ANGLIES NANOVAMZDELIAI: STRUKTŪRA, SAVYBĖS, PRITAIKYMAS, TOKSIŠKUMAS - CHEMIJA - 2025

Kad anglies nanovamzdelių yra vamzdžiai arba cilindrai labai mažos ir labai plonos formuojasi tik anglies atomų (C). Jo vamzdinė struktūra matoma tik per elektroninius mikroskopus. Tai tvirta juoda medžiaga, sudaryta iš labai mažų kelių dešimčių nanovamzdelių pluoštų ar pluoštų, sujungtų tarpusavyje ir sudarančių sudėtingą tinklą.

Priešdėlis „nano“ reiškia „labai mažas“. Žodis „nano“, naudojamas matuojant, reiškia, kad jis yra viena milijardas matavimų. Pavyzdžiui, nanometras (nm) yra viena milijardoji metro dalis, tai yra 1 nm = ^10–9 m.

Anglies nanovamzdelių mėginys. Galima pastebėti, kad tai yra juoda kieta medžiaga, panaši į anglį. „Shaddack“. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kiekvieną mažą anglies nanovamzdelį sudaro vienas ar keli grafičio lakštai, apvynioti aplink save. Jie skirstomi į viengyslius nanovamzdelius (vieną valcuotą lakštą) ir daugiasienius nanovamzdelius (du ar daugiau cilindrų vienas kito viduje).

Anglies nanovamzdeliai yra labai stiprūs, pasižymi dideliu atsparumu lūžimams ir yra labai lankstūs. Jie labai gerai praleidžia šilumą ir elektrą. Jie taip pat sudaro labai lengvą medžiagą.

Šios savybės daro jas naudingas įvairiose taikymo srityse, tokiose kaip automobilių, kosmoso ir elektronikos pramonė. Jie taip pat buvo naudojami medicinoje, pavyzdžiui, gabenant ir pristatant priešvėžinius vaistus, vakcinas, baltymus ir kt.

Tačiau jį reikia tvarkyti naudojant apsaugines priemones, nes įkvėpus jie gali pakenkti plaučiams.

Anglies nanovamzdelių atradimas

Mokslinėje bendruomenėje yra skirtingų nuomonių apie tai, kas atrado anglies nanovamzdelius. Nors yra daug tyrimų apie šias medžiagas, toliau minimos tik kelios svarbios datos.

- 1903 m. Prancūzų mokslininkas Pélabonas mėginyje pastebėjo anglies siūlus (šią dieną elektroninių mikroskopų dar nebuvo).

- 1950 m. „Union Carbide“ įmonės fizikas Rogeris Baconas tyrė tam tikrus anglies pluošto pavyzdžius ir stebėjo tiesių ir tuščiavidurių nano-pūkų ar nanobigotų (nanowhiskers) vaizdus.

- 1952 m. Rusijos mokslininkai Raduškevič ir Lukjanovičius paskelbė pačių susintetintų ir elektronų mikroskopu gautų anglies nanovamzdelių vaizdų, kuriuose aiškiai matoma, kad jie yra tuščiaviduriai, nuotraukas.

- 1973 m. Rusijos mokslininkai Bochvaras ir Gal'pernas baigė molekulinių orbitų energijos lygio skaičiavimų ciklą, parodydami, kad grafito lakštai gali susisukti į save, kad sudarytų „tuščiavidurių molekulių“.

- 1976 m. „Morinobu Endo“ pastebėjo anglies pluoštus su įdubusiu centru, susidariusį atliekant pirolizę benzeno ir feroceno temperatūroje 1000 ° C (pirolizė yra skilimo rūšis, vykstanti kaitinant iki labai aukštos temperatūros, kai nėra deguonies).

- 1991 m. Entuziazmas dėl anglies nanovamzdelių sužibėjo po to, kai „Sumio Iijima“ susintetino anglies adatas iš tuščiavidurių vamzdžių, naudodamas elektros lanko techniką.

- 1993 m. „Sumio Iijima“ ir „Donald Bethune“ (dirbantys nepriklausomai vienas nuo kito) vienu metu atrado vienos sienos anglies nanovamzdelius.

