Kolananorörstruktur, egenskaper, applikationer, toxicitet

De Kolnanorör De är mycket små och mycket tunna cylindrar eller cylindrar som endast bildas av kolatomer (c). Dess rörformiga struktur är synlig endast genom elektroniska mikroskop. Det är ett solid svart material, bildat av buntar eller mycket små av flera dussintals nanorör, trasslade ihop och bildar ett komplicerat nätverk.

"Nano" -prefixet betyder "mycket liten". Ordet "nano" som används i mätning betyder att det är den millmillonesiska delen av en mått. Till exempel är en nanometer (nm) den millmillonesiska delen av en mätare, det vill säga 1 nm = 10^-9 m.

Kolananorörsprov. Det kan ses att det är ett svart -ser svart fast fast ämne. Shaddack [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Varje kol nanorör är bestående av ett eller flera grafitark rullade på sig själva. De klassificeras i enkla vägg nanorör (en enda rullad lamina) och flera vägg nanorör (två eller flera cylindrar en inom den andra).

Kolananorör är mycket starka, har ett stort motstånd mot att bryta och är mycket flexibla. De bedriver värme och el mycket bra. De utgör också ett mycket lätt material.

Dessa fastigheter gör dem användbara inom flera applikationsområden, till exempel fordon, flyg-, elektronisk industri, bland andra. De har också använts i medicin, till exempel för att transportera och frigöra läkemedel mot cancer, vacciner, proteiner etc.

Men manipulationen måste göras med skyddsutrustning eftersom de inhaleras kan orsaka skador på lungorna.

[TOC]

Upptäckt av kolananorör

Det finns olika åsikter i det vetenskapliga samfundet om vem som upptäckte kolananorör. Även om det finns många forskningsarbete på dessa material, nämns bara några viktiga datum nedan.

- 1903 observerade Pélado franska forskaren kolfilament i ett prov (för detta datum var elektroniska mikroskop ännu inte tillgängliga).

- År 1950 studerade fysikern Roger Bacon, Union Carbide Company, vissa prover av kolfibrer och observerade bilder av nanopelus eller nanobigoter (översättning av engelska Nanowhiskers) Rak och ansluten.

- 1952 publicerade ryska forskare Radushkevich och Lukyanovich bilder av kolananorör syntetiserade av sig själva och erhållna med ett elektroniskt mikroskop, där det tydligt observeras att de är hål.

- 1973 slutförde ryska forskare Bochvar och Gal'pern en serie beräkningar av energinivåerna för molekylära orbitaler som visar att grafitark kan krulla på sig själva och bilda "ihåliga molekyler".

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

- 1991 släpptes entusiasmen mot kolananorör efter Sumio iijima syntetiserade kolnålar gjorda med ihåliga rör genom den elektriska bågstekniken.

- 1993 upptäckte Sumio Iijima och Donald Bethune (arbetade oberoende av varandra) samtidigt de enkla kolananorörerna.

Tolkningar av några av de källor som konsulterats

Enligt vissa informationskällor, förtjänsten av upptäckten av kolananorör till ryska forskare Radushkevich och Lukyanovich 1952 1952.

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

Kan tjäna dig: anomer kol: vad är, egenskaper, exempel

I många artiklar sägs det att iijima var den som upptäckte kolananorör 1991. Vissa forskare uppskattar emellertid att effekterna av IIJimas arbete beror på att vetenskapen redan hade uppnått tillräcklig mognadsgrad för att uppskatta vikten av nanomaterial.

Det finns de som bekräftar att fysiker i dessa decennier i allmänhet inte läste kemitidningar, där kolananorör redan diskuterades, och att de av denna anledning var "förvånade" med artikeln av IIJIMA.

Men allt detta minskar inte den höga kvaliteten på IIJimas arbete 1991. Och åsiktsskillnaden upprätthålls.

Nomenklatur

- Kolananorör eller CNT: er (akronym för engelska Kolnanorör).

