KOOLSTOFNANOBUISJES: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, TOEPASSINGEN, TOXICITEIT - CHEMIE - 2025

De koolstofnanobuisjes zijn buisjes of cilinders die erg klein en erg dun zijn en alleen worden gevormd door koolstofatomen (C). De buisvormige structuur is alleen zichtbaar door elektronenmicroscopen. Het is een stevig zwart materiaal, bestaande uit zeer kleine bundels of bundels van enkele tientallen nanobuisjes, die met elkaar verstrengeld zijn om een ​​gecompliceerd netwerk te vormen.

Het voorvoegsel "nano" betekent "heel klein". Het woord "nano" dat bij metingen wordt gebruikt, betekent dat het een miljardste van een meting is. Een nanometer (nm) is bijvoorbeeld een miljardste van een meter, dat wil zeggen 1 nm = ^10-9 m.

Koolstof nanobuisje monster. Het is te zien dat het een zwarte vaste stof is met een koolstofachtig uiterlijk. Shaddack. Bron: Wikimedia Commons.

Elke kleine koolstofnanobuis is gemaakt van een of meer vellen grafiet die om zichzelf heen zijn gewikkeld. Ze worden ingedeeld in enkelwandige nanobuisjes (een enkele opgerolde plaat) en meerwandige nanobuisjes (twee of meer cilinders in elkaar).

Koolstof nanobuisjes zijn erg sterk, hebben een hoge breukvastheid en zijn zeer flexibel. Ze geleiden warmte en elektriciteit heel goed. Ze vormen ook een heel licht materiaal.

Deze eigenschappen maken ze bruikbaar in verschillende toepassingsgebieden, zoals onder andere de auto-, lucht- en ruimtevaart- en elektronica-industrie. Ze zijn ook gebruikt in de geneeskunde, bijvoorbeeld voor het transporteren en afleveren van geneesmiddelen tegen kanker, vaccins, eiwitten, enz.

De behandeling moet echter gebeuren met beschermende uitrusting, omdat ze bij inademing schade aan de longen kunnen veroorzaken.

Ontdekking van koolstofnanobuisjes

Er zijn verschillende meningen in de wetenschappelijke gemeenschap over wie koolstofnanobuisjes heeft ontdekt. Hoewel er veel research papers over deze materialen zijn, worden hieronder slechts een paar belangrijke data genoemd.

- In 1903 observeerde de Franse wetenschapper Pélabon koolstoffilamenten in een monster (elektronenmicroscopen waren op dat moment nog niet beschikbaar).

- In 1950 bestudeerde natuurkundige Roger Bacon van het bedrijf Union Carbide bepaalde stalen van koolstofvezels en observeerde hij beelden van rechte en uitgeholde nanodonsjes of nanobigots (nanowhiskers).

- In 1952 publiceerden de Russische wetenschappers Radushkevich en Lukyanovich foto's van afbeeldingen van koolstofnanobuisjes die door henzelf waren gesynthetiseerd en verkregen met een elektronenmicroscoop, waarbij duidelijk werd waargenomen dat ze hol zijn.

- In 1973 voltooiden de Russische wetenschappers Bochvar en Gal'pern een reeks berekeningen van de energieniveaus van moleculaire orbitalen, waaruit bleek dat grafietplaten op zichzelf kunnen draaien om "holle moleculen" te vormen.

- In 1976 observeerde Morinobu Endo koolstofvezels met een uitgehold midden geproduceerd door de pyrolyse van benzeen en ferroceen bij 1000 ° C (pyrolyse is een soort ontleding die optreedt bij verhitting tot zeer hoge temperaturen in afwezigheid van zuurstof).

- In 1991 ontstond het enthousiasme voor koolstofnanobuisjes nadat Sumio Iijima koolstofnaalden had gesynthetiseerd die waren gemaakt van holle buizen met behulp van de elektrische boogtechniek.

- In 1993 ontdekten Sumio Iijima en Donald Bethune (onafhankelijk van elkaar werkend) gelijktijdig enkelwandige koolstofnanobuisjes.

Interpretaties van enkele van de geraadpleegde bronnen

Volgens sommige informatiebronnen zou de eer voor de ontdekking van koolstofnanobuisjes misschien moeten gaan naar de Russische wetenschappers Radushkevich en Lukyanovich in 1952.

Men denkt dat ze niet de eer hebben gekregen omdat in die tijd de zogenaamde 'koude oorlog' bestond en westerse wetenschappers geen toegang hadden tot Russische artikelen. Bovendien konden niet veel mensen uit het Russisch vertalen, waardoor hun onderzoek niet in het buitenland werd geanalyseerd.

In veel artikelen wordt gezegd dat Iijima degene was die koolstofnanobuisjes ontdekte in 1991. Sommige onderzoekers schatten echter dat de impact van Iijima's werk te wijten is aan het feit dat de wetenschap al een voldoende mate van volwassenheid had bereikt om het belang van koolstofnanobuisjes in te zien. nanomaterialen.