Kai kurių šaltinių, su kuriais buvo konsultuojamasi, aiškinimai

Remiantis kai kuriais informacijos šaltiniais, galbūt kreditas už anglies nanovamzdelių atradimą turėtų atitekti Rusijos mokslininkams Raduškevičiui ir Lukjanovičiui 1952 m.

Manoma, kad jiems nebuvo suteiktas jų pelnytas kreditas, nes tuo metu egzistavo vadinamasis „šaltasis karas“, o Vakarų mokslininkai neturėjo galimybės naudotis rusų straipsniais. Be to, nedaug kas galėjo išversti iš rusų kalbos, o tai dar labiau atitolino jų tyrimų analizę užsienyje.

Daugelyje straipsnių sakoma, kad Iijima buvo tas, kuris atrado anglies nanovamzdelius 1991 metais. Tačiau kai kurie tyrinėtojai apskaičiavo, kad Iijima darbai paveikti tuo, kad mokslas jau buvo pasiekęs pakankamą brandos laipsnį, kad galėtų įvertinti anglies nanovamzdelių svarbą. nanomedžiagos.

Kai kas sako, kad tais dešimtmečiais fizikai dažniausiai neskaitė straipsnių chemijos žurnaluose, kur apie anglies nanovamzdelius jau buvo kalbama, ir kad dėl šios priežasties juos „nustebino“ Iijimos straipsnis.

Bet visa tai nesumažina aukštos Iijimos darbo kokybės nuo 1991 m. Ir nuomonių skirtumas išlieka.

Nomenklatūra

- Anglies nanovamzdeliai arba CNT (anglies nanodaleliai).

- Vieno sienelės anglies nanovamzdeliai arba SWCNT (vienasieniai anglies nanovamzdeliai).

- Daugiasieniai anglies nanovamzdeliai, arba MWCNT (daugiagysliai angliniai nanovamzdeliai).

Struktūra

Fizinė struktūra

Anglies nanovamzdeliai yra labai smulkūs ir maži vamzdeliai ar cilindrai, kurių struktūrą galima pamatyti tik elektroniniu mikroskopu. Jie susideda iš grafito (grafeno) lakšto, susukto į vamzdelį.

Anglies nanovamzdeliai yra valcuoti grafito arba grafeno lakštai: a) teorinis grafito lapo vaizdas, b) teorinis valcuotų lakštų arba anglies nanovamzdelių vaizdas. „OpenStax“. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Tai yra tuščiavidurės cilindrinės molekulės, sudarytos tik iš anglies atomų. Anglies atomai yra išdėstyti mažų šešiakampių (6-pusių daugiakampių) pavidalu, panašiais į benzeną ir sujungti tarpusavyje (kondensuoti benzeno žiedai).

Anglies nanovamzdelio brėžinys, kuriame galite pamatyti mažus 6 anglies atomų šešiakampius. Vartotojas: Gmdm. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Vamzdeliai gali būti uždaryti be angų ir gali būti labai ilgi, palyginti su jų skersmeniu. Jie prilygsta grafito (grafeno) lakštams, susuktiems į besiūlius vamzdžius.

Cheminė struktūra

CNT yra poliaromatinės struktūros. Ryšiai tarp anglies atomų yra kovalentiniai (tai yra, jie nėra joniniai). Šie ryšiai yra toje pačioje plokštumoje ir yra labai stiprūs.

Dėl C = C jungčių stiprumo CNT yra labai standžios ir stiprios. Kitaip tariant, šių vamzdžių sienos yra labai stiprios.

Ne plokštumos jungtys yra labai silpnos, tai reiškia, kad tarp vieno vamzdžio ir kito nėra stiprių jungčių. Tačiau jie yra patrauklios jėgos, leidžiančios formuoti pluoštus ar pluoštus nanovamzdelių.

Klasifikacija pagal vamzdžių skaičių

Anglies nanovamzdeliai yra suskirstyti į dvi grupes: vienos sienos nanovamzdeliai, arba SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), ir kelių sienelių nanovamzdeliai, arba MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanovamzdelių tipai: (1) daugiasienis tikras nanovamzdelių vaizdas, (2) vieno sienelės nanovamzdelių brėžinys, (3) grafito ar grafeno lakštų brėžinys. W2raphael. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Vienos sienos anglies nanovamzdeliai (SWCNT) yra sudaryti iš vieno grafeno lakšto, susukto į cilindrą, kur šešiakampių viršūnės puikiai susilieja ir sudaro besiūlį vamzdį.

