УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, ТОКСИЧНОСТЬ - ХИМИЯ - 2025

Эти углеродные нанотрубки представляют собой трубка или цилиндры очень маленькие и очень тонкие , образованная только атомы углерода (C). Его трубчатая структура видна только в электронный микроскоп. Это твердый черный материал, состоящий из очень маленьких пучков или пучков нескольких десятков нанотрубок, переплетенных вместе, образуя сложную сеть.

Приставка «нано» означает «очень маленький». Слово «нано», используемое в измерении, означает, что это одна миллиардная часть измерения. Например, нанометр (нм) равен одной миллиардной метра, то есть 1 нм = 10 ^-9 м.

Образец углеродной нанотрубки. Видно, что это твердое вещество черного цвета, напоминающее углерод. Шаддак. Источник: Wikimedia Commons.

Каждая крошечная углеродная нанотрубка состоит из одного или нескольких листов графита, обернутых вокруг себя. Они подразделяются на однослойные нанотрубки (один прокатанный лист) и многостенные нанотрубки (два или более цилиндра, расположенных один внутри другого).

Углеродные нанотрубки очень прочные, обладают высоким сопротивлением разрушению и очень гибкими. Они очень хорошо проводят тепло и электричество. Также они представляют собой очень легкий материал.

Эти свойства делают их полезными в различных областях применения, например, в автомобильной, аэрокосмической и электронной промышленности. Они также использовались в медицине, например, для транспортировки и доставки противоопухолевых препаратов, вакцин, белков и т. Д.

Однако при обращении с ним необходимо использовать защитные средства, поскольку при вдыхании они могут вызвать повреждение легких.

Открытие углеродных нанотрубок

В научном сообществе существуют разные мнения о том, кто открыл углеродные нанотрубки. Хотя по этим материалам имеется множество исследовательских работ, ниже указаны лишь несколько важных дат.

- В 1903 году французский ученый Пелабон наблюдал углеродные нити в образце (электронные микроскопы в то время еще не были доступны).

- В 1950 году физик Роджер Бэкон из компании Union Carbide изучал определенные образцы углеродных волокон и наблюдал изображения прямых и полых нанопухов или нанобиготов (нановискеров).

- В 1952 году российские ученые Радушкевич и Лукьянович опубликовали фотографии изображений синтезированных ими углеродных нанотрубок, полученных с помощью электронного микроскопа, где отчетливо видно, что они полые.

- В 1973 году российские ученые Бочвар и Гальперн завершили серию расчетов энергетических уровней молекулярных орбиталей, показав, что графитовые листы могут скручиваться сами по себе, образуя «полые молекулы».

- В 1976 году Моринобу Эндо обнаружил углеродные волокна с полым центром, образованные пиролизом бензола и ферроцена при 1000 ° C (пиролиз - это тип разложения, который происходит при нагревании до очень высоких температур в отсутствие кислорода).

- В 1991 году энтузиазм по поводу углеродных нанотрубок возник после того, как Сумио Иидзима синтезировал углеродные иглы, сделанные из полых трубок с помощью электродуговой техники.

- В 1993 году Сумио Иидзима и Дональд Бетьюн (работающие независимо друг от друга) одновременно открыли одностенные углеродные нанотрубки.

Интерпретации некоторых использованных источников

Согласно некоторым источникам информации, возможно, заслуга в открытии углеродных нанотрубок должна принадлежать российским ученым Радушкевичу и Лукьяновичу в 1952 году.

Считается, что они не заслужили должное, потому что в то время существовала так называемая «холодная война», и западные ученые не имели доступа к российским статьям. Кроме того, немногие могли переводить с русского, что еще больше задерживало анализ их исследований за рубежом.

Во многих статьях говорится, что Иидзима был тем, кто открыл углеродные нанотрубки в 1991 году. Однако некоторые исследователи считают, что влияние работ Иидзимы связано с тем, что наука уже достигла достаточной степени зрелости, чтобы оценить важность углеродных нанотрубок. наноматериалы.

Некоторые говорят, что в те десятилетия физики вообще не читали статей в химических журналах, где уже обсуждались углеродные нанотрубки, и по этой причине они были «удивлены» статьей Иидзимы.