- Enkla väggkolananorör eller SWCN (engelska akronym Enväggiga kolananorör).

- Flera väggkolananorör eller MWCN: er (engelska akronym Flerväggiga kolananorör).

Strukturera

Fysisk struktur

Kolananorör är mycket tunna och små rör eller cylindrar vars struktur endast kan ses med ett elektroniskt mikroskop. De består av ett ark med grafit (grafen) rullade i rörformade.

En kolananotubus är ett rullat grafit- eller grafenark: (a) Teoretiskt grafitark, (b) teoretisk bild av rullade eller kol nanotubo -lamina. Opentax [CC av (https: // CreativeCommons.Org/licenser/av/4.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

De är ahuecaded cylindriska molekyler som endast består av kolatomer. Kolatomer är arrangerade i form av små hexagoner (6 -sidosidiga polygoner) liknande bensen och förenas med varandra (kondenserade bentniska ringar).

Ritning av en kol nanorör där små hexagoner av 6 kolatomer kan observeras. Användare: GMDM [CC BY-S (http: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0/]]. Källa: Wikimedia Commons.

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

Kemisk struktur

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

Styrkan hos länkarna C = C gör CNT: er mycket styva och resistenta. Med andra ord är väggarna i dessa rör mycket starka.

Fackföreningarna utanför planet är mycket svaga, vilket innebär att det inte finns några starka fackföreningar mellan ett rör och en annan. De är emellertid attraktionskrafter som tillåter bildning av grupper eller nanorör.

Klassificering enligt antalet rör

Kolananorör är uppdelade i två grupper: enkla vägg nanorör eller SWCNT (akronym för engelska Envägg kol nanorör) Och flera vägg nanorör eller MWCNT (akronym för engelska Multi-vägg kol nanorör).

Nanorörstyper: (1) Verklig bild av flera vägg nanotubus, (2) enkel vägg nanorörritning, (3) grafit- eller grafenark. W2raphael [CC BY-SA (http: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0/]]. Källa: Wikimedia Commons.

Enkla väggkolananorör (SWCNT) består av ett enda ark med rullad grafen som bildar en cylinder, där hexagon vertikaler passar perfekt för att bilda ett rör utan söm.

Flera väggkolananorör (MWCNT) bildas av koncentriska cylindrar placerade runt ett gemensamt ihåligt centrum, det vill säga två eller flera ihåliga cylindrar placerade i varandra.

Flera vägg nanorör bildas av två eller flera cylindrar en inuti den andra. Eric Wieer [CC BY-S (https: // Creativecommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.Verklig bild av en multipel väggkol nanorör erhållen med ett elektroniskt mikroskop. Oxirane [CC BY-SA (https: // Creativecommons.Org/licenser/BY-SA/4.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Klassificering enligt rullningens form

Beroende på hur grafenarket är inskrivet kan designen som hexagoner formas i CNT: er: i form av en fåtölj, i form av en sicksack och i spiralformig eller chiral form. Och detta påverkar dess egenskaper.

Kan tjäna dig: Hume-rothery reglerVerklig bild av spiralformat kol nanotubus eller chiral. Terer Yildirim (National Institute of Standards and Technology - NIST) [Public Domain]. Källa: Wikimedia Commons.

Fysikaliska egenskaper

Kolananorör är solida. De samlas för att bilda buketter, balkar, grupper eller "strängar" av flera dussintals nanorör, hindrade varandra och bildade ett mycket tätt och komplicerat nätverk.

Verklig bild av kolananorör erhållna med ett elektroniskt mikroskop. Det kan ses att de bildar grupper som trasslar med varandra. MaterialScienst på engelska Wikipedia [CC BY-S (https: // Creativecommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

De har en spänningskraft större än stål. Detta innebär att de har ett stort motstånd mot att bryta när de genomgår en spänning. I teorin kan de vara hundra gånger starkare än stål.

De är väldigt elastiska, de kan böja, vrida sig och vika utan att skada och sedan återvända till sin första form. De är väldigt lätta.