Daugiasieniai anglies nanovamzdeliai (MWCNT) yra sudaryti iš koncentrinių cilindrų, išdėstytų aplink bendrą tuščiavidurį centrą, tai yra, du ar daugiau tuščiavidurių cilindrų, išdėstytų vienas kito viduje.

Daugiasieniai nanovamzdeliai yra sudaryti iš dviejų ar daugiau cilindrų, esančių vienas kito viduje. Erikas Wieseris. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Realus daugiagyslių anglies nanovamzdelių, gautų elektroniniu mikroskopu, vaizdas. Oksirane. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Klasifikacija pagal apvijos formą

Priklausomai nuo to, kaip valcuotas grafeno lapas, CNT šešiakampiai gali būti formuojami: kėdės formos, zigzago formos, spiralės arba chiralės. Ir tai daro įtaką jo savybėms.

Realus chiralinio ar spiralinio anglies nanovamzdelio vaizdas. Taner Yildirim (Nacionalinis standartų ir technologijos institutas - NIST). Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Fizinės savybės

Anglies nanovamzdeliai yra kieti. Jie susilieja, sudarydami kelių dešimčių nanovamzdelių puokštes, ryšulius, ryšulius ar „stygas“, susipynusius, kad sudarytų labai tankų ir sudėtingą tinklą.

Realus anglies nanovamzdelių, gautų elektroniniu mikroskopu, vaizdas. Galima pastebėti, kad jie sudaro ryšulius, kurie susipainioja vienas su kitu. Anglų kalbos Vikipedijos medžiagų žinovas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Jų atsparumas tempimui yra didesnis nei plieno. Tai reiškia, kad jie patiria didelį atsparumą lūžiams, kai patiria stresą. Teoriškai jie gali būti šimtus kartų stipresni už plieną.

Jie yra labai elastingi, juos galima sulenkti, susukti ir sulankstyti be pažeidimų, o po to grįžti į pradinę formą. Jie labai lengvi.

Jie yra geri šilumos ir elektros laidininkai. Sakoma, kad jie turi labai įvairiapusę elektroninę elgseną arba turi didelį elektroninį laidumą.

CNT vamzdžiai, kurių šešiakampiai yra išdėstyti fotelio pavidalu, turi metalinę elgseną arba yra panašūs į metalų.

Tie, kurie išdėstyti zigzagu ir spiralėmis, gali būti metaliniai ir puslaidininkiniai.

Cheminės savybės

Dėl stiprių ryšių tarp jų anglies atomų, CNT gali atlaikyti labai aukštą temperatūrą (750 ° C atmosferos slėgyje ir 2800 ° C vakuume).

Nanovamzdelių galai yra chemiškai reaktyvesni nei cilindrinė dalis. Jei jie yra oksiduoti, galai pirmiausia oksiduojami. Jei vamzdeliai uždaryti, galai atsidaro.

Kai gydomi azoto rūgšties HNO ₃ arba sieros rūgšties H ₂ SO ₄ esant tam tikroms sąlygoms anglies nanovamzdelių gali sudaryti karboksirūgšties tipo grupes -COOH arba chinonas tipo grupės O = CC ₄ H ₄ -C = O.

Mažesnio skersmens CNT yra reaktyvesni. Anglies nanovamzdelių vidiniuose kanaluose gali būti kitų rūšių atomų ar molekulių.

Tirpumas

Dėl to, kad CNT paviršiuje nėra jokios funkcinės grupės, jis yra labai hidrofobinis, tai yra, labai prastai suderinamas su vandeniu ir netirpsta jame ar nepoliniuose organiniuose tirpikliuose.

Tačiau, jei jie reaguoja su kai kuriais junginiais, CNT gali tapti tirpūs. Pavyzdžiui, su azoto rūgštimi HNO ₃ gali būti tirpinamas kai kuriuose amido tipo tirpikliuose tam tikromis sąlygomis.

Biocheminės savybės

Gryno anglies nanovamzdeliai yra biologiškai nesuderinami, tai reiškia, kad jie nėra suderinami ar susiję su gyvybe ar gyvais audiniais. Jie sukelia organizmo imuninį atsaką, nes yra laikomi agresyviais elementais.

