ВЪГЛЕРОДНИ НАНОТРЪБИ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТОКСИЧНОСТ - ХИМИЯ - 2025

На нанотръби въглеродни са тръби или цилиндри много малки и много тънки образувани само от въглеродни атома (С). Тръбната му структура се вижда само чрез електронни микроскопи. Това е твърд черен материал, съставен от много малки снопове или снопове от няколко десетки нанотръби, сплетени заедно, за да образуват сложна мрежа.

Префиксът „nano“ означава „много малък“. Думата „нано“, използвана при измерването, означава, че тя е една милиардна част от измерването. Например, нанометър (nm) е една милиардна част от метър, тоест 1 nm = 10 ^-9 m.

Проба от въглеродна нанотрубка. Вижда се, че това е черно твърдо вещество с вид на въглерод. Shaddack. Източник: Wikimedia Commons.

Всяка малка въглеродна нанотръба е съставена от един или повече листа графит, обвити около себе си. Те се класифицират в едностенни нанотръби (един валцуван лист) и многостенни нанотръби (два или повече цилиндъра един в друг).

Въглеродните нанотръби са много силни, имат висока устойчивост на счупване и са много гъвкави. Те провеждат много добре топлината и електричеството. Те също съставят много лек материал.

Тези свойства ги правят полезни в различни области на приложение, като например автомобилната, аерокосмическата и електронната промишленост. Те са били използвани и в медицината, например за транспортиране и доставка на противоракови лекарства, ваксини, протеини и др.

Въпреки това, боравенето му трябва да става със защитно оборудване, тъй като при вдишване те могат да причинят увреждане на белите дробове.

Откриване на въглеродни нанотръби

В научната общност има различни мнения за това кой е открил въглеродните нанотръби. Въпреки че има много научни трудове за тези материали, само няколко важни дати са споменати по-долу.

- През 1903 г. френският учен Пелабон наблюдава въглеродни нишки в проба (електронни микроскопи все още не бяха налични към тази дата).

- През 1950 г. физикът Роджър Бейкън от компанията Union Carbide изследва определени проби от въглеродни влакна и наблюдава изображения на прави и кухи нано-пух или нанобиготи (nanowhiskers).

- През 1952 г. руските учени Радушкевич и Лукянович публикуват снимки на изображения на въглеродни нанотръби, синтезирани сами и получени с електронен микроскоп, където ясно се вижда, че те са кухи.

- През 1973 г. руските учени Бочвар и Галперн завършиха серия от изчисления на енергийните нива на молекулни орбитали, показващи, че графитните листове могат да се усукат върху себе си, за да образуват „кухи молекули“.

- През 1976 г. Моринобу Ендо наблюдава въглеродни влакна с издълбан център, получен от пиролизата на бензен и фероцен при 1000 ° С (пиролизата е вид разлагане, което се случва при нагряване до много високи температури при липса на кислород).

- През 1991 г. ентусиазмът за въглеродните нанотръби се разпали, след като Sumio Iijima синтезира въглеродни игли, направени от кухи тръби, използвайки техниката на електрическата дъга.

- През 1993 г. Сумио Айджима и Доналд Бетюн (работещи независимо един от друг) едновременно откриват едностенни въглеродни нанотръби.

Тълкувания на някои от консултираните източници

Според някои източници на информация, може би заслугата за откриването на въглеродни нанотръби трябва да отиде на руските учени Радушкевич и Лукянович през 1952 г.

Смята се, че не им е даден дължимия кредит, тъй като по онова време съществуваше така наречената "студена война" и западните учени нямат достъп до руски статии. Освен това не много от тях биха могли да преведат от руски език, което допълнително забави изследванията им да бъдат анализирани в чужбина.

В много статии се казва, че Iijima е този, който е открил въглеродни нанотръби през 1991 г. Въпреки това, някои изследователи смятат, че влиянието на работата на Iijima се дължи на факта, че науката вече е достигнала достатъчна степен на зрялост, за да оцени значението на въглеродните нанотръби. наноматериали.

Някои казват, че през онези десетилетия физиците по принцип не четат статии в списанията за химия, където вече се обсъждат въглеродни нанотръби и че поради тази причина са били „изненадани“ от статията на Iijima.

