ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ, ТОКСИЧНІСТЬ - ХІМІЯ - 2025

Ці вуглецеві нанотрубки представляють собою трубка або циліндри дуже маленькі і дуже тонкі , створено лише самими атоми вуглецю (C). Його трубчаста структура видно лише за допомогою електронних мікроскопів. Це твердий чорний матеріал, що складається з дуже маленьких пучків або пучків з декількох десятків нанотрубок, зв'язаних між собою, утворюючи складну мережу.

Префікс "nano" означає "дуже малий". Слово "нано", яке використовується для вимірювання, означає, що воно становить одну мільярдну частину вимірювання. Наприклад, нанометр (нм) становить одну мільярдну частину метра, тобто 1 нм = 10 ^-9 м.

Зразок вуглецевої нанотрубки. Видно, що це чорне тверде тіло з вуглецевим виглядом. Шаддак. Джерело: Wikimedia Commons.

Кожна крихітна вуглецева нанотрубка складається з одного або декількох аркушів графіту, обгорнутих навколо себе. Їх класифікують на одностінні нанотрубки (однопрокатний лист) і багатостінні нанотрубки (два або більше циліндрів одна всередині іншої).

Вуглецеві нанотрубки дуже міцні, мають високу стійкість до руйнування і дуже гнучкі. Вони дуже добре проводять тепло та електрику. Вони також складають дуже легкий матеріал.

Ці властивості роблять їх корисними в різних областях застосування, таких як автомобільна, космічна та електронна промисловість. Вони також використовуються в медицині, наприклад, для транспортування та доставки протиракових препаратів, вакцин, білків тощо.

Однак поводження з ним повинно здійснюватися із захисними засобами, оскільки при вдиханні вони можуть пошкодити легені.

Відкриття вуглецевих нанотрубок

У науковій спільноті існують різні думки щодо того, хто виявив вуглецеві нанотрубки. Незважаючи на те, що на цих матеріалах існує багато наукових праць, нижче наведено лише кілька важливих дат.

- У 1903 р. Французький вчений Пелабон спостерігав вуглецеві нитки у зразку (електронні мікроскопи на даний момент ще не були доступні).

- У 1950 році фізик Роджер Бекон з компанії Union Carbide вивчав певні зразки вуглецевих волокон і спостерігав зображення прямих і порожнистих нано-пух або нанобіготів (наногіскерів).

- У 1952 р. Російські вчені Радушкевич та Лук’янович опублікували фотографії зображень вуглецевих нанотрубок, синтезованих самими собою та отриманих за допомогою електронного мікроскопа, де чітко видно, що вони порожні.

- У 1973 р. Російські вчені Бохвар і Гальперн завершили серію розрахунків енергетичних рівнів молекулярних орбіталей, показавши, що графітові аркуші можуть скручуватися на собі, утворюючи «порожнисті молекули».

- У 1976 році Морінобу Ендо спостерігав вуглецеві волокна з порожнистим центром, що утворюється при піролізі бензолу та фероцену при 1000 ° С (піроліз - це тип розкладання, який відбувається при нагріванні до дуже високих температур за відсутності кисню).

- У 1991 році захоплення вуглецевими нанотрубками було викликано після того, як Суміо Іджіма синтезував вуглецеві голки, виготовлені з порожнистих трубок, використовуючи техніку електричної дуги.

- У 1993 році Суміо Айджіма та Дональд Бетюн (працюючи незалежно один від одного) одночасно виявили односмугові вуглецеві нанотрубки.

Інтерпретації деяких джерел, з якими консультувалися

За деякими джерелами інформації, можливо, заслуга у відкритті вуглецевих нанотрубок повинна бути приділена російським вченим Радушкевичу та Лук’яновичу в 1952 році.

Вважається, що їм не дали заслуженої заслуги, оскільки в той час існувала так звана «холодна війна», а західні вчені не мали доступу до російських статей. Крім того, не багато хто може перекласти з російської, що ще більше затримало їх дослідження від аналізу за кордоном.

У багатьох статтях йдеться про те, що Іїджіма виявив вуглецеві нанотрубки в 1991 році. Однак деякі дослідники вважають, що вплив роботи Іджіма пов'язаний з тим, що наука вже досягла достатнього ступеня зрілості, щоб оцінити важливість вуглецевих нанотрубок. наноматеріалів.

Деякі кажуть, що в ті десятиліття фізики взагалі не читали статей у журналах з хімії, де вже обговорювалися вуглецеві нанотрубки, і з цієї причини вони були "здивовані" статтею Iijima.

Але все це не зменшує високу якість роботи Iijima з 1991 року. І різниця в думках залишається.