Dėl šios priežasties mokslininkai juos chemiškai modifikuoja taip, kad juos priimtų organizmo audiniai ir būtų galima naudoti medicinos reikmėms.

Jie gali sąveikauti su tokiomis makromolekulėmis kaip baltymai ir DNR, kuri yra baltymas, kuris sudaro gyvų būtybių genus.

Gavimas

Anglies nanovamzdeliai iš grafito gaminami įvairiais būdais, tokiais kaip lazerio impulsų garinimas, elektros lanko išpylimas ir cheminis nusodinimas garų pavidalu.

Jie taip pat gauti iš aukšto slėgio anglies monoksido (CO) srauto, kataliziškai auginant dujų fazėje.

Kai kuriuose gamybos metoduose esantys metaliniai katalizatoriai padeda suderinti daugiasienius nanovamzdelius.

Tačiau anglies nanovamzdeliai nėra molekulės, kurios visada pasirodo vienodos. Pagal paruošimo būdą ir sąlygas gaunami skirtingo ilgio, skersmens, struktūros, svorio, todėl jie pasižymi skirtingomis savybėmis.

Anglies nanovamzdelių pritaikymas

Dėl CNT savybių jie yra tinkami įvairiems tikslams.

Jie buvo naudojami struktūrinėse medžiagose elektronikai, optikai, plastikui ir kitiems gaminiams nanotechnologijų, kosminės erdvės ir automobilių gamybos srityse.

Anglies nanovamzdeliai yra naudojami labai įvairiai. Tai tikras anglies nanovamzdelių, gautų elektroniniu mikroskopu, vaizdas. Ilmaras Kinkas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Medžiagų su CNT kompozicijos ar mišiniai

CNT buvo sujungti su polimerais, kad būtų pagaminti aukštos kokybės sustiprinti polimeriniai pluoštai ir audiniai. Pavyzdžiui, jie buvo naudojami sustiprinti poliakrilnitrilo pluoštus gynybos tikslais.

CNT ir polimerų mišiniai taip pat gali būti suprojektuoti taip, kad turėtų skirtingas elektrai laidžias savybes. Jie pagerina ne tik polimero stiprumą ir standumą, bet ir prideda elektrinio laidumo savybes.

CNT pluoštai ir audiniai taip pat gaminami stiprumu, panašiu į aliuminį ir anglinį plieną, tačiau yra daug lengvesni. Kūno šarvai buvo sukurti iš tokių pluoštų.

Jie taip pat buvo naudojami atsparesnei keramikai gauti.

Elektronikos prietaisai

Anglies nanovamzdeliai turi didelį potencialą vakuuminėje elektronikoje, nanodalelėse ir energijos kaupime.

CNT gali veikti kaip diodai, tranzistoriai ir relės (elektromagnetiniai įtaisai, leidžiantys atidaryti ir uždaryti elektros grandines).

Jie taip pat gali skleisti elektronus, kai yra veikiami elektrinio lauko arba jei yra įtampa.

Dujų jutikliai

CNT naudojimas dujų jutikliuose leidžia būti nedideli, kompaktiški ir lengvi, juos galima derinti su elektroninėmis programomis.

Dėl elektroninės CNT konfigūracijos jutikliai yra labai jautrūs ypač mažiems dujų kiekiams, be to, CNT gali būti chemiškai pritaikyti aptikti specifines dujas.

Medicinos programos

Dėl didelio paviršiaus ploto, puikaus cheminio stabilumo ir elektronų turtingos poliaromatinės struktūros CNT gali adsorbuoti arba konjuguoti su daugybe įvairių terapinių molekulių, tokių kaip vaistai, baltymai, antikūnai, fermentai, vakcinos ir kt.

Jie įrodė, kad yra puikios transporto priemonės, skirtos tiekti ir perduoti narkotikus, prasiskverbiančios tiesiai į ląsteles ir išlaikančios nepažeistą vaistą jo gabenimo per kūną metu.

Pastarasis leidžia sumažinti vaisto dozę ir jo toksiškumą, ypač priešvėžinių vaistų.

CNT pasirodė esąs naudingas gydant vėžį, infekcijas, audinių regeneraciją, neurodegeneracines ligas ir kaip antioksidantai.