Но всичко това не намалява високото качество на работата на Iijima от 1991 г. И разликата в мненията остава.

номенклатура

- въглеродни нанотръбички или CNT (Carbon NanoTubes).

- Едностенни въглеродни нанотръби или SWCNT (Едностенни въглеродни нанотръби).

- Многостенни въглеродни нанотръби или MWCNT (многостенни въглеродни нанотръби).

структура

Физическа структура

Въглеродните нанотръби са много фини и малки епруветки или цилиндри, чиято структура може да се види само с електронен микроскоп. Те се състоят от лист графит (графен), навити в тръба.

Въглеродна нанотръба е валцуван лист от графит или графен: (а) теоретично изображение на лист от графит, (б) теоретично изображение на валцуван лист или нанотрубка от въглерод. OpenStax. Източник: Wikimedia Commons.

Те са кухи цилиндрични молекули, съставени единствено от въглеродни атоми. Въглеродните атоми са подредени под формата на малки шестоъгълници (6-странични многоъгълници), подобни на бензола и свързани помежду си (кондензирани бензолни пръстени).

Чертеж на въглеродна нанотръба, където можете да видите малките шестоъгълници с 6 въглеродни атома. Потребител: Gmdm. Източник: Wikimedia Commons.

Тръбите могат или не могат да бъдат запушени в отворите си и могат да бъдат изключително дълги в сравнение с техните диаметри. Те са еквивалентни на листа от графит (графен), навити в безшевни тръби.

Химическа структура

CNT са полиароматни структури. Връзките между въглеродните атоми са ковалентни (тоест не са йонни). Тези връзки са в една и съща равнина и са много силни.

Силата на връзките C = C прави CNT много твърди и силни. С други думи, стените на тези тръби са много здрави.

Извънплановите фуги са много слаби, което означава, че няма здрави връзки между една и друга тръба. Те обаче са атрактивни сили, които позволяват образуването на снопове или снопове нанотръби.

Класификация според броя на тръбите

Въглеродните нанотръби се разделят на две групи: едностенни нанотръби, или SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), и многостенни нанотръби, или MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Видове нанотръби: (1) реално изображение с многостенни нанотръби, (2) рисуване с едностенни нанотръби, (3) рисуване с графит или графен. W2raphael. Източник: Wikimedia Commons.

Едностенните въглеродни нанотръби (SWCNT) са изградени от един графенов лист, навит в цилиндър, където върховете на шестоъгълниците се вписват перфектно и образуват безшевна тръба.

Многостенните въглеродни нанотръби (MWCNT) са съставени от концентрични цилиндри, поставени около общ кухи център, тоест два или повече кухи цилиндъра, разположени една в друга.

Многостенните нанотръби са съставени от два или повече цилиндъра един в друг. Ерик Визер. Източник: Wikimedia Commons.

Реално изображение на многостенна въглеродна нанотръба, получена с електронен микроскоп. Оксиран. Източник: Wikimedia Commons.

Класификация според формата на навиване

В зависимост от начина на навиване на графеновия лист, образецът, образуван от шестоъгълниците в CNT, може да бъде: с фотьойл, зигзагообразна форма и спирален или хирален. И това влияе върху неговите свойства.

Реално изображение на хирална или спирална въглеродна нанотръба. Taner Yildirim (Национален институт за стандарти и технологии - NIST). Източник: Wikimedia Commons.

Физични свойства

Въглеродните нанотръби са твърди. Те се събират, за да образуват букети, снопове, снопове или "струни" от няколко десетки нанотръби, сплетени заедно, за да образуват много гъста и сложна мрежа.

Реално изображение на въглеродни нанотръби, получени с електронен микроскоп. Вижда се, че те образуват снопове, които се заплитат един с друг. Материалист в английската Уикипедия. Източник: Wikimedia Commons.

Те имат якост на опън, по-голяма от тази на стоманата. Това означава, че те имат висока устойчивост на счупване, когато са подложени на стрес. На теория те могат да бъдат стотици пъти по-силни от стоманата.

Те са много еластични, могат да бъдат огънати, усукани и сгънати без повреди и след това да се върнат в първоначалната си форма. Те са много леки.

