KOLANANORÖR: STRUKTUR, EGENSKAPER, TILLÄMPNINGAR, TOXICITET - KEMI - 2025

De kolnanorör är rör eller cylindrar mycket små och mycket tunna bildade endast av kolatomer (C). Dess rörformade struktur är endast synlig genom elektronmikroskop. Det är ett massivt svart material som består av mycket små buntar eller buntar med flera dussin nanorör, sammansvetsade med varandra för att bilda ett komplicerat nätverk.

Prefixet "nano" betyder "väldigt litet." Ordet "nano" som används vid mätning betyder att det är en miljarddels mätning. Till exempel är en nanometer (nm) en miljarddels meter, det vill säga 1 nm = ^10-9 m.

Prov av kol nanorör. Det kan ses att det är en svart fast substans med ett kolliknande utseende. Shaddack. Källa: Wikimedia Commons.

Varje lilla kol nanorör består av ett eller flera ark grafit lindade runt sig själva. De klassificeras i enväggiga nanorör (ett valsat ark) och flerväggiga nanorör (två eller flera cylindrar en i den andra).

Kolnanorör är mycket starka, har hög motståndskraft mot att bryta och är mycket flexibla. De leder värme och el mycket bra. De utgör också ett mycket lätt material.

Dessa egenskaper gör dem användbara inom olika tillämpningsområden, till exempel bil-, rymd- och elektronikindustrin. De har också använts inom medicin, till exempel för att transportera och leverera läkemedel mot cancer, vacciner, proteiner etc.

Men hanteringen måste utföras med skyddsutrustning eftersom de kan orsaka lungor vid inandning.

Upptäckt av kolananorör

Det finns olika åsikter i det vetenskapliga samfundet om vem som upptäckte kolananorör. Även om det finns många forskningsdokument om dessa material nämns endast några viktiga datum nedan.

- År 1903 observerade den franska forskaren Pélabon koltrådar i ett prov (elektronmikroskop var ännu inte tillgängliga vid detta datum).

- 1950 studerade fysikern Roger Bacon från Union Carbide-företaget vissa prov av kolfiber och observerade bilder av raka och ihåliga nano-fluff eller nanobigoter (nanowhiskers).

- 1952 publicerade de ryska forskarna Radushkevich och Lukyanovich bilder av bilder av kolananorör som syntetiserats av sig själva och erhållits med ett elektronmikroskop, där det tydligt observeras att de är ihåliga.

- 1973 slutförde de ryska forskarna Bochvar och Gal'pern en serie beräkningar av energinivåerna i molekylära orbitaler som visade att grafitark kan vrida sig själva för att bilda "ihåliga molekyler".

1976 observerade Morinobu Endo kolfibrer med ett ihåligt centrum producerat genom pyrolys av bensen och ferrocen vid 1000 ° C (pyrolys är en typ av sönderdelning som uppstår vid uppvärmning till mycket höga temperaturer i frånvaro av syre).

- År 1991 upptäcktes entusiasm för kolananorör efter att Sumio Iijima syntetiserade kolnålar tillverkade av ihåliga rör med hjälp av den elektriska bågtekniken.

- 1993 upptäckte Sumio Iijima och Donald Bethune (arbetar oberoende av varandra) samtidigt enväggiga kolnanorör.

Tolkningar av några av de konsulterade källorna

Enligt vissa informationskällor borde kanske kredit för upptäckten av kolnanorör gå till de ryska forskarna Radushkevich och Lukyanovich 1952.

Det tros att de inte fick sitt förtjänta kredit eftersom vid den tiden det så kallade "kalla kriget" fanns och västerländska forskare inte hade tillgång till ryska artiklar. Dessutom kunde inte många översätta från ryska, vilket ytterligare försenade sin forskning från att analyseras utomlands.

I många artiklar sägs det att Iijima var den som upptäckte kolnanorör under 1991. Men vissa forskare uppskattar att effekterna av Iijimas arbete beror på att vetenskapen redan hade nått en tillräcklig mognad för att uppskatta vikten av kolnanorör. nanomaterial.

