karš” un Rietumu zinātniekiem nebija piekļuves krievu rakstiem. Turklāt daudzus nevarēja tulkot no krievu valodas, kas vēl vairāk aizkavēja viņu pētījumu analīzi ārzemēs.

Daudzos rakstos tiek teikts, ka Iijima bija tā, kas 1991. gadā atklāja oglekļa nanocaurules. Tomēr daži pētnieki lēš, ka Iijima darba ietekme ir saistīta ar faktu, ka zinātne jau bija sasniegusi pietiekamu brieduma pakāpi, lai novērtētu oglekļa nanocauruļu nozīmi. nanomateriāli.

Daži saka, ka šajās desmitgadēs fiziķi parasti nelasīja rakstus ķīmijas žurnālos, kur jau tika apspriesti oglekļa nanocaurules, un ka šī iemesla dēļ viņi bija pārsteigti par Iijima rakstu.

Bet tas nemazina Iijima darba augsto kvalitāti kopš 1991. gada. Un viedokļu atšķirība saglabājas.

Nomenklatūra

- oglekļa nanocaurules vai CNT (oglekļa nanocaurules).

- vienas sienas oglekļa nanocaurules vai SWCNT (vienas sienas oglekļa nanocaurules).

- daudzsienu oglekļa nanocaurules vai MWCNT (daudzsienu oglekļa nanocaurules).

Uzbūve

Fizikālā uzbūve

Oglekļa nanocaurules ir ļoti smalkas un mazas mēģenes vai cilindri, kuru struktūru var redzēt tikai ar elektronu mikroskopu. Tie sastāv no grafīta (grafēna) loksnes, kas velmēta caurulē.

Oglekļa nanocaurule ir grafīta vai grafēna loksne: a) grafīta loksnes teorētiskais attēls; b) velmētās loksnes vai oglekļa nanocaurules teorētiskais attēls. OpenStax. Avots: Wikimedia Commons.

Tās ir dobas cilindriskas molekulas, kas sastāv tikai no oglekļa atomiem. Oglekļa atomi ir sakārtoti mazu sešstūru formā (6-pusveida daudzstūri), kas līdzīgi benzolam un savienoti kopā (kondensēti benzola gredzeni).

Oglekļa nanocaurules rasējums, kurā var redzēt mazos sešstūrus ar 6 oglekļa atomiem. Lietotājs: Gmdm. Avots: Wikimedia Commons.

Caurules var būt aizbāztas pie atverēm, un tās var būt ārkārtīgi garas, salīdzinot ar diametru. Tās ir līdzvērtīgas grafīta (grafēna) loksnēm, kas velmētas bezšuvju caurulēs.

Ķīmiskā struktūra

CNT ir poliaromātiskas struktūras. Saites starp oglekļa atomiem ir kovalentas (tas ir, tās nav jonu). Šīs saites atrodas vienā plaknē un ir ļoti spēcīgas.

C = C saišu izturība padara CNT ļoti stingrus un stiprus. Citiem vārdiem sakot, šo cauruļu sienas ir ļoti spēcīgas.

Ārpusplaknes šuves ir ļoti vājas, kas nozīmē, ka starp vienu cauruli un otru nav spēcīgu savienojumu. Tomēr tie ir pievilcīgi spēki, kas ļauj veidot nanocauruļu saišķus vai saišķus.

Klasifikācija pēc cauruļu skaita

Oglekļa nanocaurules ir sadalītas divās grupās: vienas sienas nanocaurules jeb SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) un daudzsienu nanocaurules jeb MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanocauruļu tipi: (1) daudzsienu nanocaurulīšu reālais attēls, (2) vienas sienas nanocauruļu zīmējums, (3) grafīta vai grafēna loksnes rasējums. W2raphael. Avots: Wikimedia Commons.

Vienu sienu oglekļa nanocaurules (SWCNT) veido viena cilindrā ieskrūvēta grafēna loksne, kurā sešstūru virsotnes lieliski sader kopā, veidojot bezšuvju cauruli.

Daudzsienu oglekļa nanocaurules (MWCNT) veido koncentriski cilindri, kas izvietoti ap kopīgu dobu centru, tas ir, divi vai vairāki dobi cilindri, kas izvietoti viens otra iekšpusē.