Те са добри проводници на топлина и електричество. Твърди се, че имат много гъвкаво електронно поведение или имат висока електронна проводимост.

CNT-тръбите, чиито шестоъгълници са подредени във формата на фотьойл, имат метално поведение или подобно на това на металите.

Тези, подредени в зигзаг и спирален образец, могат да бъдат метални и полупроводникови.

Химични свойства

Поради силата на връзките между техните въглеродни атоми, CNT могат да издържат на много високи температури (750 ° C при атмосферно налягане и 2800 ° C под вакуум).

Краищата на нанотръбите са химически по-реактивни от цилиндричната част. Ако те са подложени на окисляване, краищата първо се окисляват. Ако тръбите са затворени, краищата са отворени.

При лечение с азотна киселина HNO ₃ или сярна киселина H ₂ SO ₄, при определени условия, CNTs могат да образуват карбоксилна тип групи -СООН или хинон тип групи О = CC ₄ H ₄ -C = О.

CNT с по-малки диаметри са по-реактивни. Въглеродните нанотръби могат да съдържат атоми или молекули от други видове във вътрешните си канали.

разтворимост

Поради факта, че CNT нямат функционална група на повърхността си, тя е много хидрофобна, тоест е изключително лошо съвместима с вода и не е разтворима в нея или в неполярни органични разтворители.

Въпреки това, ако те реагират с някои съединения, CNT могат да станат разтворими. Например с азотна киселина HNO ₃ може да се разтвори в някои разтворители от амиден тип при определени условия.

Биохимични свойства

Чистите въглеродни нанотръби са биосъвместими, което означава, че те не са съвместими или са свързани с живота или живите тъкани. Те генерират имунен отговор от тялото, тъй като се считат за агресивни елементи.

Поради тази причина учените химически ги модифицират по такъв начин, че да бъдат приети от тъканите на тялото и да могат да се използват в медицински приложения.

Те могат да взаимодействат с макромолекули като протеини и ДНК, който е протеинът, който съставя гените на живите същества.

Получаване

Въглеродните нанотръби се изработват от графит, като се използват различни техники като лазерно импулсно изпаряване, електрически дъгови изпускания и отлагане на химически пари.

Те също са получени от поток от въглероден окис (CO) с високо налягане чрез каталитичен растеж в газовата фаза.

Наличието на метални катализатори в някои производствени методи помага за изравняването на многостенните нанотръби.

Въглеродният нанотръб обаче не е молекула, която винаги се оказва една и съща. Според метода на приготвяне и условията те се получават с различна дължина, диаметър, структура, тегло и в резултат на това те представят различни свойства.

Приложения на въглеродни нанотръби

Свойствата на CNT ги правят подходящи за голямо разнообразие от приложения.

Те са били използвани в конструктивни материали за електроника, оптика, пластмаси и други продукти в областта на нанотехнологиите, космическото и автомобилното производство.

Въглеродните нанотръби имат много различни приложения. Това е реално изображение на въглеродни нанотръби, получени с електронен микроскоп. Илмар Кинк. Източник: Wikimedia Commons.

Състави или смеси от материали с CNT

CNTs са комбинирани с полимери за получаване на подсилени полимерни влакна и тъкани с висока производителност. Например, те са били използвани за подсилване на полиакрилонитрилни влакна за отбранителни цели.

Смесите от CNT с полимери също могат да бъдат проектирани така, че да притежават различни електропроводими свойства. Те подобряват не само силата и твърдостта на полимера, но също така добавят свойства на електропроводимост.

Влакна и тъкани от CNT също се произвеждат със здравина, подобна на алуминий и въглеродна стомана, но които са много по-леки от тези. Бронирането на тялото е проектирано с такива влакна.

Те са били използвани и за получаване на по-устойчива керамика.

Електронни устройства

Въглеродните нанотръби имат голям потенциал във вакуумната електроника, наноустройствата и съхранението на енергия.

CNT могат да функционират като диоди, транзистори и релета (електромагнитни устройства, които позволяват отваряне и затваряне на електрически вериги).

Те също могат да излъчват електрони, когато са подложени на електрическо поле или ако се приложи напрежение.

