KARBON NANORØR: STRUKTUR, EGENSKAPER, ANVENDELSER, GIFTIGHET - KJEMI - 2026

De karbonnanorør er rør eller sylindre meget små og meget tynne dannet kun av karbonatomer (C). Dets rørformede struktur er bare synlig gjennom elektronmikroskop. Det er et solid svart materiale, sammensatt av veldig små bunter eller bunter med flere dusin nanorør, sammenfiltret for å danne et komplisert nettverk.

Prefikset "nano" betyr "veldig lite." Ordet "nano" brukt i måling betyr at det er en milliarddel av en måling. For eksempel er et nanometer (nm) en milliarddel meter, det vil si 1 nm = 10 ^-9 m.

Prøve av nanorør av karbon. Det kan sees at det er et svart fast stoff med et karbonlignende utseende. Shaddack. Kilde: Wikimedia Commons.

Hver ørsmå karbon nanorør består av ett eller flere ark grafitt pakket rundt seg selv. De er klassifisert i enkeltveggede nanorør (et enkelt valset ark) og flerveggede nanorør (to eller flere sylindere i det andre).

Karbon nanorør er veldig sterke, har høy motstand mot brudd og er veldig fleksible. De leder varme og strøm veldig bra. De utgjør også et veldig lett materiale.

Disse egenskapene gjør dem nyttige innen forskjellige bruksområder, som blant annet bilindustrien, romfart og elektronikkindustrien. De har også blitt brukt i medisin, for eksempel for å transportere og levere kreftmedisiner, vaksiner, proteiner, etc.

Imidlertid må håndteringen utføres med verneutstyr, da de kan forårsake skade på lungene når de inhaleres.

Oppdagelse av karbon nanorør

Det er forskjellige meninger i det vitenskapelige samfunnet om hvem som oppdaget karbon nanorør. Selv om det er mange forskningsartikler om disse materialene, er bare noen få viktige datoer nevnt nedenfor.

- I 1903 observerte den franske forskeren Pélabon karbonfilamenter i en prøve (elektronmikroskop var ennå ikke tilgjengelig på dette tidspunktet).

- I 1950 studerte fysiker Roger Bacon fra Union Carbide-selskapet visse prøver av karbonfibre og observerte bilder av rette og hule nano-fluff eller nanobigots (nanowhiskers).

- I 1952 publiserte de russiske forskerne Radushkevich og Lukyanovich bilder av bilder av karbon nanorør som var syntetisert av seg selv og oppnådd med et elektronmikroskop, hvor det tydelig observeres at de er hule.

- I 1973 gjennomførte russiske forskere Bochvar og Gal'pern en serie beregninger av energinivået til molekylære orbitaler som viser at grafittark kan vri seg på seg selv for å danne "hule molekyler".

- I 1976 observerte Morinobu Endo karbonfibre med et uthulet senter produsert ved pyrolyse av benzen og ferrocen ved 1000 ° C (pyrolyse er en type nedbrytning som skjer ved oppvarming til veldig høye temperaturer i fravær av oksygen).

- I 1991 ble entusiasme for karbon nanorør vekket etter at Sumio Iijima syntetiserte karbonnåler laget av hule rør ved bruk av elektrisk lysbue-teknikk.

- I 1993 oppdaget Sumio Iijima og Donald Bethune (arbeider uavhengig av hverandre) samtidig enveggede karbon nanorør.

Tolkninger av noen av kildene som er konsultert

I følge noen informasjonskilder, kan æren for oppdagelsen av karbon nanorør være til de russiske forskerne Radushkevich og Lukyanovich i 1952.

Det antas at de ikke fikk sin fortjente kreditt fordi den gang den såkalte "kalde krigen" eksisterte og vestlige forskere ikke hadde tilgang til russiske artikler. I tillegg var det ikke mange som kunne oversette fra russisk, noe som ytterligere forsinket forskningen fra å bli analysert i utlandet.

I mange artikler sies det at Iijima var den som oppdaget karbon-nanorør i 1991. Imidlertid anslår noen forskere at virkningen av Iijimas arbeid skyldes det faktum at vitenskapen allerede hadde nådd en tilstrekkelig modenhetsgrad til å sette pris på viktigheten av karbon-nanorør. nanomaterialer.