De är bra förare av värme och el. Det sägs att de har mycket mångsidigt elektroniskt beteende eller att de har hög elektronisk konduktivitet.

CNT -rör vars hexagoner är ordnade i form av en fåtölj har metallbeteende som liknar metaller.

De som arrangeras i sicksack och helikoid kan vara metalliska och halvledare.

Kemiska egenskaper

På grund av bindningens kraft mellan deras kolatomer kan CNT: erna tåla mycket höga temperaturer (750 ° C vid atmosfärstryck och 2800 ° C vid ett vakuum).

Nanorörens slut är kemiskt mer reaktiva än den cylindriska delen. Om de genomgår oxidation oxideras ändarna först. Om rören är stängda öppna.

När du behandlas med salpetersyra HNO₃ o H svavelsyra₂Sw₄ Under vissa förhållanden kan CNT: er bilda karboxyl -COAH eller Quinone eller = C -C -grupper₄H₄-C = O.

CNT 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: erna inte har någon funktionell grupp på ytan, är detta mycket hydrofobt, det vill säga det är extremt lite kompatibelt med vatten och inte är löslig i detta eller i icke -polära organiska lösningsmedel.

Men om de reageras med vissa föreningar kan CNT: er vara lösliga. Till exempel med salpetersyra hno₃ De kan solubiliseras i vissa Amida -lösningsmedel under vissa förhållanden.

Biokemiska egenskaper

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

Av denna anledning modifierar forskare dem kemiskt så att de accepteras av kroppens tyger och kan användas i medicinska tillämpningar.

De kan interagera med makromolekyler såsom protein och DNA, som är proteinet som bildar levande varelser.

Erhållande

Kolananorör erhålls baserat på grafit genom olika tekniker såsom förångning med laserpulser, elektrisk bågutsläpp och kemisk ångavsättning.

De har också erhållits från en ström med hög kolmonoxid (CO) genom katalytisk tillväxt i en gasfas.

Närvaron av metallkatalysatorer i vissa metoder för att erhålla hjälper anpassningen av flera vägg nanorör.

Emellertid är en kol nanorör inte en molekyl som alltid är densamma. Enligt metoden för beredning och förhållanden erhålls med olika längd, diameter, struktur, vikt och som ett resultat presenterar de olika egenskaper.

Kan tjäna dig: Enkelt mikroskop

Koldioxidnanorörsapplikationer

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

De har använts i strukturella material för elektronik, optik, plast och andra produkter inom nanoteknik, flygindustri och bilproduktion.

Kolananorör har mycket olika användningsområden. Detta är en verklig bild av kolananorör erhållna med ett elektroniskt mikroskop. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Kompositioner eller blandningar av material med CNT

CNT: erna har kombinerat med polymerer för att göra fibrer och tyg av förstärkta polymerer för högpresterande. Till exempel har använts för att förstärka polyakrylonitrilfibrer för försvarsändamål.

CNT -blandningar med polymerer kan också utformas för att ha olika elkörningsegenskaper. De förbättrar inte bara polymerens styrka och styvhet utan lägger också till egenskaper för elektrisk konduktivitet.

Fibrer och tyger av CNT tillverkas också med motstånd som liknar aluminium och kolstål, men det är mycket lättare än dessa. Med sådana fibrer har kroppsliga rustningar utformats.

De har också använts för att få mer resistenta keramik.

Elektronikenheter

Kolananorör har stor potential inom vakuumelektronik, nanodispositiv och energilagring.

CNT: er kan fungera som dioder, transistorer och reläer (elektromagnetiska enheter som gör det möjligt att öppna och stänga elektriska kretsar).

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

Gassensorer

Användningen av CNT: er i gassensorer gör att de kan vara små, kompakta och lätta och det 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 vara kemiskt anpassade för att upptäcka specifika gaser.

Medicinska tillämpningar

På grund av dess höga ytarea kan utmärkt kemisk stabilitet och polylaromatisk struktur rik på elektroner CNT adsorberar eller kombineras med en mängd olika terapeutiska molekyler, såsom mediciner, proteiner, antikroppar, enzymer, vacciner, etc.