Но все это не умаляет высокого качества работы Иидзимы с 1991 года. И разница во мнениях сохраняется.

Номенклатура

- Углеродные нанотрубки или УНТ (углеродные нанотрубки).

- Однослойные углеродные нанотрубки или ОСУНТ (одностенные углеродные нанотрубки).

- Многослойные углеродные нанотрубки или MWCNT (многостенные углеродные нанотрубки).

Структура

Физическая структура

Углеродные нанотрубки представляют собой очень тонкие и маленькие трубки или цилиндры, структуру которых можно увидеть только в электронный микроскоп. Они состоят из листа графита (графена), свернутого в трубку.

Углеродная нанотрубка - это свернутый лист графита или графена: (а) теоретическое изображение листа графита, (б) теоретическое изображение свернутого листа или углеродной нанотрубки. OpenStax. Источник: Wikimedia Commons.

Это полые цилиндрические молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Атомы углерода расположены в виде небольших шестиугольников (6-сторонних многоугольников), подобных бензолу, и связанных вместе (конденсированные бензольные кольца).

Рисунок углеродной нанотрубки, на котором вы видите маленькие шестиугольники из 6 атомов углерода. Пользователь: Gmdm. Источник: Wikimedia Commons.

Трубки могут быть или не быть закупорены в отверстиях и могут быть очень длинными по сравнению с их диаметром. Они эквивалентны листам графита (графена), свернутым в бесшовные трубы.

Химическая структура

УНТ представляют собой полиароматические структуры. Связи между атомами углерода ковалентные (т. Е. Не ионные). Эти связи находятся в одной плоскости и очень сильны.

Прочность связей C = C делает УНТ очень жесткими и прочными. Другими словами, стенки этих трубок очень прочные.

Неплоскостные соединения очень слабые, что означает отсутствие прочных соединений между одной трубкой и другой. Однако они являются силами притяжения, которые позволяют формировать пучки или пучки нанотрубок.

Классификация по количеству пробирок

Углеродные нанотрубки делятся на две группы: одностенные нанотрубки, или SWCNT (одностенные углеродные нанотрубки), и многостенные нанотрубки, или MWCNT (многостенные углеродные нанотрубки).

Типы нанотрубок: (1) реальное изображение многослойной нанотрубки, (2) чертеж однослойной нанотрубки, (3) чертеж листа графита или графена. W2raphael. Источник: Wikimedia Commons.

Однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) состоят из одного листа графена, свернутого в цилиндр, где вершины шестиугольников идеально подходят друг к другу, образуя бесшовную трубку.

Многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) состоят из концентрических цилиндров, расположенных вокруг общего полого центра, то есть двух или более полых цилиндров, помещенных друг в друга.

Многослойные нанотрубки состоят из двух или более цилиндров, расположенных один внутри другого. Эрик Визер. Источник: Wikimedia Commons.

Реальное изображение многослойной углеродной нанотрубки, полученное с помощью электронного микроскопа. Оксиран. Источник: Wikimedia Commons.

Классификация по форме намотки

В зависимости от способа прокатки графенового листа узор, образованный шестиугольниками в УНТ, может быть: кресловидным, зигзагообразным, спиральным или хиральным. И это влияет на его свойства.

Реальное изображение хиральной или спиральной углеродной нанотрубки. Танер Йилдирим (Национальный институт стандартов и технологий - NIST). Источник: Wikimedia Commons.

Физические свойства

Углеродные нанотрубки твердые. Они собираются вместе, образуя букеты, пучки, связки или «нити» из нескольких десятков нанотрубок, переплетенных вместе, образуя очень плотную и сложную сеть.

Реальное изображение углеродных нанотрубок, полученное с помощью электронного микроскопа. Видно, что они образуют пучки, которые переплетаются друг с другом. Материаловед из английской Википедии. Источник: Wikimedia Commons.

У них прочность на разрыв больше, чем у стали. Это означает, что они обладают высоким сопротивлением разрушению при воздействии нагрузки. Теоретически они могут быть в сотни раз прочнее стали.

Они очень эластичные, их можно сгибать, скручивать и складывать без повреждений, а затем возвращать исходную форму. Они очень легкие.

Они хорошие проводники тепла и электричества. Говорят, что они обладают очень универсальным электронным поведением или высокой электронной проводимостью.

