SZÉN NANOCSÖVEK: SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, ALKALMAZÁSOK, TOXICITÁS - KÉMIA - 2025

A szén nanocsövek csövek vagy hengerek, nagyon kicsik és nagyon vékonyak, amelyeket csak szénatomok alkotnak (C). Csőszerkezete csak elektronmikroszkópon keresztül látható. Ez egy szilárd fekete anyag, nagyon kis kötegekből vagy több tucat nanocsövekből álló kötegekből áll, amelyek összefonódnak egymással, hogy bonyolult hálózatot képezzenek.

A "nano" előtag "nagyon kicsi" -t jelent. A mérésben használt "nano" szó azt jelenti, hogy ez a mérés egyharmad része. Például egy nanométer (nm) a méter egymilliárd része, azaz 1 nm = ^10–9 m.

Szén nanocsövek-minta. Látható, hogy ez egy fekete szilárd anyag, szénszerű megjelenésű. Shaddack. Forrás: Wikimedia Commons.

Minden apró szén nanocsöve egy vagy több grafitlapból áll, amelyek magukba vannak csomagolva. Ezeket egyrétegű nanocsövekbe (egy hengerelt lemez) és többfalú nanocsövekbe (két vagy több henger helyezkedik el a másikba) sorolják be.

A szén nanocsövek nagyon erősek, nagy a törésállóságuk és nagyon rugalmasak. Nagyon jól vezetnek hőt és elektromosságot. Nagyon könnyű anyagot is alkotnak.

Ezek a tulajdonságok felhasználhatják őket különféle alkalmazási területeken, például az autóiparban, a repülőgépiparban és az elektronikában. Ezeket a gyógyászatban is felhasználták, például daganatellenes gyógyszerek, oltások, proteinek stb. Szállítására és szállítására.

A kezelést azonban védőfelszereléssel kell végezni, mivel belélegzés esetén a tüdő károsodhat.

Szén nanocsövek felfedezése

A tudományos közösségben különböző vélemények vannak arról, hogy ki fedezte fel a szén nanocsöveket. Bár sok kutatási anyag található ezen anyagokról, az alábbiakban csak néhány fontos dátumot említünk.

- 1903-ban a Pélabon francia tudós megfigyelt egy mintában a szénszálakat (elektronmikroszkópok még nem álltak rendelkezésre ezen a napon).

- 1950-ben Roger Bacon, az Union Carbide cég fizikusa egyes szénszálak mintáit tanulmányozta, és megfigyelt egyenes és üreges nanofluff vagy nanobigot (nanowhiskerek) képeit.

- 1952-ben az Radoszkevics és Lukjanovics orosz tudósok fényképeket közöltek szén nanocsövek képeiről, amelyeket maguk szintetizáltak és elektronmikroszkóppal készítettek, ahol egyértelműen megfigyelhető, hogy üregek.

- 1973-ban, Bochvar és Gal'pern orosz tudósok egy sor számítási sorozatot készítettek a molekuláris pályák energiaszintjéről, amelyek azt mutatták, hogy a grafitlemezek elforoghatnak magukon, hogy "üreges molekulákat" képezzenek.

- 1976-ban a Morinobu Endo megfigyelt egy üreges központú szénszálakat, amelyeket a benzol és a ferrocén pirolízisével állítottak elő 1000 ° C hőmérsékleten (a pirolízis egy olyan bomlás típusa, amely nagyon magas hőmérsékletre hevítik oxigén hiányában).

- 1991-ben felébresztette a szén nanocsövek iránti lelkesedést, miután Sumio Iijima üreges csövekből előállított szén tűket szintetizált elektromos ív technikával.

- 1993-ban Sumio Iijima és Donald Bethune (egymástól függetlenül működve) egyszerre fedeztek fel egyfalú szén nanocsöveket.

Néhány megkérdezett forrás értelmezése

Egyes információforrások szerint a szén nanocsövek felfedezésének valószínűleg az orosz tudósoknak, Raduškevicsnek és Lukjanovicsnak kellene 1952-ben részesülniük.