De har visat sig vara utmärkta fordon för transport och frisläppande av läkemedel, direkt penetrera cellerna och hålla medicinen intakt under deras transport av kroppen.

Det senare gör det möjligt att minska dosen av medicin och dess toxicitet, särskilt anti -cancerläkemedel.

CNT: er har varit användbara i cancerterapi, infektioner, vävnadsregenerering, neurodegenerativa sjukdomar och som antioxidanter.

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

De används också i ortopediska proteser och som stödmaterial för benvävnadstillväxt.

Andra appar

Dess användning har också föreslagits som material för batterier och bränslecellmembran, litium -jionbatterier, supercanders och kemiska filter.

Deras höga elektriska och relativa konduktivitet gör dem användbara som elektroder i elektrokemiska reaktioner.

De kan också följa reaktantpartiklar och för deras stora ytliga område kan de fungera som katalysatorstöd.

De har också kapacitet att lagra väte, som finner en stor användbarhet i fordon som arbetar med denna gas, för med CNTS kan den transporteras säkert.

Kolananorör toxicitet

Studier har visat svårigheter att utvärdera toxiciteten hos CNTS. Detta verkar bero på egenskaper som längd, styvhet, koncentration och exponeringsvaraktighet för CNTS. Det beror också på produktions- och renhetsmetoden för CNTS.

Det rekommenderas emellertid att använda skyddsutrustning under CNT -manipulation eftersom det finns studier som indikerar deras likhet med asbestfibrer och att CNS -damminandning kan orsaka skador på lungorna.

Tekniker som väger prover av kolananorör. Skyddets implementer du använder kan observeras. ELLER.S. National Institute for Occupational Safety and Health [Public Domain]. Källa: Wikimedia Commons.Verklig bild av hur en kol nanorör korsar 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 [Public Domain]. Källa: Wikimedia Commons.

Referenser

1. Basu-dutt, s. et al. (2012). Kemi av kolananorör för alla. J. Kem. Utbildare. 2012, 89, 221-229. Återhämtat sig från pubar.ACS.org.
2. Månader, m. och Kuznetsov, V.L. (redaktörer). (2006). Som borde få kredit för upptäckten av kolananotiber? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Återhämtat sig från Scientedirect.com.
3. Eatemadi, a. et al. (2014). Kolananorör: Egenskaper, syntes, rening och medicinska tillämpningar. Nanoskala forskningsbrev 2014, 9: 393. NCBI återhämtade sig.Nlm.Nih.Gov.
4. Saxid, m.Yo. et al. (2016) Kolananorör från syntes till In vivo Biomedicinska tillämpningar. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI återhämtade sig.Nlm.Nih.Gov.
5. Ajayan, s.M. (1999). Nanorör från kol. Kem. 1999, 99, 1787-1799. Återhämtat sig från pubar.ACS.org.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Kemi av enväggiga kolananorör. Accera. Kem. Nötkött. 2002, 35, 1105-1113. Återhämtat sig från pubar.ACS.org.
7. Awashi, k. et al. (2005). Syntes av kolananorör. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI återhämtade sig.Nlm.Nih.Gov.
8. Grobert, n. (2007). Kolananorör - blir rena. MaterialStoday Volym 10, nummer 1-2, sidorna 28-35. Återhämtat sig från läsaren.Annars.com.
9. Han, h. et al. (2013). Kolananorör: Applikationer inom apotek och medicin. Biomed res int. 2013; 2013: 578290. NCBI återhämtade sig.Nlm.Nih.Gov.
10. Francis, a.P. och devase, t. (2018). Toxicitet av kolananorör: En recension. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Återhämtat sig från tidskrifter.Sagepub.com.
11. Harik, V. M. (2017). Geometri av kolananorör och mekanismer för fagocytos och toxiska effekter. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI återhämtade sig.Nlm.Nih.Gov.