Трубки из углеродных нанотрубок, шестиугольники которых расположены в форме кресла, имеют металлическое или сходное с металлами поведение.

Те, которые расположены зигзагообразно и по спирали, могут быть металлическими и полупроводниковыми.

Химические свойства

Благодаря прочности связей между атомами углерода УНТ могут выдерживать очень высокие температуры (750 ° C при атмосферном давлении и 2800 ° C в вакууме).

Концы нанотрубок химически более активны, чем цилиндрическая часть. Если они подвергаются окислению, сначала окисляются концы. Если трубки закрыты, их концы открыты.

При обработке азотной кислотой HNO ₃ или серной кислотой H ₂ SO ₄ при определенных условиях УНТ могут образовывать группы карбоксильного типа -COOH или группы хинонового типа O = CC ₄ H ₄ -C = O.

УНТ меньшего диаметра более реактивны. Углеродные нанотрубки могут содержать во внутренних каналах атомы или молекулы других видов.

Растворимость

Из-за того, что УНТ не имеют функциональной группы на своей поверхности, они очень гидрофобны, то есть крайне плохо совместимы с водой и не растворяются в ней или в неполярных органических растворителях.

Однако, если они вступают в реакцию с некоторыми соединениями, УНТ могут стать растворимыми. Например, с помощью азотной кислоты HNO ₃ может растворяться в некоторых растворителях амидного типа при определенных условиях.

Биохимические свойства

Чистые углеродные нанотрубки биологически несовместимы, что означает, что они несовместимы или не связаны с жизнью или живыми тканями. Они вызывают иммунный ответ организма, так как считаются агрессивными элементами.

По этой причине ученые химически модифицируют их таким образом, что они принимаются тканями организма и могут использоваться в медицинских целях.

Они могут взаимодействовать с макромолекулами, такими как белки и ДНК, которая является белком, из которого состоят гены живых существ.

получение

Углеродные нанотрубки изготавливаются из графита различными методами, такими как испарение лазерным импульсом, электрический дуговый разряд и химическое осаждение из паровой фазы.

Они также были получены из потока монооксида углерода (CO) под высоким давлением путем каталитического роста в газовой фазе.

Присутствие металлических катализаторов в некоторых методах производства помогает выравнивать многослойные нанотрубки.

Однако углеродная нанотрубка - это не молекула, которая всегда получается одинаковой. В зависимости от способа приготовления и условий они бывают разной длины, диаметра, структуры, веса и, как следствие, обладают разными свойствами.

Применение углеродных нанотрубок

Свойства УНТ делают их пригодными для самых разных целей.

Они используются в конструкционных материалах для электроники, оптики, пластмасс и других продуктов в области нанотехнологий, аэрокосмической промышленности и автомобилестроения.

Углеродные нанотрубки имеют множество различных применений. Это реальное изображение углеродных нанотрубок, полученное с помощью электронного микроскопа. Ильмар Кинк. Источник: Wikimedia Commons.

Композиции или смеси материалов с УНТ

УНТ были объединены с полимерами для производства армированных полимерных волокон и тканей с высокими эксплуатационными характеристиками. Например, их использовали для усиления полиакрилонитриловых волокон в оборонных целях.

Смеси УНТ с полимерами также могут быть разработаны так, чтобы они обладали различными электропроводящими свойствами. Они улучшают не только прочность и жесткость полимера, но также добавляют свойства электропроводности.

Волокна и ткани из УНТ также производятся с прочностью, аналогичной алюминию и углеродистой стали, но намного легче, чем они. Бронежилет был разработан из таких волокон.

Их также использовали для получения более прочной керамики.

Электронные устройства

Углеродные нанотрубки имеют большой потенциал в вакуумной электронике, наноустройствах и накопителях энергии.

УНТ могут работать как диоды, транзисторы и реле (электромагнитные устройства, которые позволяют размыкать и закрывать электрические цепи).

Они также могут испускать электроны при воздействии электрического поля или при приложении напряжения.

Датчики газа

Использование УНТ в газовых сенсорах позволяет им быть небольшими, компактными и легкими, и их можно комбинировать с электронными приложениями.