Úgy gondolják, hogy nem kapták meg megérdemelt hitelt, mert akkoriban létezett az úgynevezett „hidegháború”, és a nyugati tudósok nem tudtak hozzáférni az orosz cikkekhez. Ezenkívül nagyon sokan nem tudtak lefordítani oroszul, ami tovább késleltette kutatásaik külföldi elemzését.

Sok cikkben azt mondják, hogy Iijima fedezte fel nanocsöveket 1991-ben. Néhány kutató becslése szerint Iijima munkájának hatása annak a ténynek köszönhető, hogy a tudomány már elérte a megfelelő érettségi fokot a szén nanocsövek fontosságának felméréséhez. nanoanyagok.

Vannak, akik azt állítják, hogy azokban a évtizedekben a fizikusok általában nem olvastak cikkeket a kémiai folyóiratokban, ahol a szén nanocsövekről már tárgyaltak, és ezért "meglepte" Iijima cikke.

De mindez nem csökkenti Iijima 1991-es munkájának magas színvonalát. És a véleménykülönbség továbbra is fennáll.

Elnevezéstan

- Szén nanocsövek vagy CNT (Carbon NanoTubes).

- Egyfalú szén nanocsövek, vagy SWCNT (egyfalú szén nanocsövek).

- Többfalú szén nanocsövek vagy MWCNT-k (többfalú szén nanocsövek).

Szerkezet

Fizikai felépítés

A szén nanocsövek nagyon finom csövek vagy hengerek, amelyek szerkezete csak elektronmikroszkóppal látható. Ezek egy csőbe hengerelt grafitlapból (grafén) állnak.

A szén nanocsövek egy hengerelt grafit vagy grafén lemez: a) a grafit lemez elméleti képe, b) a hengerelt lemez vagy szén nanocsövek elméleti képe. OpenStax. Forrás: Wikimedia Commons.

Ezek üreges hengeres molekulák, amelyek kizárólag szénatomokból állnak. A szénatomok kis hatszög alakban vannak elrendezve (6-oldalú sokszögek), amelyek hasonlóak a benzolhoz és össze vannak kapcsolva (kondenzált benzolgyűrűk).

Rajz egy szén nanocsövekből, ahol látható a 6 szénatom kicsi hatszöge. Felhasználó: Gmdm. Forrás: Wikimedia Commons.

A csövek nyílásaikhoz csatlakozhatnak, vagy nem, és átmérőikhöz képest rendkívül hosszúak lehetnek. Ezek megegyeznek a varrat nélküli csövekbe hengerelt grafitlapokkal (grafén).

Kémiai szerkezet

A CNT-k poliaromás szerkezetek. A szénatomok közötti kötések kovalensek (vagyis nem ionosak). Ezek a kapcsolatok ugyanabban a síkban vannak, és nagyon erősek.

A C = C kötések szilárdsága miatt a CNT nagyon merev és erős. Más szavakkal, ezeknek a csöveknek a falai nagyon erősek.

A síkon kívüli kötés nagyon gyenge, ami azt jelenti, hogy az egyik cső és a másik között nincs erős csatlakozás. Ezek azonban vonzó erők, amelyek lehetővé teszik nanocsövek kötegeinek vagy kötegeinek kialakítását.

Besorolás a csövek száma szerint

A szén nanocsöveket két csoportra osztják: egyfalú nanocsövek vagy SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) és többfalú nanocsövek, vagy MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanocső-típusok: (1) többfalú nanocsövek valódi képe, (2) egyfalú nanocsövek rajza, (3) grafit vagy grafén lemez rajza. W2raphael. Forrás: Wikimedia Commons.

Az egyfalú szén nanocsövek (SWCNT-k) egy hengerbe hengerelt egyetlen grafén lemezből állnak, ahol a hatszögek csúcsai tökéletesen illeszkednek egymáshoz, hogy egy varrat nélküli csövet képezzenek.