Jie taip pat naudojami diagnozuojant ligas, atliekant tam tikras analizes, tokias kaip biojutikliai, vaistų atskyrimas ir biocheminių junginių ekstrahavimas.

Jie taip pat naudojami ortopediniuose protezuose ir kaip atraminė medžiaga kaulinio audinio augimui.

Kitos programos

Jie taip pat buvo siūlomi kaip akumuliatorių ir kuro elementų membranų medžiagos, ličio jonų akumuliatorių anodai, superkondensatoriai ir cheminiai filtrai.

Dėl jų aukšto elektrinio laidumo ir santykinio cheminio inertiškumo jie gali būti naudojami kaip elektrodai atliekant elektrochemines reakcijas.

Jie taip pat gali prilipti prie reagentų dalelių ir dėl savo didelio paviršiaus ploto gali veikti kaip katalizatoriaus atramos.

Jie taip pat turi galimybę saugoti vandenilį, kuris yra labai naudingas transporto priemonėse, kurios varomos minėtomis dujomis, nes su CNT jis galėtų būti transportuojamas saugiai.

Anglies nanovamzdelių toksiškumas

Tyrimai parodė, kad sunku įvertinti CNT toksiškumą. Atrodo, kad tai priklauso nuo tokių savybių kaip ilgio, standumo, koncentracijos ir CNT poveikio trukmė. Tai taip pat priklauso nuo CNT gamybos metodo ir grynumo.

Vis dėlto, dirbant su CNT, rekomenduojama naudoti apsaugines priemones, nes yra tyrimų, kurie rodo jų panašumą į asbesto pluoštus ir kad įkvėpus CNT dulkių gali būti pažeisti plaučiai.

Anglies nanovamzdelių pavyzdžius sveriantis technikas. Galite pamatyti naudojamus apsauginius padargus. JAV nacionalinis darbuotojų saugos ir sveikatos institutas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Tikras vaizdas, kaip anglies nanovamzdeliai praeina pro plaučio ląstelę. Robertas R. Merceris, Ann F. Hubbsas, Jamesas F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincentas Castranova ir Dale W. Porter / NIOSH. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Nuorodos

1. Basu-Dutt, S. ir kt. (2012). Anglies nanovamzdelių chemija visiems. J. Chem. Educ., 2012, 89, 221–229. Atkurta iš pubs.acs.org.
2. „Monthioux“, M. ir Kuznecovai, VL (redaktoriai). (2006). Kam turėtų būti suteiktas kreditas už anglies nanovamzdelių atradimą? Anglies 44 (2006) 1621-1623. Atgauta iš „sciencedirect.com“.
3. Eatemadi, A. ir kt. (2014). Anglies nanovamzdeliai: savybės, sintezė, gryninimas ir medicininis pritaikymas. Nanoskalės tyrimų laiškai, 2014, 9: 393. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI ir kt. (2016) Anglies nanovamzdeliai nuo sintezės iki in vivo biomedicinos taikymo. Tarptautinis farmacijos leidinys 501 (2016) 278–299. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanovamzdeliai iš anglies. Chem., 1999, 99, 1787-1799. Atkurta iš pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. ir kt. (2002). Viengyslių anglies nanovamzdelių chemija. Acc. Chem. Res., 2002, 35, 1105-1113. Atkurta iš pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. ir kt. (2005). Anglies nanovamzdelių sintezė. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Anglies nanovamzdeliai - tampa švarūs. „Materialstoday“ 10 tomas, 1-2 leidimai, 28–35 puslapiai. Atkurta iš skaitytojo.elsevier.com.
9. Jis, H. et al. (2013). Anglies nanovamzdeliai: Farmacijos ir medicinos taikymas. „Biomed Res. Int. 2013“; 2013: 578290. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.
10. Pranciškus, AP ir Devasena, T. (2018). Anglies nanovamzdelių toksiškumas: apžvalga. Toksikologija ir pramoninė sveikata (2018) 34, 3. Atkurta iš journals.sagepub.com.
11. Harikas, VM (2017). Anglies nanovamzdelių geometrija, fagocitozės ir toksinio poveikio mechanizmai. „Toxicol Lett 2017“, 273: 69–85. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.