Vissa säger att fysiker under dessa årtionden i allmänhet inte läste artiklar i kemi-tidskrifter, där kolnanorör redan diskuterades, och att de därför var "förvånade" av Iijimas artikel.

Men allt detta minskar inte den höga kvaliteten på Iijimas arbete från 1991. Och åsiktsskillnaden kvarstår.

Nomenklatur

- Kol nanorör, eller CNT (Carbon NanoTubes).

- Enväggiga kolananorör, eller SWCNT-rör (Enväggiga kol-nanorör).

- Flerväggiga kolananorör, eller MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Strukturera

Fysisk struktur

Kolananorör är mycket fina och små rör eller cylindrar vars struktur endast kan ses med ett elektronmikroskop. De består av ett ark grafit (grafen) rullat in i ett rör.

En kol nanorör är ett valsat ark med grafit eller grafen: (a) teoretisk bild av ark av grafit, (b) teoretisk bild av valsat ark eller nanorör av kol. OpenStax. Källa: Wikimedia Commons.

De är ihåliga cylindriska molekyler som endast består av kolatomer. Kolatomerna är anordnade i form av små hexagoner (6-sidiga polygoner) som liknar bensen och kopplas samman (kondenserade bensenringar).

Ritning av en kolananorör där du kan se de små sexhörningarna med 6 kolatomer. Användare: Gmdm. Källa: Wikimedia Commons.

Rören kanske inte är pluggade vid sina öppningar och kan vara extremt långa jämfört med deras diametrar. De motsvarar ark med grafit (grafen) rullade i sömlösa rör.

Kemisk struktur

CNT är polyaromatiska strukturer. Bindningarna mellan kolatomer är kovalenta (det vill säga de är inte joniska). Dessa länkar ligger inom samma plan och är mycket starka.

Styrkan i C = C-bindningarna gör CNT: er mycket styva och starka. Med andra ord, väggarna i dessa rör är mycket starka.

Luftfogarna är mycket svaga, vilket innebär att det inte finns några starka leder mellan ett rör och ett annat. De är emellertid attraktiva krafter som tillåter bildning av buntar eller buntar av nanorör.

Klassificering enligt antal rör

Kolnanorör är indelade i två grupper: enväggs nanorör, eller SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), och multi-wall nanorubes, eller MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanotube-typer: (1) multiväggad nanorörs verklig bild, (2) enkelväggig nanorörsteckning, (3) grafit- eller grafenarkritning. W2raphael. Källa: Wikimedia Commons.

Enväggiga kolananorör (SWCNT) består av ett enda grafenark som rullas in i en cylinder, där sexhörnens toppar passar perfekt samman för att bilda ett sömlöst rör.

Flerväggiga kolnanorör (MWCNTs) består av koncentriska cylindrar placerade runt ett gemensamt ihåligt centrum, det vill säga två eller flera ihåliga cylindrar placerade inuti varandra.

Flerväggiga nanorör består av två eller flera cylindrar en i den andra. Eric Wieser. Källa: Wikimedia Commons.

Verklig bild av en flerväggad kolananorör erhållen med ett elektronmikroskop. Oxiran. Källa: Wikimedia Commons.

Klassificering enligt lindningsform

Beroende på hur grafenarket rullas, kan mönstret som bildas av sexhörningarna i CNT: er vara stolformat, sicksackformat och spiralformat eller chiralt. Och detta påverkar dess egenskaper.

Verklig bild av chiral eller spiralformad kol nanorör. Taner Yildirim (National Institute of Standards and Technology - NIST). Källa: Wikimedia Commons.

Fysikaliska egenskaper

Kolananorör är fasta. De sammanförs för att bilda buketter, buntar, buntar eller "strängar" av flera dussin nanorör, sammanfiltrade för att bilda ett mycket tätt och komplicerat nätverk.

Verklig bild av kolananorör erhållna med ett elektronmikroskop. Det kan ses att de bildar buntar som trasslar in i varandra. Materialscientist på engelska Wikipedia. Källa: Wikimedia Commons.