A többfalú szén nanocsövek (MWCNT-k) koncentrikus hengerekből állnak, amelyek egy közös üreges középpont körül helyezkednek el, vagyis két vagy több üreges hengerből állnak egymásba.

A többfalú nanocsövek két vagy több hengerből állnak, amelyek egymáson belül vannak. Eric Wieser. Forrás: Wikimedia Commons.

Elektronmikroszkóppal nyert többrétegű szén nanocsövek valódi képe. Oxirán. Forrás: Wikimedia Commons.

Besorolás a tekercs formája szerint

A grafénlap hengeresztésének módjától függően a CNT-kben a hatszög alakú mintázat lehet: karosszék alakú, cikkcakk alakú, spirális vagy királis. És ez befolyásolja tulajdonságait.

Királis vagy spirális szén nanocsövek valódi képe. Taner Yildirim (Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet - NIST). Forrás: Wikimedia Commons.

Fizikai tulajdonságok

A szén nanocsövek szilárdak. Összeállnak, hogy több tucat nanocsövekből csokrokat, kötegeket, kötegeket vagy "húrokat" képezzenek, összekapcsolva, hogy nagyon sűrű és bonyolult hálózatot képezzenek.

Elektronmikroszkóppal nyert szén nanocsövek valódi képe. Látható, hogy kötegeket képeznek, amelyek összefonódnak egymással. Anyagtudós az angol Wikipedia-ban. Forrás: Wikimedia Commons.

Ezek szakítószilárdsága nagyobb, mint az acélé. Ez azt jelenti, hogy stressznek kitéve nagy ellenállással bírnak a törés ellen. Elméletben százszor erősebbek lehetnek, mint az acél.

Nagyon rugalmasak, hajlíthatók, összecsavarhatók és összehajthatók sérülés nélkül, majd visszatérnek eredeti alakjukba. Nagyon könnyűek.

Jó hő- és villamosvezetők. Azt állítják, hogy nagyon sokoldalú elektronikus viselkedéssel rendelkeznek, vagy magas elektromos vezetőképességgel rendelkeznek.

A CNT-csövek, amelyek hatszögei fotel alakúak, fémes viselkedésűek vagy hasonlóak a fémek viselkedéséhez.

A cikk-cakk és spirális minta elrendezése lehet fémes és félvezető.

Kémiai tulajdonságok

A szénatomok közötti kötés erőssége miatt a CNT-k nagyon magas hőmérsékleten ellenállnak (750 ° C légköri nyomáson és 2800 ° C vákuumban).

A nanocsövek végei kémiailag reaktívabbak, mint a hengeres részek. Ha oxidációnak vannak kitéve, akkor a végeket előbb oxidálják. Ha a csövek zárva vannak, akkor a végeik nyitva vannak.

Amikor salétromsavval kezeljük HNO ₃ vagy kénsav H ₂ SO ₄ bizonyos körülmények között a CNT-k alkothatnak karbonsav-típusú csoportok -COOH vagy kinon-típusú csoportok O = CC ₄ H ₄ -C = O.

A kisebb átmérőjű CNT-k reakcióképesebbek. A szén nanocsövek belső csatornáikban más fajok atomjait vagy molekuláit tartalmazhatják.

Oldhatóság

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a CNT-k felületén nincs funkcionális csoport, nagyon hidrofób, vagyis rendkívül rosszul kompatibilis a vízzel, és nem oldódik sem benne, sem a nem poláros szerves oldószerekben.

Ha azonban néhány vegyülettel reagálnak, akkor a CNT-k oldhatóvá válhatnak. Például salétromsavval HNO ₃ szolubilizálható bizonyos amid típusú oldószerek, bizonyos feltételek mellett.

Biokémiai tulajdonságok

A tiszta szén nanocsövek biokompatibilisek, ami azt jelenti, hogy nem kompatibilisek, vagy kapcsolatban állnak az élettel vagy az élő szövetekkel. Immunválaszt generálnak a testből, mivel agresszív elemeknek tekintik őket.

Ezért a tudósok kémiailag módosítják azokat oly módon, hogy a test szövetei elfogadják őket és orvosi célokra felhasználhatók legyenek.