Daudzsienu nanocaurules sastāv no diviem vai vairākiem cilindriem viens otra iekšpusē. Ēriks Vīsers. Avots: Wikimedia Commons.

Daudzsienu oglekļa nanocaurules reāls attēls, kas iegūts ar elektronu mikroskopu. Oksirāna. Avots: Wikimedia Commons.

Klasifikācija pēc tinuma formas

Atkarībā no grafēna loksnes velmēšanas shēma, ko CNT veido sešstūri, var būt: krēsla formas, zigzaga formas un spirālveida vai hirāla. Un tas ietekmē tā īpašības.

Hirālā vai spirālveida oglekļa nanocaurules reālais attēls. Taners Yildirims (Nacionālais standartu un tehnoloģijas institūts - NIST). Avots: Wikimedia Commons.

Fizikālās īpašības

Oglekļa nanocaurules ir cietas. Tie sanāk, lai veidotu pušķi, saišķus, saišķus vai "virknes" no vairākiem desmitiem nanocauruļu, kas savijušies kopā, veidojot ļoti blīvu un sarežģītu tīklu.

Oglekļa nanocauruļu reālais attēls, kas iegūts ar elektronu mikroskopu. Var redzēt, ka tie veido saišķus, kas savijas viens ar otru. Materiālu zinātnieks angļu Vikipēdijā. Avots: Wikimedia Commons.

Viņu stiepes izturība ir lielāka nekā tērauda. Tas nozīmē, ka, izturoties pret stresu, tiem ir liela izturība pret salūšanu. Teorētiski tie var būt simtiem reižu stiprāki par tēraudu.

Tie ir ļoti elastīgi, tos var saliekt, savīt un salocīt bez bojājumiem un pēc tam atgriezties sākotnējā formā. Viņi ir ļoti gaiši.

Tie ir labi siltuma un elektrības vadītāji. Viņiem ir raksturīga ļoti daudzveidīga elektroniskā izturēšanās vai augsta elektroniskā vadītspēja.

CNT caurulēm, kuru sešstūri ir sakārtoti atzveltnes krēsla formā, ir izturība pret metālu vai līdzīga metāliem.

Zigzaga un spirālveida rakstā izkārtoti var būt metāliski un pusvadītāji.

Ķīmiskās īpašības

Sakarā ar to, ka saites ir spēcīgas starp to oglekļa atomiem, CNT var izturēt ļoti augstu temperatūru (750 ° C atmosfēras spiedienā un 2800 ° C vakuumā).

Nanocauruļu gali ir ķīmiski reaktīvāki nekā cilindriskā daļa. Ja tie tiek pakļauti oksidēšanai, vispirms tos oksidē. Ja caurules ir aizvērtas, gali ir atvērti.

Kad ārstēti ar slāpekļskābes HNO ₃ vai sērskābes H ₂ SO ₄ saskaņā ar zināmiem nosacījumiem CNTs var veidot karbonskābes tipa grupas, -COOH vai Quinone tipa grupas O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT ar mazāku diametru ir reaktīvāki. Oglekļa nanocaurules savos iekšējos kanālos var saturēt citu sugu atomus vai molekulas.

Šķīdība

Sakarā ar to, ka CNT virsmām nav nevienas funkcionālās grupas, tā ir ļoti hidrofobiska, tas ir, tā ir ārkārtīgi slikti saderīga ar ūdeni un nešķīst tajā vai nepolāros organiskos šķīdinātājos.

Tomēr, ja tie tiek reaģēti ar dažiem savienojumiem, CNT var kļūt šķīstoši. Piemēram, ar slāpekļskābi HNO ₃ noteiktos apstākļos var izšķīdināt dažos amīdu tipa šķīdinātājos.

Bioķīmiskās īpašības

Tīras oglekļa nanocaurules ir bioloģiski nesaderīgas, kas nozīmē, ka tās nav savietojamas vai saistītas ar dzīvību vai dzīviem audiem. Viņi rada ķermeņa imūno reakciju, jo tiek uzskatīti par agresīviem elementiem.

Šī iemesla dēļ zinātnieki tos ķīmiski modificē tā, lai ķermeņa audi tos pieņemtu un varētu izmantot medicīnā.