Номенклатура

- Вуглецеві нанотрубки, або УНТ (Carbon NanoTubes).

- Одностінні вуглецеві нанотрубки, або SWCNT (Односмінні вуглецеві нанотрубки).

- багатостінні вуглецеві нанотрубки, або MWCNT (багатостінні вуглецеві нанотрубки).

Будова

Фізична будова

Вуглецеві нанотрубки - це дуже дрібні трубки або циліндри, структуру яких можна побачити лише за допомогою електронного мікроскопа. Вони складаються з листа графіту (графена), згорнутого в трубочку.

Вуглецева нанотрубка - це рулонний лист графіту або графена: (а) теоретичне зображення листа графіту, (б) теоретичне зображення рулонного листа або нанотрубки з вуглецю. OpenStax. Джерело: Wikimedia Commons.

Вони являють собою порожнисті циліндричні молекули, що складаються виключно з атомів вуглецю. Атоми вуглецю розташовані у вигляді невеликих шестикутників (6-сторінних багатокутників), схожих на бензол і пов'язаних між собою (конденсовані бензольні кільця).

Малюнок вуглецевої нанотрубки, де можна побачити маленькі шестикутники з 6 атомів вуглецю. Користувач: Gmdm Джерело: Wikimedia Commons.

Трубки можуть або не можуть бути закупорені у своїх отворах і можуть бути надзвичайно довгими порівняно з їх діаметрами. Вони еквівалентні аркушам графіту (графену), згорнутого в безшовні трубки.

Хімічна структура

УНТ - це поліароматичні структури. Зв’язки між атомами вуглецю є ковалентними (тобто не є іонними). Ці зв'язки знаходяться в одній площині і дуже міцні.

Міцність зв'язків С = С робить УНТ дуже жорсткими і міцними. Іншими словами, стінки цих трубок дуже міцні.

Позашляхові суглоби дуже слабкі, це означає, що між однією трубкою та іншою не існує міцних з'єднань. Однак вони є привабливими силами, які дозволяють утворювати пучки або пучки нанотрубок.

Класифікація за кількістю трубок

Вуглецеві нанотрубки діляться на дві групи: одностінні нанотрубки, або SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), і багатостінні нанотрубки, або MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Типи нанотрубок: (1) реальне зображення з багатостінних нанотрубок, (2) малюнок з однотонних нанотрубок, (3) малюнок на графіті або графені. W2raphael. Джерело: Wikimedia Commons.

Одностінні вуглецеві нанотрубки (SWCNT) складаються з одного графенового листа, згорнутого в циліндр, де вершини шестикутників ідеально поєднуються, утворюючи безшовну трубку.

Багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT) складаються з концентричних циліндрів, розміщених навколо загального порожнистого центру, тобто двох або більше порожніх циліндрів, розміщених всередині один одного.

Багатостінні нанотрубки складаються з двох або більше циліндрів одна всередині іншої. Ерік Візер. Джерело: Wikimedia Commons.

Реальне зображення багатостінної вуглецевої нанотрубки, отриманої за допомогою електронного мікроскопа. Оксиран. Джерело: Wikimedia Commons.

Класифікація за формою намотування

Залежно від способу згортання графенового аркуша, візерунок, утворений шестикутниками в УНТ, може бути: стілець, зигзагоподібний і спіральний або хіральний. І це впливає на його властивості.

Реальне зображення хіральної або спіральної вуглецевої нанотрубки. Taner Yildirim (Національний інститут стандартів і технологій - NIST). Джерело: Wikimedia Commons.

Фізичні властивості

Вуглецеві нанотрубки є твердими. Вони збираються разом, утворюючи букети, пучки, пучки або "струни" з декількох десятків нанотрубок, зв'язаних між собою і утворюючи дуже щільну і складну мережу.

Реальне зображення вуглецевих нанотрубок, отриманих за допомогою електронного мікроскопа. Видно, що вони утворюють пучки, які заплутуються між собою. Матеріолог в англійській Вікіпедії. Джерело: Wikimedia Commons.

Вони мають міцність на розрив більше, ніж у сталі. Це означає, що вони мають високу стійкість до руйнування, коли вони піддаються стресу. Теоретично вони можуть бути в сотні разів міцнішими за сталь.

Вони дуже еластичні, їх можна зігнути, скрутити і скласти без пошкоджень, а потім повернути до початкової форми. Вони дуже легкі.

Вони хороші провідники тепла та електрики. Кажуть, вони мають дуже універсальну електронну поведінку або мають високу електронну провідність.