De har en draghållfasthet som är större än stål. Detta innebär att de har en hög motståndskraft mot att bryta när de utsätts för stress. I teorin kan de vara hundratals gånger starkare än stål.

De är mycket elastiska, de kan böjas, vridas och vikas utan skador och sedan återgå till sin ursprungliga form. De är väldigt lätta.

De är bra ledare av värme och elektricitet. De sägs ha mycket mångsidigt elektroniskt beteende eller ha hög elektronisk konduktivitet.

CNT-rör vars sexhörningar är anordnade i form av en fåtölj har metalliskt beteende eller liknar metaller.

De arrangerade i en sicksack och spiralformat mönster kan vara metalliska och halvledare.

Kemiska egenskaper

På grund av styrkan hos bindningarna mellan deras kolatomer kan CNT: er tåla mycket höga temperaturer (750 ° C vid atmosfärstryck och 2800 ° C under vakuum).

Nanorörernas ändar är kemiskt mer reaktiva än den cylindriska delen. Om de utsätts för oxidation oxideras ändarna först. Om rören är stängda öppnar ändarna.

När de behandlas med salpetersyra HNO ₃ eller svavelsyra H ₂ SO ₄ under vissa betingelser cnts kan bilda karboxyl-typ grupper -COOH eller kinon-typ grupper O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT: er med mindre diametrar är mer reaktiva. Kolananorör kan innehålla atomer eller molekyler av andra arter i sina inre kanaler.

löslighet

På grund av det faktum att CNT: er inte har någon funktionell grupp på sin yta, är den mycket hydrofob, det vill säga den är extremt dåligt kompatibel med vatten och är inte löslig i den eller i icke-polära organiska lösningsmedel.

Emellertid om de reageras med vissa föreningar kan CNT: erna bli lösliga. Exempelvis med salpetersyra kan HNO ₃ lösas i vissa lösningsmedel av amidtyp under vissa förhållanden.

Biokemiska egenskaper

Rena kolananorör är biokompatibla, vilket innebär att de inte är kompatibla eller relaterade till liv eller levande vävnader. De genererar ett immunsvar från kroppen, eftersom de betraktas som aggressiva element.

Av denna anledning modifierar forskare kemiskt på ett sådant sätt att de accepteras av kroppens vävnader och kan användas i medicinska tillämpningar.

De kan interagera med makromolekyler som proteiner och DNA, som är det protein som utgör gener från levande varelser.

Erhållande

Kolananorör tillverkas av grafit med olika tekniker såsom laserpulsförångning, elektriska bågsurladdningar och kemisk ångavlagring

De har också erhållits från en högtrycksström av kolmonoxid (CO) genom katalytisk tillväxt i gasfasen.

Närvaron av metalliska katalysatorer i vissa produktionsmetoder hjälper till att anpassa de flerväggiga nanorören.

Emellertid är en kol nanorör inte en molekyl som alltid visar sig densamma. Enligt beredningsmetoden och betingelserna erhålls de med olika längd, diameter, struktur, vikt och som ett resultat uppvisar de olika egenskaper.

Användningar av kolananorör

CNT: s egenskaper gör dem lämpliga för en mängd olika användningsområden.

De har använts i strukturmaterial för elektronik, optik, plast och andra produkter inom områdena nanoteknik, flyg- och bilproduktion.

Kolananorör har många olika användningsområden. Detta är en riktig bild av kolananorör erhållna med ett elektronmikroskop. Ilmar Kink. Källa: Wikimedia Commons.

Kompositioner eller blandningar av material med CNT

CNT: er har kombinerats med polymerer för att göra högpresterande förstärkta polymerfibrer och tyger. Till exempel har de använts för att förstärka polyakrylonitrilfibrer för försvarsändamål.

Blandningar av CNT: er med polymerer kan också utformas för att ha olika elektriskt ledande egenskaper. De förbättrar inte bara hållfastheten och styvheten hos polymeren utan ger också egenskaperna för elektrisk konduktivitet.

CNT: s fibrer och tyger tillverkas också med styrkor som liknar aluminium och kolstål, men som är mycket lättare än dessa. Kropps rustning har utformats med sådana fibrer.

