Kohlenstoffnanoröhrenstruktur, Eigenschaften, Anwendungen, Toxizität

Der Kohlenstoff-Nanoröhren Sie sind sehr kleine und sehr dünne Zylinder oder Zylinder, die nur durch Kohlenstoffatome gebildet werden (c). Seine röhrenförmige Struktur ist nur durch elektronische Mikroskope sichtbar. Es handelt.

Das "Nano" -Präfix bedeutet "sehr klein". Das Wort "Nano", das bei der Messung verwendet wird. Zum Beispiel ist ein Nanometer (NM) der Millmillonesische Teil eines Messgeräts, dh 1 nm = 10^-9 M.

Kohlenstoffnanoröhrenprobe. Es ist zu sehen, dass es sich um ein schwarz aussehendes schwarzes Feststoff handelt. Shaddack [CC BY-S (https: // CreePecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Jeder Carbon -Nanoröhrchen winzig besteht aus einem oder mehreren Graphitblättern, die sich selbst gerollt haben. Sie werden in einfache Wandnanoröhren (eine einzelne gerollte Lamina) und mehrere Wandnanoröhren (zwei oder mehr Zylinder innerhalb der anderen) eingeteilt.

Kohlenstoffnanoröhren sind sehr stark, haben einen hohen Bruchresistenz und sehr flexibel. Sie führen Wärme und Strom sehr gut durch. Sie bilden auch ein sehr leichtes Material.

Diese Eigenschaften machen sie in mehreren Anwendungsbereichen nützlich, wie z. Sie wurden auch in der Medizin eingesetzt, zum Beispiel zum Transport und Freisetzung von Medikamenten gegen Krebs, Impfstoffe, Proteine ​​usw.

Seine Manipulation muss jedoch mit Schutzausrüstung durchgeführt werden, da sie eingeatmet werden können.

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Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren

In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es verschiedene Meinungen darüber, wer Carbon -Nanoröhren entdeckt hat. Obwohl es viele Forschungsarbeiten zu diesen Materialien gibt, werden unten nur einige wichtige Daten erwähnt.

- 1903 beobachtete der französische Wissenschaftler von Pélado in einer Probe Kohlenstofffilamente (für dieses Datum waren elektronische Mikroskope noch nicht verfügbar).

- Im Jahr 1950 untersuchte der Physiker Roger Bacon von der Union Carbide Company bestimmte Proben von Kohlenstofffasern und beobachtete Bilder von Nanopelen oder Nanobigoten (Übersetzung von Englisch Nanowhiskers) Gerade und süchtig.

- 1952 posteten die russischen Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich Fotos von Carbon -Nanoröhren, die von sich selbst synthetisiert und mit einem elektronischen Mikroskop erhalten wurden, bei dem deutlich beobachtet wird, dass sie Hohlräume sind.

- 1973 haben die russischen Wissenschaftler Bochvar und Gal'pern eine Reihe von Berechnungen der Energieniveaus der molekularen Orbitale abgeschlossen, die zeigen, dass Graphitblätter sich auf sich selbst zusammenrollen können und „hohle Moleküle“ bilden können.

- 1976 beobachtete Morinobu Endo Kohlenstofffasern mit einem Ahuecado -Zentrum, das durch die Pyrolyse von Benzol und Ferrocen bei 1000 ° C produziert wurde (Pyrolyse ist eine Art von Zersetzung, die bei sehr hohen Temperaturen in Abwesenheit von Sauerstoff auftritt).

- 1991 wurde die Begeisterung in Richtung Kohlenstoffnanoröhren entfesselt, nachdem Sumio IIJIMA durch die elektrische Bogentechnik mit hohlen Röhren synthetisierte Kohlenstoffnadeln synthetisierte.

- 1993 entdeckten Sumio Iijima und Donald Bethune (unabhängig voneinander) gleichzeitig die einfachen Kohlenstoffnanoröhren.

Interpretationen einiger der Quellen konsultiert

Nach einigen Informationsquellen zufolge das Verdienst der Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren an russische Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich im Jahr 1952 im Jahr 1952.

Es wird vermutet, dass sie nicht den verdienten Kredit erhielten, da es zu dieser Zeit den sogenannten "Kalten Krieg" gab und westliche Wissenschaftler keinen Zugang zu russischen Artikeln hatten. Darüber hinaus wussten nicht viele, wie sie aus dem Russen übersetzt werden sollten, was sich weiter verzögerte, dass ihre Forschung im Ausland analysiert werden konnte.

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In vielen Artikeln heißt es, dass Iijima derjenige war, der 1991 Kohlenstoffnanoröhren entdeckte. Bestimmte Forscher schätzen jedoch, dass die Auswirkungen der Arbeit von IIJIMA auf die Tatsache zurückzuführen sind.