Kölcsönhatásba léphetnek olyan makromolekulákkal, mint például a fehérjék és a DNS, amely az élőlények géneit alkotó fehérje.

beszerzése

A szén nanocsöveket grafitból állítják elő különféle technikákkal, például lézeres impulzusos párologtatással, elektromos ív kisüléssel és kémiai gőzlerakással.

Emellett nagynyomású szén-monoxidból (CO) nyerték őket gázfázis katalitikus növekedésével.

Fémes katalizátorok jelenléte bizonyos gyártási módszerekben elősegíti a többfalú nanocsövek összehangolását.

A szén nanocsövek azonban nem olyan molekulák, amelyek mindig azonosak. Az előállítási módszer és a körülmények függvényében különböző hosszúságú, átmérőjű, szerkezetű, súlyú, és így különböző tulajdonságokkal bírnak.

Szén nanocsövek alkalmazása

A CNT tulajdonságai sokféle felhasználásra alkalmassá teszik őket.

Ezeket használták az elektronika, az optika, a műanyagok és más termékek szerkezeti anyagaiban a nanotechnológia, a repülőgépipar és az autóipar területén.

A szén nanocsöveknek sokféle felhasználása van. Ez egy szén nanocsövek elektronmikroszkóppal nyert valós képe. Ilmar Kink. Forrás: Wikimedia Commons.

Anyagok összetétele vagy keveréke CNT-kkel

A CNT-ket polimerekkel kombinálják, hogy nagy teljesítményű megerősített polimer szálakat és szöveteket készítsenek. Például védelmi célokra használják a poliakrilnitril szálak megerősítésére.

A CNT polimerekkel alkotott keverékei úgy is megtervezhetők, hogy különböző elektromosan vezető tulajdonságokkal rendelkezzenek. Javítják nemcsak a polimer szilárdságát és merevségét, hanem hozzáadják az elektromos vezetőképesség tulajdonságait.

A CNT-szálakat és -szöveteket szintén olyan szilárdsággal gyártják, mint az alumínium és a szénacél, de ezeknél sokkal könnyebbek. A páncélzatot ilyen szálakkal tervezték.

Ezeket is felhasználták ellenállóbb kerámia előállítására.

Elektronikai eszközök

A szén nanocsövek nagy potenciállal rendelkeznek a vákuum elektronikában, a nano készülékekben és az energiatárolásban.

A CNT-k diódákként, tranzisztorokként és relékként működhetnek (olyan elektromágneses eszközök, amelyek lehetővé teszik az elektromos áramkörök nyitását és bezárását).

Elektronokat bocsáthatnak ki, amikor elektromos mezőnek vannak kitéve, vagy ha feszültséget alkalmaznak.

Gázérzékelők

A CNT-k használata a gázérzékelőkben lehetővé teszi, hogy ezek kicsik, kompaktak és könnyűek legyenek, és kombinálhatók legyenek elektronikus alkalmazásokkal.

A CNT-k elektronikus konfigurációja révén az érzékelők nagyon érzékenyek a rendkívül kis gázmennyiségekre, továbbá a CNT-k kémiailag adaptálhatók bizonyos gázok kimutatására.

Orvosi alkalmazások

Magas felületük, kiváló kémiai stabilitásuk és elektronban gazdag poliaromás szerkezetük miatt a CNT-k számos terápiás molekulával, például gyógyszerekkel, fehérjékkel, antitestekkel, enzimekkel, vakcinákkal stb. Adszorbeálódhatnak vagy konjugálódhatnak.

Bebizonyosodott, hogy kiváló járművek a gyógyszerek szállításához és szállításához, közvetlenül átjutnak a sejtekbe, és a gyógyszert érintetlenül tartják a testben történő szállítás során.

Ez utóbbi lehetővé teszi a gyógyszer dózisának és toxicitásának, különösen a rákellenes gyógyszereknek a csökkentését.

A CNT-k hasznosnak bizonyultak a rák, fertőzések, szöveti regeneráció, neurodegeneratív betegségek és antioxidánsok elleni terápiában.