De har också använts för att erhålla mer resistent keramik.

Elektroniska enheter

Kolnanorör har stor potential inom vakuumelektronik, nanodon och energilagring.

CNT: er kan fungera som dioder, transistorer och reläer (elektromagnetiska enheter som tillåter öppning och stängning av elektriska kretsar).

De kan också avge elektroner när de utsätts för ett elektriskt fält eller om en spänning ansluts.

Gassensorer

Användningen av CNT: er i gassensorer gör att dessa kan vara små, kompakta och lätta och att de kan kombineras med elektroniska applikationer.

Den elektroniska konfigurationen av CNT: er gör sensorerna mycket känsliga för extremt små mängder gaser och dessutom kan CNT: er anpassas kemiskt för att detektera specifika gaser.

Medicinska tillämpningar

På grund av deras höga ytarea, utmärkt kemisk stabilitet och elektronrik polyaromatisk struktur, kan CNT: er adsorbera eller konjugera med en mängd olika terapeutiska molekyler, såsom läkemedel, proteiner, antikroppar, enzymer, vacciner etc.

De har visat sig vara utmärkta fordon för transport och leverans av läkemedel, penetrerar direkt in i celler och håller läkemedlet intakt under transporten genom kroppen.

Det senare gör det möjligt att minska dosen av läkemedlet och dess toxicitet, speciellt läkemedel mot cancer.

CNT har visat sig vara användbara vid behandling mot cancer, infektioner, vävnadsregenerering, neurodegenerativa sjukdomar och som antioxidanter.

De används också vid diagnos av sjukdomar, i vissa analyser, såsom biosensorer, läkemedelsseparation och extraktion av biokemiska föreningar.

De används också i ortopediska proteser och som ett stödmaterial för tillväxt av benvävnad.

Andra appar

De har också föreslagits som material för batteri- och bränslecellmembran, anoder för litiumjonbatterier, superkapacitatorer och kemiska filter.

Deras höga elektriska ledningsförmåga och relativa kemiska tröghet gör dem användbara som elektroder i elektrokemiska reaktioner.

De kan också fästa vid reaktantpartiklar och kan på grund av deras stora ytarea fungera som katalysatorstöd.

De har också kapacitet att lagra väte, vilket är mycket användbart i fordon som körs på nämnda gas, eftersom det med CNT kan transporteras säkert.

Toxicitet vid nanorör

Studier har visat svårigheter att utvärdera toxiciteten för CNT: er. Detta verkar bero på egenskaper som längd, styvhet, koncentration och exponering för CNT: er. Det beror också på CNT: s produktionsmetod och renhet.

Det rekommenderas emellertid att använda skyddsutrustning vid hantering av CNT, eftersom det finns studier som visar att de liknar asbestfibrer och att inandning av CNT-damm kan orsaka skador på lungorna.

Tekniker som väger prover av kolananorör. Du kan se de skyddsredskap som den använder. US National Institute for Arbetssäkerhet och hälsa. Källa: Wikimedia Commons.

Verklig bild av hur en kol nanorör passerar genom en cell i en lunga. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova och Dale W. Porter / NIOSH. Källa: Wikimedia Commons.

referenser

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Kemi av kol nanorör för alla. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Återställs från pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. och Kuznetsov, VL (redaktörer). (2006). Vem ska få kredit för upptäckten av kolananorör? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Återställs från sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Kolananorör: egenskaper, syntes, rening och medicinska tillämpningar. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Kolananorör från syntes till biomedicinska applikationer in vivo. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanorör från kol. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Återställs från pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Kemi för enkelväggiga kolananorör. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Återställs från pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Syntes av kolananorör. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Kol nanorör - blir ren. Materialdagens bind 10, nummer 1-2, sidorna 28-35. Återställs från reader.elsevier.com.
9. He, H. et al. (2013). Carbon Nanotubes: Applications in Pharmacy and Medicine. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP och Devasena, T. (2018). Toxicitet för kolnanorör: En översyn. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Återställd från journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometri av kolananorör och mekanismer för fagocytos och toxiska effekter. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.