Noen sier at fysikere i de tiårene generelt ikke leste artikler i kjemitidsskrifter, hvor karbon nanorør allerede ble diskutert, og at de av denne grunn ble "overrasket" over Iijimas artikkel.

Men alt dette reduserer ikke den høye kvaliteten på Iijimas arbeid fra 1991. Og meningsforskjellen er fortsatt.

nomenklatur

- Carbon nanotubes, eller CNTs (Carbon NanoTubes).

- Envegget karbon nanorør, eller SWCNTs (Envegget karbon nanorør).

- Flerveggede karbon nanorør, eller MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktur

Fysisk struktur

Karbon nanorør er veldig fine og små rør eller sylindere hvis struktur bare kan sees med et elektronmikroskop. De består av et ark grafitt (grafen) rullet inn i et rør.

En karbon nanorør er et valset ark med grafitt eller grafen: (a) teoretisk bilde av ark av grafitt, (b) teoretisk bilde av valset ark eller nanorør av karbon. OpenStax. Kilde: Wikimedia Commons.

De er uthulde sylindriske molekyler som kun består av karbonatomer. Karbonatomene er anordnet i form av små sekskanter (6-sidige polygoner) som ligner benzen og kobles sammen (kondenserte benzenringer).

Tegning av en karbon nanorør hvor du kan se de små sekskantene med 6 karbonatomer. Bruker: Gmdm. Kilde: Wikimedia Commons.

Rørene kan være plugget på åpningene sine og kan være ekstremt lange sammenlignet med deres diametre. De tilsvarer ark grafitt (grafen) rullet inn i sømløse rør.

Kjemisk struktur

CNT-er er polyaromatiske strukturer. Bindingene mellom karbonatomer er kovalente (det vil si at de ikke er ioniske). Disse koblingene er innenfor samme plan og er veldig sterke.

Styrken til C = C-bindinger gjør CNT-er veldig stive og sterke. Med andre ord, veggene i disse rørene er veldig sterke.

Ute av fly er veldig svake, noe som betyr at det ikke er sterke ledd mellom det ene røret og det andre. Imidlertid er de attraktive krefter som tillater dannelse av bunter eller bunter av nanorør.

Klassifisering i henhold til antall rør

Carbon nanotubes er delt inn i to grupper: single-wall nanotubes, eller SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), og multi-wall nanotubes, eller MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanotube-typer: (1) flervegget nanotube-ekte bilde, (2) enkeltvegget nanotube-tegning, (3) tegning av grafitt eller grafenark. W2raphael. Kilde: Wikimedia Commons.

Enkeltveggede karbon nanorør (SWCNTs) består av et enkelt grafenark rullet inn i en sylinder, der sekskantene av sekskanten passer perfekt sammen for å danne et sømløst rør.

Flerveggede karbon nanorør (MWCNTs) består av konsentriske sylindre plassert rundt et felles hulsenter, det vil si to eller flere hule sylindere plassert inni hverandre.

Flerveggede nanorør består av to eller flere sylindere i den andre. Eric Wieser. Kilde: Wikimedia Commons.

Ekte bilde av et flervegget karbon nanorør oppnådd med et elektronmikroskop. Oxirane. Kilde: Wikimedia Commons.

Klassifisering i henhold til form av vikling

Avhengig av hvordan grafenarket rulles, kan mønsteret dannet av sekskanten i CNT-ene være: lenestolformet, sikksakkformet og spiralformet eller chiralt. Og dette påvirker dens egenskaper.

Ekte bilde av chiral eller spiralformet karbon nanorør. Taner Yildirim (Nasjonalt institutt for standarder og teknologi - NIST). Kilde: Wikimedia Commons.

Fysiske egenskaper

Karbon nanorør er faste. De kommer sammen for å danne buketter, bunter, bunter eller "strenger" av flere dusin nanorør, sammenfiltret for å danne et veldig tett og komplisert nettverk.

Ekte bilde av karbon nanorør oppnådd med et elektronmikroskop. Det kan sees at de danner bunter som blir viklet inn i hverandre. Materialscientist på engelsk Wikipedia. Kilde: Wikimedia Commons.

De har en strekkfasthet større enn stål. Dette betyr at de har en høy motstand mot å bryte når de utsettes for stress. I teorien kan de være hundrevis av ganger sterkere enn stål.