Ezeket a betegségek diagnosztizálásában is használják, bizonyos elemzésekben, mint például bioszenzorok, gyógyszer-szétválasztás és biokémiai vegyületek extrahálása.

Használják őket ortopédiai protézisekben és hordozóanyagként a csontszövet növekedéséhez.

Egyéb alkalmazások

Anyagként javasolták őket akkumulátorok és üzemanyagcellák membránjaihoz, anódjaiként lítium-ion akkumulátorokhoz, szuperkondenzátorokhoz és vegyi szűrőkhöz.

Magas elektromos vezetőképességük és relatív kémiai tehetetlenségük elektródokká teszi őket az elektrokémiai reakciók során.

Ragaszkodhatnak a reaktáns részecskékhez és nagy felületük miatt katalizátor hordozókként is képesek működni.

Emellett képesek hidrogént tárolni, ami nagyon hasznos az említett gázzal járó járművekben, mivel CNT-kkel biztonságosan szállítható.

Szén nanocsövek toxicitása

A tanulmányok nehézségeket tártak fel a CNT-k toxicitásának értékelésében. Úgy tűnik, hogy ez olyan tulajdonságoktól függ, mint a hosszúság, a merevség, a koncentráció és a CNT-k expozíciójának időtartama. Ez a gyártási módszertől és a CNT tisztaságától is függ.

A CNT-k kezelésekor azonban ajánlott védőeszközöket használni, mivel vannak olyan tanulmányok, amelyek igazolják azok hasonlóságát az azbesztrostokkal, és hogy a CNT-por belélegzése károsíthatja a tüdőt.

A szén nanocsövek mintáit mérő technikus. Láthatja a használt védőeszközöket. USA Munkahelyi Biztonsági és Egészségügyi Intézet. Forrás: Wikimedia Commons.

Valódi kép arról, hogy egy szén nanocsöve halad át a tüdő sejtjén. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova és Dale W. Porter / NIOSH. Forrás: Wikimedia Commons.

Irodalom

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). A szén nanocsövek kémiája mindenki számára. J. Chem. Educ., 89, 221-229, 2012. Helyreállítva a pubs.acs.org webhelyről.
2. Monthioux, M. és Kuznetsov, VL (szerkesztők). (2006). Ki kaphat hitelt a szén nanocsövek felfedezéséhez? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
3. Eatemadi, A. és mtsai. (2014). Szén nanocsövek: tulajdonságok, szintézis, tisztítás és orvosi alkalmazások. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Helyreállítva az ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.
4. Sajid, MI et al. (2016) Szén nanocsövek a szintézistől az in vivo orvosbiológiai alkalmazásokig. International Journal of Pharmaceuticals 501 (2016) 278-299. Helyreállítva az ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.
5. Ajayan, PM (1999). Nanocsövek a szénből. Chem., 1999, 99, 1787-1799. Helyreállítva a pubs.acs.org webhelyről.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Az egyfalú szén nanocsövek kémiája. Acc. Chem. Res., 35, 1105-1113 (2002). Helyreállítva a pubs.acs.org webhelyről.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Szén nanocsövek szintézise. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Helyreállítva az ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.
8. Grobert, N. (2007). Szén nanocsövek - tisztavá válnak. Materialstoday 10. kötet, 1-2. Kiadás, 28-35. Oldal. Helyreállítva az olvasó.elsevier.com webhelyről.
9. He, H. és mtsai. (2013). Szén nanocsövek: Alkalmazások a gyógyszerészetben és az orvostudományban. Biomed Res. Int., 2013; 2013: 578290. Helyreállítva: ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP és Devasena, T. (2018). A szén nanocsövek toxicitása: áttekintés. Toxikológia és ipari egészségügy (2018) 34, 3. Helyreállítva a journals.sagepub.com webhelyről.
11. Harik, VM (2017). A szén nanocsövek geometriája, a fagocitózis és a toxikus hatások mechanizmusai. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Helyreállítva az ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.