Viņi var mijiedarboties ar makromolekulām, piemēram, olbaltumvielām un DNS, kas ir olbaltumviela, kas veido dzīvo būtņu gēnus.

Iegūšana

Oglekļa nanocaurules tiek izgatavotas no grafīta, izmantojot dažādas metodes, piemēram, ar lāzera impulsa iztvaicēšanu, elektriskās loka izlādes un ķīmisko tvaiku pārklāšanu.

Tos iegūst arī no oglekļa monoksīda (CO) augsta spiediena plūsmas, katalītiski audzējot gāzes fāzē.

Metālisko katalizatoru klātbūtne dažās ražošanas metodēs palīdz saskaņot daudzsienu nanocaurules.

Tomēr oglekļa nanocaurule nav molekula, kas vienmēr izrādās vienāda. Saskaņā ar sagatavošanas metodi un nosacījumiem tos iegūst ar atšķirīgu garumu, diametru, struktūru, svaru, kā rezultātā tiem ir atšķirīgas īpašības.

Oglekļa nanocauruļu pielietojumi

CNT īpašības padara tos piemērotus visdažādākajiem lietojumiem.

Tos izmanto konstrukciju materiālos elektronikai, optikai, plastmasai un citiem izstrādājumiem nanotehnoloģiju, kosmiskās aviācijas un automobiļu ražošanas jomā.

Oglekļa nanocaurulēm ir daudz dažādu lietojumu. Šis ir īsts oglekļa nanocauruļu attēls, kas iegūts ar elektronu mikroskopu. Ilmārs Kinks. Avots: Wikimedia Commons.

Materiālu maisījumi vai maisījumi ar CNT

CNT ir apvienoti ar polimēriem, lai iegūtu augstas veiktspējas pastiprinātas polimēra šķiedras un audumus. Piemēram, tās ir izmantotas poliakrilnitrila šķiedru pastiprināšanai aizsardzības vajadzībām.

CNT maisījumus ar polimēriem var veidot arī tā, lai tiem būtu dažādas elektrību vadošas īpašības. Tie uzlabo ne tikai polimēra stiprību un stingrību, bet arī palielina elektriskās vadītspējas īpašības.

CNT šķiedras un audumus ražo arī ar stiprību, kas līdzīga alumīnijam un oglekļa tēraudam, bet kas ir daudz vieglāki par šiem. Bruņuvestes ir izstrādātas ar šādām šķiedrām.

Tos izmanto arī, lai iegūtu izturīgāku keramiku.

Elektronikas ierīces

Oglekļa nanocaurulēm ir liels potenciāls vakuuma elektronikā, nanoierīcēs un enerģijas uzkrāšanā.

CNT var darboties kā diodes, tranzistori un releji (elektromagnētiskas ierīces, kas ļauj atvērt un aizvērt elektriskās ķēdes).

Viņi var arī izstarot elektronus, ja tos pakļauj elektriskajam laukam vai ja tiek pielikts spriegums.

Gāzes sensori

CNT izmantošana gāzes sensoros ļauj tiem būt maziem, kompaktiem un viegliem, un tos var apvienot ar elektroniskām lietojumprogrammām.

CNT elektroniskā konfigurācija padara sensorus ļoti jutīgus pret ārkārtīgi nelielu gāzes daudzumu, un turklāt CNT var ķīmiski pielāgot, lai noteiktu specifiskas gāzes.

Medicīnas lietojumi

Sakarā ar lielo virsmas laukumu, lielisko ķīmisko stabilitāti un ar elektroniem bagāto poliaromātisko struktūru CNT var adsorbēt vai konjugēt ar visdažādākajām terapeitiskajām molekulām, piemēram, zālēm, olbaltumvielām, antivielām, fermentiem, vakcīnām utt.

Tie ir pierādījuši, ka ir lieliski transporta līdzekļi narkotiku pārvadāšanai un piegādei, tieši iekļūstot šūnās un saglabājot zāles neskartas to pārvadāšanas laikā caur ķermeni.

Pēdējais ļauj samazināt zāļu devu un tā toksicitāti, īpaši pretvēža zāles.