Электронная конфигурация УНТ делает датчики очень чувствительными к очень небольшим количествам газов, и, кроме того, УНТ могут быть химически адаптированы для обнаружения определенных газов.

Медицинские приложения

Благодаря большой площади поверхности, превосходной химической стабильности и богатой электронами полиароматической структуре УНТ могут адсорбироваться или конъюгироваться с широким спектром терапевтических молекул, таких как лекарства, белки, антитела, ферменты, вакцины и т. Д.

Они зарекомендовали себя как отличные средства доставки и доставки лекарств, проникая непосредственно в клетки и сохраняя лекарство нетронутым во время его транспортировки через организм.

Последнее позволяет снизить дозу лекарства и его токсичность, особенно противоопухолевые препараты.

УНТ оказались полезными при лечении рака, инфекций, регенерации тканей, нейродегенеративных заболеваний и в качестве антиоксидантов.

Они также используются при диагностике заболеваний, в определенных анализах, таких как биосенсоры, разделение лекарств и извлечение биохимических соединений.

Они также используются в ортопедических протезах и в качестве поддерживающего материала для роста костной ткани.

Другие приложения

Они также были предложены в качестве материалов для мембран батарей и топливных элементов, анодов для литий-ионных батарей, суперконденсаторов и химических фильтров.

Их высокая электропроводность и относительная химическая инертность делают их полезными в качестве электродов в электрохимических реакциях.

Они также могут прилипать к частицам реагента и, благодаря большой площади поверхности, могут действовать как носители катализатора.

Они также обладают способностью хранить водород, что очень полезно для транспортных средств, работающих на указанном газе, поскольку с помощью CNT его можно безопасно транспортировать.

Токсичность углеродных нанотрубок

Исследования выявили трудности в оценке токсичности УНТ. Это, по-видимому, зависит от таких характеристик, как длина, жесткость, концентрация и продолжительность воздействия УНТ. Это также зависит от метода производства и чистоты УНТ.

Однако рекомендуется использовать защитное снаряжение при работе с УНТ, поскольку есть исследования, указывающие на их сходство с волокнами асбеста и что вдыхание пыли УНТ может вызвать повреждение легких.

Техник взвешивает образцы углеродных нанотрубок. Вы можете увидеть защитные приспособления, которые он использует. Национальный институт безопасности и гигиены труда США. Источник: Wikimedia Commons.

Реальное изображение того, как углеродная нанотрубка проходит через клетку в легком. Роберт Р. Мерсер, Энн Ф. Хаббс, Джеймс Ф. Скабиллони, Лийинг Ван, Лори А. Баттелли, Дайан Швеглер-Берри, Винсент Кастранова и Дейл В. Портер / NIOSH. Источник: Wikimedia Commons.

Ссылки

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Химия углеродных нанотрубок для всех. J. Chem. Educ.2012, 89, 221-229. Восстановлено с pubs.acs.org.
2. Монтиу М. и Кузнецов В.Л. (редакторы). (2006). Кому следует отдать должное за открытие углеродных нанотрубок? Углерод 44 (2006) 1621-1623. Восстановлено с sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Углеродные нанотрубки: свойства, синтез, очистка и применение в медицине. Письма о наномасштабных исследованиях 2014 г., 9: 393. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Углеродные нанотрубки от синтеза до биомедицинских приложений in vivo. Международный журнал фармацевтики 501 (2016) 278-299. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
5. Аджаян, PM (1999). Нанотрубки из углерода. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Восстановлено с pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Химия однослойных углеродных нанотрубок. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Восстановлено с pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Синтез углеродных нанотрубок. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
8. Гроберт, Н. (2007). Углеродные нанотрубки - очищаются. Материалы сегодняшнего дня Том 10, выпуски 1-2, страницы 28-35. Получено с reader.elsevier.com.
9. Он, Х. и др. (2013). Углеродные нанотрубки: применение в фармации и медицине. Biomed Res Int.2013; 2013: 578290. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
10. Фрэнсис, А.П. и Девасена, Т. (2018). Токсичность углеродных нанотрубок: обзор. Токсикология и промышленное здоровье (2018) 34, 3. Взято из journals.sagepub.com.
11. Харик, ВМ (2017). Геометрия углеродных нанотрубок и механизмы фагоцитоза и токсических эффектов. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.