Es gibt diejenigen, die bestätigen, dass Physiker in diesen Jahrzehnten im Allgemeinen keine Chemiemagazine gelesen haben, in denen bereits Kohlenstoffnanoröhren diskutiert wurden und dass sie aus diesem Grund mit dem Artikel von IIJIMA "überrascht" waren.

All dies verringert jedoch nicht die hohe Qualität der Arbeit von IIjima im Jahr 1991. Und der Meinungsunterschied wird beibehalten.

Nomenklatur

- Kohlenstoffnanoröhren oder CNTs (Akronym für Englisch Kohlenstoff-Nanoröhren).

- Einfache Wandkohlenstoffnanoröhren oder SWCNs (englisches Akronym Einwandige Kohlenstoffnanoröhren).

- Multiple Wandkohlenstoffnanoröhren oder MWCNs (English Akronym Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren).

Struktur

Physikstruktur

Kohlenstoffnanoröhren sind sehr dünne und kleine Röhrchen oder Zylinder, deren Struktur nur mit einem elektronischen Mikroskop zu sehen ist. Sie bestehen aus einem Blatt Graphit (Graphen), das in röhrchengerichteten Röhren gerollt ist.

Ein Kohlenstoffnanotubus ist ein gewalzt. Opentax [CC BY.Org/lizenzen/bis/4.0)]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Sie sind ahuekadierte zylindrische Moleküle, die nur aus Kohlenstoffatomen bestehen,. Kohlenstoffatome sind in Form kleiner Sechskonsäure (6 -seitige Polygone) angeordnet, ähnlich wie Benzol und vereint miteinander (kondensierte benternische Ringe).

Zeichnung eines Kohlenstoffnanoröhrchen. Benutzer: GMDM [CC BY-S (http: // createRecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0/]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Die Röhrchen können in ihren Öffnungen bedeckt sein und können im Vergleich zu ihren Durchmessern extrem lang sein. Sie entsprechen Graphit (Graphen-) Blättern, die in nahtlosen Röhrchen gerollt sind.

Chemische Struktur

CNTs sind polylaromatische Strukturen. Die Verbindungen zwischen Kohlenstoffatomen sind kovalent (dh sie sind nicht ionisch). Diese Links liegen in derselben Ebene und sehr stark.

Die Stärke der Links C = C macht die CNTs sehr starr und resistent. Mit anderen Worten, die Wände dieser Röhrchen sind sehr stark.

Die Gewerkschaften außerhalb der Ebene sind sehr schwach, was bedeutet, dass es keine starken Gewerkschaften zwischen einem Röhrchen und einer anderen gibt. Sie sind jedoch Anziehungskräfte, die die Bildung von Trauben oder Nanoröhren ermöglichen.

Klassifizierung gemäß der Anzahl der Röhren

Kohlenstoffnanoröhren sind in zwei Gruppen unterteilt: einfache Wandnanoröhren oder SWCNT (Akronym für Englisch Einwand-Kohlenstoffnanoröhrchen) Und mehrere Wandnanoröhren oder MWCNT (Akronym für Englisch Multi-Wand-Kohlenstoffnanoröhrchen).

Nanoröhrentypen: (1) Reales Bild von mehreren Wandnanotubus, (2) Einfache Wandnanoröhrenzeichnung, (3) Graphit- oder Graphenblattzeichnung. W2RAPHAEL [CC BY-SA (http: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0/]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Einfache Wandkohlenstoffnanoröhren (SWCNT) bestehen aus einem einzigen Blech aus gerolltem Graphen, der einen Zylinder bildet, wobei die Sechskantelschüsse perfekt zu einer Röhre ohne Naht passen.

Mehrere Wandkohlenstoffnanoröhren (MWCNT) werden durch konzentrische Zylinder gebildet, die um ein gemeinsames Hohlzentrum gelegt werden, dh zwei oder mehr Hohlzylindern ineinander, die ineinander platziert sind.

Mehrere Wandnanoröhren werden von zwei oder mehr Zylinder in den anderen gebildet. Eric Wieer [CC BY-S (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]. Quelle: Wikimedia Commons.Reales Bild eines Kohlenstoffnanoröhrchens mit mehreren Wand. Oxirane [CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Klassifizierung gemäß der Form des Rollens

Abhängig von der Art und Weise, in der sich das Graphenblatt befindet, kann das Design, das sich Sechsecke in den CNTs bilden. Und dies beeinflusst seine Eigenschaften.

Kann Ihnen dienen: Hume-rothery RegelnReales Bild von helikalem Kohlenstoffnanotubus oder Chiral. Terer Yildirim (National Institute of Standards and Technology - NIST) [Public Domain]. Quelle: Wikimedia Commons.