CNT ir izrādījušies noderīgi terapijā pret vēzi, infekcijām, audu reģenerāciju, neirodeģeneratīvām slimībām un kā antioksidanti.

Tos izmanto arī slimību diagnosticēšanā, noteiktās analīzēs, piemēram, biosensoros, zāļu atdalīšanā un bioķīmisko savienojumu ekstrahēšanā.

Tos izmanto arī ortopēdiskajās protēzēs un kā palīgmateriālu kaulu audu augšanai.

Citas lietotnes

Tie ir ierosināti arī kā materiāli akumulatoru un kurināmā elementu membrānām, anodi litija jonu baterijām, superkondensatori un ķīmiskie filtri.

Viņu augstā elektriskā vadītspēja un relatīvā ķīmiskā inerce padara tos noderīgus kā elektrodus elektroķīmiskās reakcijās.

Tās var arī pielīmēt reaģējošās daļiņas un, ņemot vērā lielo virsmas laukumu, tās var darboties kā katalizatora balsti.

Viņiem ir arī spēja uzglabāt ūdeņradi, kas ir ļoti noderīgi transportlīdzekļos, kuri darbojas ar minēto gāzi, jo ar CNT to var droši transportēt.

Oglekļa nanocauruļu toksicitāte

Pētījumos atklājās grūtības CNT toksicitātes novērtēšanā. Liekas, ka tas ir atkarīgs no tādām īpašībām kā CNT iedarbības ilgums, stīvums, koncentrācija un ilgums. Tas ir atkarīgs arī no CNT ražošanas metodes un tīrības.

Tomēr, apstrādājot CNT, ieteicams lietot aizsarglīdzekļus, jo ir pētījumi, kas norāda uz to līdzību ar azbesta šķiedrām un ka CNT putekļu ieelpošana var izraisīt plaušu bojājumus.

Tehniķis, nosverot oglekļa nanocauruļu paraugus. Jūs varat redzēt aizsargierīces, kuras tā izmanto. ASV Nacionālais darba drošības un veselības institūts. Avots: Wikimedia Commons.

Īsts attēls par to, kā oglekļa nanocaurule iet caur plaušu šūnu. Roberts R. Merceris, Ann F. Habsa, Džeimss F. Scabilloni, Liying Vangs, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova un Dale W. Porter / NIOSH. Avots: Wikimedia Commons.

Atsauces

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Oglekļa nanocauruļu ķīmija ikvienam. J. Chem. Educ., 2012, 89, 221–229. Atgūts no pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. un Kuznetsov, VL (redaktori). (2006). Kam jāpiešķir kredīts oglekļa nanocauruļu atklāšanai? Ogleklis 44 (2006) 1621-1623. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Oglekļa nanocaurules: īpašības, sintēze, attīrīšana un izmantojums medicīnā. Nanosu mēroga pētījumu vēstules 2014, 9: 393. Atgūts no ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Oglekļa nanocaurules no sintēzes līdz in vivo biomedicīnas lietojumiem. Starptautiskais farmācijas žurnāls 501 (2016) 278–299. Atgūts no ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajajana, PM (1999). Nanocaurules no oglekļa. Chem., 1999, 99, 1787-1799. Atgūts no pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Viensienu oglekļa nanocauruļu ķīmija. Acc. Chem. Res., 2002, 35, 1105-1113. Atgūts no pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Oglekļa nanocauruļu sintēze. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Atgūts no ncbi.nlm.nih.gov.
8. Groberts, N. (2007). Oglekļa nanocaurules - kļūst tīras. Materialstoday 10. sējums, 1. – 2. Izdevums, 28. – 35. Lpp. Atgūts no lasītāja.elsevier.com.
9. Viņš, H. et al. (2013). Oglekļa nanocaurules: pielietojums farmācijā un medicīnā. Biomed Res Int., 2013; 2013: 578290. Atgūts no vietnes ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP un Devasena, T. (2018). Oglekļa nanocauruļu toksicitāte: pārskats. Toksikoloģija un rūpnieciskā veselība (2018) 34, 3. Atgūts no journals.sagepub.com.
11. Hariks, VM (2017). Oglekļa nanocauruļu ģeometrija, fagocitozes un toksiskās iedarbības mehānismi. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Atgūts no ncbi.nlm.nih.gov.