Трубки з УНТ, шестикутники яких розташовані за формою стільця, мають металеву поведінку або схожі на метали.

Ці елементи, розташовані в зигзагоподібному та гвинтовому візерунку, можуть бути металевими та напівпровідниковими.

Хімічні властивості

Завдяки міцності зв’язків між їх атомами вуглецю, УНТ можуть витримувати дуже високі температури (750 ° С при атмосферному тиску і 2800 ° С у вакуумі).

Кінці нанотрубок хімічно більш реактивні, ніж циліндрична частина. Якщо вони піддаються окисленню, кінці спочатку окислюються. Якщо трубки закриті, кінці відкриваються.

При обробці азотною кислотою HNO ₃ або сірчаною кислотою H ₂ SO ₄ за певних умов УНТ можуть утворювати групи карбонового типу -COOH або групи хінонового типу O = CC ₄ H ₄ -C = O.

УНТ з меншими діаметрами більш реактивні. Вуглецеві нанотрубки можуть містити атоми або молекули інших видів у своїх внутрішніх каналах.

Розчинність

Через те, що УНТ не має жодної функціональної групи на своїй поверхні, вона дуже гідрофобна, тобто надзвичайно погано сумісна з водою і не розчиняється в ній або в неполярних органічних розчинниках.

Однак, якщо вони вступають у реакцію з деякими сполуками, УНТ можуть стати розчинними. Наприклад, азотна кислота HNO ₃ може бути розчинена в деяких розчинниках амідного типу за певних умов.

Біохімічні властивості

Чисті вуглецеві нанотрубки є біологічно сумісними, тобто вони не сумісні або пов'язані з життям або живими тканинами. Вони виробляють імунну відповідь організму, оскільки їх вважають агресивними елементами.

З цієї причини вчені хімічно модифікують їх таким чином, щоб вони приймалися тканинами організму і могли використовуватися в медичних додатках.

Вони можуть взаємодіяти з макромолекулами, такими як білки та ДНК, який є білком, що складає гени живих істот.

Отримання

Вуглецеві нанотрубки виготовляють із графіту різними методами, такими як лазерне випаровування імпульсів, електричні дугові розряди та осадження хімічної пари.

Вони також були отримані з потоку оксиду вуглецю (СО) високого тиску шляхом каталітичного зростання в газовій фазі.

Наявність металевих каталізаторів у деяких способах виробництва сприяє вирівнюванню багатостінних нанотрубок.

Однак вуглецева нанотрубка - це не молекула, яка завжди виявляється однаковою. За способом приготування та умовами їх отримують з різною довжиною, діаметром, структурою, масою, і в результаті вони мають різні властивості.

Застосування вуглецевих нанотрубок

Властивості CNT роблять їх придатними для широкого використання.

Вони використовуються в конструкційних матеріалах для електроніки, оптики, пластмаси та інших виробів у галузі нанотехнологій, аерокосмічного та автомобільного виробництва.

Вуглецеві нанотрубки мають багато різних цілей. Це справжнє зображення вуглецевих нанотрубок, отриманих за допомогою електронного мікроскопа. Ільмар Кінк. Джерело: Wikimedia Commons.

Композиції або суміші матеріалів з УНТ

CNT були поєднані з полімерами для отримання високоефективних полімерних волокон і тканин. Наприклад, вони використовувались для зміцнення поліакрилонітрилових волокон для оборонних цілей.

Суміші УНТ з полімерами також можуть бути розроблені таким чином, щоб вони мали різні електропровідні властивості. Вони покращують не тільки міцність і жорсткість полімеру, але й додають властивостей електропровідності.

Волокна та тканини УНТ також виготовляються із міцністю, подібною до алюмінієвої та вуглецевої сталі, але вони набагато легші за ці. Бронежилети були розроблені саме з таких волокон.

Вони також використовувались для отримання більш стійкої кераміки.

Електронні пристрої

Вуглецеві нанотрубки мають великий потенціал у вакуумній електроніці, нанопристроях та накопиченні енергії.

УНТ можуть функціонувати як діоди, транзистори та реле (електромагнітні пристрої, що дозволяють відкривати і закривати електричні ланцюги).

Вони також можуть випромінювати електрони, піддаючись електричному полі або якщо подається напруга.

Газові датчики

Використання УНТ в газових датчиках дозволяє бути невеликими, компактними та легкими, і їх можна комбінувати з електронними програмами.

Електронна конфігурація УНТ робить сенсори дуже чутливими до надзвичайно малих кількостей газів, а крім того, УНТ можуть бути хімічно адаптовані для виявлення конкретних газів.