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoffnanoröhren sind fest. Sie kommen zusammen, um Blumensträuße, Strahlen, Trauben oder "Saiten" von mehreren Dutzenden von Nanoröhren zu bilden, die sich gegenseitig behinderten und ein sehr dichtes und kompliziertes Netzwerk bildeten.

Reales Bild von Kohlenstoffnanoröhren, die mit einem elektronischen Mikroskop erhalten wurden. Es ist zu sehen, dass sie Bündel bilden, die miteinander verwickelt werden. MaterialScienst bei English Wikipedia [CC BY-S (https: // CreeveCommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Sie haben eine Spannungskraft, die größer ist als die von Stahl. Dies bedeutet, dass sie einen hohen Widerstand gegen den Bruch haben, wenn sie sich einer Spannung unterziehen. Theoretisch können sie hundertmal stärker sein als Stahl.

Sie sind sehr elastisch, sie können sich beugen, verdrehen und falten, ohne zu beschädigen und dann zu ihrer anfänglichen Form zurückzukehren. Sie sind sehr leicht.

Sie sind gute Treiber von Wärme und Strom. Es wird gesagt, dass sie ein sehr vielseitiges elektronisches Verhalten haben oder eine hohe elektronische Leitfähigkeit haben.

CNT -Röhrchen, deren Sechsecke in Form eines Sessel angeordnet sind.

Diejenigen, die in Zickzack und Helikoidal angeordnet sind, können metallische und Halbleiter sein.

Chemische Eigenschaften

Aufgrund der Kraft der Bindungen zwischen ihren Kohlenstoffatomen können die CNTs sehr hohe Temperaturen standhalten (750 ° C bei atmosphärischem Druck und 2800 ° C bei einem Vakuum).

Die Nanoröhrchen sind chemisch reaktiver als der zylindrische Teil. Wenn sie oxidieren, werden die Enden zuerst oxidiert. Wenn die Röhrchen geschlossen sind, offen.

Bei Behandlung mit Salpetersäure HNO₃ O H Schwefelsäure₂SW₄ Unter bestimmten Bedingungen können die CNTs Carboxyl -Coah oder Quinon oder = c -C -Gruppen bilden₄H₄-C = O.

CNTs mit geringfügigen Durchmessern sind reaktiver. Kohlenstoffnanoröhren können Atome oder Moleküle anderer Spezies in ihren inneren Kanälen enthalten.

Löslichkeit

Aufgrund der Tatsache, dass die CNTs keine funktionelle Gruppe auf ihrer Oberfläche haben, ist dies sehr hydrophob, das heißt, es ist extrem wenig mit Wasser kompatibel und in diesem oder in nichtpolaren organischen Lösungsmitteln nicht löslich.

Wenn sie jedoch mit einigen Verbindungen reagiert werden, können die CNTs löslich sein. Zum Beispiel mit Salpetersäure hno₃ Sie können in einigen Amida -Lösungsmitteln unter bestimmten Bedingungen solubilisiert werden.

Biochemische Eigenschaften

Reine Kohlenstoffnanoröhren sind Bioyouch, was bedeutet, dass sie nicht kompatibel sind oder mit Leben oder lebenden Geweben verbunden sind. Sie erzeugen eine Immunantwort aus dem Organismus, da sie als aggressive Elemente angesehen werden.

Aus diesem Grund ändern Wissenschaftler sie chemisch so, dass sie von den Stoffe des Körpers akzeptiert werden und in medizinischen Anwendungen verwendet werden können.

Sie können mit Makromolekülen wie Protein und DNA interagieren, das das Protein ist, das die Gene der Lebewesen bildet.

Erhalten

Carbon -Nanoröhren werden auf Basis von Graphit durch verschiedene Techniken erhalten.

Sie wurden auch durch katalytisches Wachstum in einer Gasphase aus einem hohen Kohlenmonoxid -hohen Strom (CO) -Stroder erhalten.

Das Vorhandensein von Metallkatalysatoren bei einigen Methoden zum Erhalten hilft der Ausrichtung mehrerer Wandnanoröhren.

Ein Kohlenstoffnanoröhrchen ist jedoch kein Molekül, das immer gleich ist. Nach der Methode der Herstellung und Bedingungen werden mit unterschiedlicher Länge, Durchmesser, Struktur, Gewicht und infolgedessen unterschiedliche Eigenschaften erhalten.

Kann Ihnen dienen: Einfaches Mikroskop

Carbon -Nanoröhrenanwendungen

Die Eigenschaften der CNTs machen sie für eine Vielzahl von Verwendungen geeignet.

Sie wurden in strukturellen Materialien für Elektronik, Optik, Kunststoffe und andere Produkte auf dem Gebiet der Nanotechnologie, der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Automobilproduktion verwendet.

Kohlenstoffnanoröhren haben sehr vielfältige Verwendungszwecke. Dies ist ein echtes Bild von Kohlenstoffnanoröhren, die mit einem elektronischen Mikroskop erhalten wurden. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // creevecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]. Quelle: Wikimedia Commons.