De er veldig elastiske, de kan bøyes, vris og brettes uten skader og deretter vende tilbake til sin opprinnelige form. De er veldig lette.

De er gode ledere av varme og strøm. De sies å ha svært allsidig elektronisk oppførsel eller ha høy elektronisk ledningsevne.

CNT-rør hvis sekskanter er anordnet i form av en lenestol har metallisk oppførsel eller lignende som metaller.

De som er ordnet i en sikksakk og et spiralformet mønster, kan være metallisk og halvleder.

Kjemiske egenskaper

På grunn av styrken til bindingene mellom deres karbonatomer, tåler CNT-er veldig høye temperaturer (750 ° C ved atmosfæretrykk og 2800 ° C under vakuum).

Endene av nanorørene er kjemisk mer reaktive enn den sylindriske delen. Hvis de blir utsatt for oksidasjon, oksideres endene først. Hvis rørene er lukket, åpnes endene.

Ved behandling med salpetersyre HNO ₃ eller svovelsyre H ₂ SO ₄ under visse betingelser kan danne CNTs karboksylsyre-type grupper -COOH eller kinon-type grupper O = CC _4- H ₄ -CH = O.

CNT-er med mindre diametre er mer reaktive. Karbon nanorør kan inneholde atomer eller molekyler av andre arter i deres indre kanaler.

løselighet

På grunn av det faktum at CNT-er ikke har noen funksjonell gruppe på overflaten, er den veldig hydrofob, det vil si at den er ekstremt dårlig kompatibel med vann og er ikke løselig i den eller i ikke-polare organiske løsningsmidler.

Imidlertid, hvis de blir reagert med noen forbindelser, kan CNT-ene bli oppløselige. For eksempel med salpetersyre kan HNO ₃ solubiliseres i noen oppløsningsmidler av amidtypen under visse betingelser.

Biokjemiske egenskaper

Rene karbon nanorør er biokompatible, noe som betyr at de ikke er kompatible eller relatert til liv eller levende vev. De genererer en immunrespons fra kroppen, da de regnes som aggressive elementer.

Av denne grunn modifiserer forskere dem kjemisk på en slik måte at de blir akseptert av kroppens vev og kan brukes i medisinsk bruk.

De kan samhandle med makromolekyler som proteiner og DNA, som er proteinet som utgjør gener fra levende vesener.

Å skaffe

Karbon nanorør er laget av grafitt ved hjelp av forskjellige teknikker som laserpulsfordamping, elektrisk lysbueutladning og kjemisk dampavsetning.

De er også oppnådd fra en høytrykksstrøm av karbonmonoksid (CO) ved katalytisk vekst i gassfasen.

Tilstedeværelsen av metalliske katalysatorer i noen produksjonsmetoder hjelper justeringen av flerveggs nanorørene.

Imidlertid er en karbon nanorør ikke et molekyl som alltid viser seg det samme. I henhold til fremstillingsmetoden og betingelsene oppnås de med ulik lengde, diameter, struktur, vekt, og som et resultat presenterer de forskjellige egenskaper.

Bruksområder av karbon nanorør

Egenskapene til CNT-er gjør dem egnet for en rekke bruksområder.

De har blitt brukt i strukturelle materialer for elektronikk, optikk, plast og andre produkter innen nanoteknologi, romfart og bilproduksjon.

Karbon nanorør har mange forskjellige bruksområder. Dette er et reelt bilde av karbon nanorør oppnådd med et elektronmikroskop. Ilmar Kink. Kilde: Wikimedia Commons.

Sammensetninger eller blandinger av materialer med CNT-er

CNT-er er blitt kombinert med polymerer for å lage høy ytelse forsterkede polymerfibre og stoffer. For eksempel har de blitt brukt til å forsterke polyakrylonitrilfibre til forsvarsformål.

Blandinger av CNT-er med polymerer kan også utformes for å ha forskjellige elektrisk ledende egenskaper. De forbedrer ikke bare styrken og stivheten til polymeren, men gir også egenskapene til elektrisk ledningsevne.

CNTs fibre og stoffer er også produsert med en styrke som ligner aluminium og karbonstål, men som er mye lettere enn disse. Kropps rustning er designet med slike fibre.

De har også blitt brukt til å oppnå mer motstandsdyktig keramikk.