Газови сензори

Използването на CNT в сензори за газ позволява те да са малки, компактни и леки и че могат да се комбинират с електронни приложения.

Електронната конфигурация на CNT прави сензорите много чувствителни към изключително малки количества газове и в допълнение CNT могат да бъдат химически адаптирани за откриване на специфични газове.

Медицински приложения

Поради високата си повърхност, отлична химическа стабилност и богата на електрон полиароматична структура, CNT могат да адсорбират или конюгират с голямо разнообразие от терапевтични молекули, като лекарства, протеини, антитела, ензими, ваксини и др.

Те са доказали, че са отлични превозни средства за транспортиране и доставка на наркотици, прониквайки директно в клетките и поддържайки лекарството непокътнато по време на транспортирането му през тялото.

Последното дава възможност да се намали дозата на лекарството и неговата токсичност, особено противоракови лекарства.

CNT се оказаха полезни при терапии срещу рак, инфекции, регенерация на тъканите, невродегенеративни заболявания и като антиоксиданти.

Те се използват и при диагностициране на заболявания, при определени анализи, като биосензори, разделяне на лекарства и извличане на биохимични съединения.

Те се използват и в ортопедични протези и като поддържащ материал за растежа на костната тъкан.

Други приложения

Те също са предложени като материали за мембрани на батерии и горивни клетки, аноди за литиево-йонни батерии, суперкондензатори и химически филтри.

Високата им електрическа проводимост и относителната химическа инертност ги правят полезни като електроди при електрохимични реакции.

Те могат също така да се прилепват към частици от реагента и поради голямата си повърхност могат да функционират като носители на катализатор.

Те също имат капацитет да съхраняват водород, което е много полезно в превозни средства, които се движат на споменатия газ, тъй като с CNTs той може да бъде транспортиран безопасно.

Токсичност на въглеродни нанотрубки

Проучванията разкриха трудности при оценката на токсичността на УНТ. Изглежда, това зависи от характеристики като дължина, твърдост, концентрация и продължителност на излагане на CNT. Това също зависи от производствения метод и чистотата на CNT.

Въпреки това се препоръчва използването на защитно оборудване при работа с CNT, тъй като има изследвания, които показват тяхното сходство с азбестовите влакна и че вдишването на прах от CNT може да причини увреждане на белите дробове.

Техник претегля проби от въглеродни нанотръби. Можете да видите защитните приспособления, които използва. Американски национален институт за безопасност и здраве при работа. Източник: Wikimedia Commons.

Реално изображение за това как въглеродна нанотръба преминава през клетка в белия дроб. Робърт Р. Мърсър, Ан Ф. Хъбс, Джеймс Ф. Скабилони, Лигинг Ванг, Лори А. Батели, Даян Шваглер-Бери, Винсент Кастранова и Дейл У. Портър / NIOSH. Източник: Wikimedia Commons.

Препратки

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012 г.). Химия на въглеродните нанотрубки за всеки. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Възстановено от pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. и Kuznetsov, VL (редактори). (2006 г.). Кой трябва да получи заслугата за откриването на въглеродни нанотръби? Карбон 44 (2006) 1621-1623. Възстановени от sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Въглеродни нанотръби: свойства, синтез, пречистване и медицински приложения. Наноразмерни изследователски писма 2014, 9: 393. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Въглеродни нанотръби от синтез до in vivo биомедицински приложения. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Нанотръби от въглерод. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Възстановено от pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002 г.). Химия на едностенни въглеродни нанотрубки. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Възстановено от pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005 г.). Синтез на въглеродни нанотрубки. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Въглеродни нанотръби - стават чисти. Материал днес Томи 10, Брой 1-2, страници 28-35. Възстановено от читател.elsevier.com.
9. He, H. et al. (2013). Въглеродни нанотръби: Приложения във фармацията и медицината. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Възстановено от ncbi.nlm.nih.gov.
10. Франсис, AP и Devasena, T. (2018). Токсичност на въглеродните нанотръби: Преглед. Токсикология и индустриално здраве (2018) 34, 3. Възстановени от journals.sagepub.com.
11. Харик, VM (2017). Геометрия на въглеродни нанотръби и механизми на фагоцитоза и токсични ефекти. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.