Zusammensetzungen oder Materialmischungen mit CNTs

Die CNTs haben sich mit Polymeren kombiniert, um Fasern und Stoff aus verstärkten Polymeren für hohe Leistung zu machen. Zum Beispiel wurden verwendet, um Polyacrylonitrilfasern für Verteidigungszwecke zu verstärken.

CNT -Gemische mit Polymeren können auch so konzipiert werden, dass sie unterschiedliche Elektrizitätsantriebseigenschaften haben. Sie verbessern nicht nur die Stärke und Steifheit des Polymers, sondern fügen auch Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit hinzu.

Fasern und Stoffe von CNTs werden auch mit Resistenzen hergestellt, die denen von Aluminium und Kohlenstoffstahl ähneln, aber das sind viel leichter als diese. Mit solchen Fasern wurde körperliche Rüstung entworfen.

Sie wurden auch verwendet, um resistentere Keramik zu erhalten.

Elektronikgeräte

Kohlenstoffnanoröhren haben ein großes Potenzial für Vakuumelektronik, Nanodispositive und Energiespeicher.

CNTs können als Dioden, Transistoren und Relais fungieren (elektromagnetische Geräte, die es ermöglichen, elektrische Schaltungen zu öffnen und zu schließen).

Sie können auch Elektronen ausstrahlen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden oder wenn eine Spannung angewendet wird.

Gassensoren

Die Verwendung von CNTs in Gassensoren ermöglicht es ihnen, klein, kompakt und leicht zu sein, was mit elektronischen Anwendungen kombiniert werden kann.

Die elektronische Konfiguration der CNTs macht die Sensoren sehr empfindlich gegenüber extrem geringen Mengen an Gasen, und zusätzlich können die CNTs chemisch angepasst werden, um bestimmte Gase zu erkennen.

Medizinische Anwendungen

Aufgrund seiner hohen Oberfläche, der hervorragenden chemischen Stabilität und der Polylaromatischen Struktur, die reich an Elektronen reicht, kann CNTs eine Vielzahl therapeutischer Moleküle wie Medikamente, Proteine, Antikörper, Enzyme, Impfsteine ​​usw. adsorbieren oder kombinieren.

Sie haben sich als ausgezeichnete Fahrzeuge für den Transport und die Freisetzung von Arzneimitteln erwiesen, die direkt in die Zellen eindringen und das Medikament während ihres Transports durch den Körper intakt halten.

Letzteres ermöglicht es, die Dosis von Medizin und ihre Toxizität, insbesondere gegen Krebsmedikamente, zu verringern.

CNTs waren nützlich bei Krebstherapien, Infektionen, Geweberegeneration, neurodegenerativen Erkrankungen und als Antioxidantien.

Sie werden auch in der Diagnose der Krankheitsdiagnose in bestimmten Analysen wie Biosensoren, Arzneimitteltrennung und Extraktion biochemischer Verbindungen verwendet.

Sie werden auch in orthopädischen Prothesen verwendet und als Stützmaterial für das Wachstum des Knochengewebes.

Andere Apps

Die Verwendung wurde auch als Materialien für Batterien und Brennstoffzellmembranen, Lithium -Ion -Batterien, Supercander und chemische Filter vorgeschlagen.

Ihre hohe elektrische und relative Leitfähigkeit macht sie als Elektroden bei elektrochemischen Reaktionen nützlich.

Sie können sich auch an Reaktantenpartikel halten und für ihren großen oberflächlichen Bereich können sie wie der Katalysator fungieren können.

Sie haben auch die Fähigkeit, Wasserstoff zu speichern, was in Fahrzeugen, die mit diesem Gas arbeiten.

Kohlenstoffnanoröhren Toxizität

Studien haben Schwierigkeiten gezeigt, die Toxizität von CNTs zu bewerten. Dies scheint von Merkmalen wie Länge, Steifigkeit, Konzentration und Dauer der Exposition gegenüber CNTs abzuhängen. Es hängt auch von der Produktions- und Reinheitsmethode der CNTs ab.

Es wird jedoch empfohlen, Schutzausrüstung während der CNT -Manipulation zu verwenden.

Techniker wiegt Proben von Kohlenstoffnanoröhren. Der von Ihnen verwendete Schutz kann beobachtet werden. ODER.S. Nationales Institut für Arbeitssicherheit und Gesundheit [öffentlich zugänglich]. Quelle: Wikimedia Commons.Reales Bild darüber, wie ein Kohlenstoffnanoröhrchen eine Lungezelle überschreitet. Robert r. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, liying wang, lori a. Battelli, Diane Schwegler-Beere, Vincent Castranova und Dale W. Porter / Niosch [Public Domain]. Quelle: Wikimedia Commons.

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