Elektroniske enheter

Karbon nanorør har stort potensiale innen vakuumelektronikk, nanodeler og energilagring.

CNTer kan fungere som dioder, transistorer og reléer (elektromagnetiske enheter som tillater åpning og lukking av elektriske kretser).

De kan også avgi elektroner når de utsettes for et elektrisk felt eller hvis det blir tilført en spenning.

Gass sensorer

Bruk av CNTer i gassføler gjør at disse kan være små, kompakte og lette og at de kan kombineres med elektroniske applikasjoner.

Den elektroniske konfigurasjonen av CNT-er gjør sensorene veldig følsomme for ekstremt små mengder gasser, og i tillegg kan CNT-er tilpasses kjemisk for å oppdage spesifikke gasser.

Medisinske applikasjoner

På grunn av deres høye overflate, utmerkede kjemiske stabilitet og elektronrike polyaromatiske strukturer, kan CNTs adsorbere eller konjugere med et stort utvalg av terapeutiske molekyler, som medisiner, proteiner, antistoffer, enzymer, vaksiner, etc.

De har vist seg å være utmerkede kjøretøyer for transport og levering av medisiner, trenger direkte inn i celler og holder stoffet intakt under transporten gjennom kroppen.

Sistnevnte gjør det mulig å redusere dosen av medisinen og dens toksisitet, spesielt kreftmedisiner.

CNT-er har vist seg nyttige i terapier mot kreft, infeksjoner, vevsregenerering, nevrodegenerative sykdommer og som antioksidanter.

De brukes også i diagnostisering av sykdommer, i visse analyser, for eksempel biosensorer, medikamentutskillelse og ekstraksjon av biokjemiske forbindelser.

De brukes også i ortopediske proteser og som et støttemateriale for vekst av beinvev.

Andre apper

De er også blitt foreslått som materialer for batteri- og brenselcellemembraner, anoder for litiumionbatterier, superkapasitorer og kjemiske filtre.

Deres høye elektriske ledningsevne og relative kjemiske inertisitet gjør dem nyttige som elektroder i elektrokjemiske reaksjoner.

De kan også feste seg til reaktantpartikler og kan på grunn av deres store overflate fungere som katalysatorbærere.

De har også kapasitet til å lagre hydrogen, noe som er veldig nyttig i kjøretøy som kjører på nevnte gass, siden det med CNT-er kunne transporteres trygt.

Giftighet for karbon nanorør

Studier har avdekket vanskeligheter med å evaluere toksisiteten til CNT-er. Dette ser ut til å avhenge av egenskaper som lengde, stivhet, konsentrasjon og varighet av eksponeringen for CNT-er. Det avhenger også av produksjonsmetoden og renheten til CNT-ene.

Det anbefales imidlertid å bruke verneutstyr når du håndterer CNT-er, da det er studier som indikerer deres likhet med asbestfibre og at innånding av CNT-støv kan forårsake skade på lungene.

Tekniker som veier prøver av karbon nanorør. Du kan se beskyttelsesredskapene den bruker. USAs nasjonale institutt for arbeidssikkerhet og helse. Kilde: Wikimedia Commons.

Ekte bilde av hvordan en karbon nanorør går gjennom en celle i en lunge. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova og Dale W. Porter / NIOSH. Kilde: Wikimedia Commons.

referanser

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Kjemi av karbon nanorør for alle. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Gjenopprettet fra pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. og Kuznetsov, VL (redaktører). (2006). Hvem skal få æren for oppdagelsen av karbon nanorør? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Karbon nanorør: egenskaper, syntese, rensing og medisinske anvendelser. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Karbon nanorør fra syntese til in vivo biomedisinske anvendelser. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanorør fra karbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Gjenopprettet fra pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Kemi av enkelveggede karbon nanorør. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Gjenopprettet fra pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Syntese av karbon nanorør. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Karbon nanorør - blir ren. Materialstoday bind 10, utgave 1-2, side 28-35. Gjenopprettet fra reader.elsevier.com.
9. Han, H. et al. (2013). Carbon Nanotubes: Applications in Pharmacy and Medicine. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP og Devasena, T. (2018). Toksisitet av karbon nanorør: En gjennomgang. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Gjenopprettet fra journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometri av karbon nanorør og mekanismer for fagocytose og giftige effekter. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.