Медичне застосування

Завдяки високій поверхні поверхні, чудовій хімічній стійкості та багатої електронами поліароматичній структурі, УНТ можуть адсорбуватися або кон'югуватися з найрізноманітнішими терапевтичними молекулами, такими як ліки, білки, антитіла, ферменти, вакцини тощо.

Вони зарекомендували себе відмінними транспортними засобами для транспортування та доставки наркотиків, проникаючи безпосередньо в клітини та зберігаючи наркотик неушкодженим під час транспортування через організм.

Останнє дозволяє зменшити дозу ліки та його токсичність, особливо протипухлинних препаратів.

УНТ виявився корисним у терапії проти раку, інфекцій, регенерації тканин, нейродегенеративних захворювань та як антиоксидантів.

Вони також використовуються в діагностиці захворювань, в певних аналізах, таких як біосенсори, відділення лікарських засобів та вилучення біохімічних сполук.

Вони також використовуються в ортопедичних протезах і як опорний матеріал для росту кісткової тканини.

Інші програми

Вони також пропонуються як матеріали для мембран акумуляторних батарей та паливних елементів, анодів для літій-іонних акумуляторів, суперконденсаторів та хімічних фільтрів.

Їх висока електропровідність та відносна хімічна інертність роблять їх корисними як електроди в електрохімічних реакціях.

Вони також можуть прилипати до частинок реагенту і завдяки великій площі поверхні можуть функціонувати як опори каталізатора.

Вони також мають ємність для зберігання водню, що дуже корисно в транспортних засобах, які працюють на згаданому газі, оскільки з УНТ його можна було безпечно транспортувати.

Токсичність вуглецевих нанотрубок

Дослідження виявили труднощі в оцінці токсичності УНТ. Схоже, це залежить від таких характеристик, як довжина, жорсткість, концентрація та тривалість впливу УНТ. Це також залежить від способу виробництва та чистоти УНТ.

Однак рекомендується використовувати захисні засоби під час поводження з УНТ, оскільки існують дослідження, які свідчать про їхню схожість з азбестовими волокнами і що вдихання пилу з УНТ може спричинити пошкодження легенів.

Технік зважував зразки вуглецевих нанотрубок. Ви можете побачити захисні знаряддя, які він використовує. Національний інститут охорони праці США. Джерело: Wikimedia Commons.

Реальне зображення того, як вуглецева нанотрубка проходить через клітину в легені. Роберт Р. Мерсер, Ен Ф. Хаббс, Джеймс Ф. Скабіллоні, Ліянг Ван, Лорі А. Баттеллі, Діана Швеглер-Беррі, Вінсент Кастранова та Дейл У. Портер / NIOSH. Джерело: Wikimedia Commons.

Список літератури

1. Басу-Датт, С. та ін. (2012 р.). Хімія вуглецевих нанотрубок для кожного. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Відновлено з pubs.acs.org.
2. Монтіо, М. та Кузнєцов, В.Л. (редактори). (2006). Кому слід віддати кредит за відкриття вуглецевих нанотрубок? Карбон 44 (2006) 1621-1623. Відновлено з sciencedirect.com.
3. Етемаді, А. та ін. (2014). Вуглецеві нанотрубки: властивості, синтез, очищення та медичне застосування. Нанорозмірні дослідницькі листи 2014, 9: 393. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
4. Садід, М.І. та ін. (2016) Вуглецеві нанотрубки від синтезу до біомедичних застосувань in vivo. Міжнародний журнал фармацевтичної медицини 501 (2016) 278-299. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
5. Аджаян, прем'єр-міністр (1999). Нанотрубки з вуглецю. Хім. 1999, 99, 1787-1799. Відновлено з pubs.acs.org.
6. Нійогі, С. та ін. (2002). Хімія однотонних вуглецевих нанотрубок. Хімічна хімія, 2002, 35, 1105-1113. Відновлено з pubs.acs.org.
7. Авасті, К. та ін. (2005). Синтез вуглецевих нанотрубок. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
8. Гробер, Н. (2007). Вуглецеві нанотрубки - стають чистими. Матеріал сьогоднішньої книги, том 10, випуски 1-2, сторінки 28-35. Відновлено з читача.elsevier.com.
9. Він, Х. та ін. (2013). Вуглецеві нанотрубки: застосування у фармації та медицині. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
10. Френсіс, А. П. та Девасена, Т. (2018). Токсичність вуглецевих нанотрубок: огляд. Токсикологія та промислове здоров'я (2018) 34, 3. Відновлено від journals.sagepub.com.
11. Харик, В.М. (2017). Геометрія вуглецевих нанотрубок і механізми фагоцитозу та токсичні ефекти. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.