Sommigen zeggen dat natuurkundigen in die decennia over het algemeen geen artikelen lazen in scheikundetijdschriften, waar al over koolstofnanobuisjes werd gediscussieerd, en dat ze daarom "verrast" waren door Iijima's artikel.

Maar dit alles doet niets af aan de hoge kwaliteit van Iijima's werk uit 1991. En het verschil van mening blijft bestaan.

Nomenclatuur

- Koolstof nanobuisjes, of CNT's (Carbon NanoTubes).

- Enkelwandige koolstofnanobuisjes, of SWCNT's (enkelwandige koolstofnanobuisjes).

- Meerwandige koolstofnanobuisjes, of MWCNT's (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Structuur

Fysische structuur

Koolstofnanobuisjes zijn zeer fijne en kleine buisjes of cilinders waarvan de structuur alleen met een elektronenmicroscoop kan worden gezien. Ze bestaan ​​uit een plaat grafiet (grafeen) die in een buis is gerold.

Een koolstof nanobuis is een opgerolde plaat van grafiet of grafeen: (a) theoretisch beeld van een plaat grafiet, (b) theoretisch beeld van een opgerolde plaat of nanobuis van koolstof. OpenStax. Bron: Wikimedia Commons.

Het zijn uitgeholde cilindrische moleculen die uitsluitend uit koolstofatomen bestaan. Koolstofatomen zijn gerangschikt in de vorm van kleine zeshoeken (6-zijdige polygonen) vergelijkbaar met benzeen en met elkaar verbonden (gecondenseerde benzeenringen).

Tekening van een koolstof nanobuis waar je de kleine zeshoeken van 6 koolstofatomen kunt zien. Gebruiker: Gmdm. Bron: Wikimedia Commons.

De buizen kunnen al dan niet zijn verstopt bij hun openingen en kunnen extreem lang zijn in vergelijking met hun diameters. Ze zijn gelijk aan vellen grafiet (grafeen) die in naadloze buizen zijn gerold.

Chemische structuur

CNT's zijn polyaromatische structuren. De bindingen tussen koolstofatomen zijn covalent (dat wil zeggen, ze zijn niet ionisch). Deze links bevinden zich in hetzelfde vlak en zijn erg sterk.

De sterkte van de C = C-bindingen maakt CNT's erg stijf en sterk. Met andere woorden: de wanden van deze buizen zijn erg sterk.

Verbindingen buiten het vlak zijn erg zwak, wat betekent dat er geen sterke verbindingen zijn tussen de ene buis en de andere. Het zijn echter aantrekkende krachten die de vorming van bundels of bundels nanobuisjes mogelijk maken.

Indeling volgens het aantal buizen

Koolstof nanobuisjes zijn onderverdeeld in twee groepen: enkelwandige nanobuisjes, of SWCNT (enkelwandige koolstof NanoTube), en meerwandige nanobuisjes, of MWCNT (meerwandige koolstof nanobuis).

Nanobuis types: (1) meerwandige nanobuis echt beeld, (2) enkelwandige nanobuis tekening, (3) grafiet of grafeen blad tekening. W2raphael. Bron: Wikimedia Commons.

Enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's) bestaan ​​uit een enkele plaat van grafeen die in een cilinder is gerold, waarbij de hoekpunten van de zeshoeken perfect in elkaar passen om een ​​naadloze buis te vormen.

Meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT's) zijn opgebouwd uit concentrische cilinders die rond een gemeenschappelijk hol centrum zijn geplaatst, dat wil zeggen twee of meer holle cilinders die in elkaar zijn geplaatst.

Meerwandige nanobuisjes zijn opgebouwd uit twee of meer cilinders in elkaar. Eric Wieser. Bron: Wikimedia Commons.

Echt beeld van een meerwandige koolstofnanobuis verkregen met een elektronenmicroscoop. Oxirane. Bron: Wikimedia Commons.

Indeling volgens de vorm van wikkeling

Afhankelijk van de manier waarop het grafeenvel is opgerold, kan het patroon dat wordt gevormd door de zeshoeken in de CNT's zijn: stoelvormig, zigzagvormig en spiraalvormig of chiraal. En dit beïnvloedt de eigenschappen ervan.

Echt beeld van chirale of spiraalvormige koolstofnanobuisjes. Taner Yildirim (The National Institute of Standards and Technology - NIST). Bron: Wikimedia Commons.

Fysieke eigenschappen

Koolstofnanobuisjes zijn solide. Ze komen samen om boeketten, bundels, bundels of "strings" van enkele tientallen nanobuisjes te vormen, die met elkaar verstrengeld zijn tot een zeer dicht en gecompliceerd netwerk.

Echt beeld van koolstofnanobuisjes verkregen met een elektronenmicroscoop. Het is te zien dat ze bundels vormen die met elkaar verstrengeld raken. Materialscientist bij Engelse Wikipedia. Bron: Wikimedia Commons.

Ze hebben een treksterkte groter dan die van staal. Dit betekent dat ze een hoge breukvastheid hebben bij belasting. In theorie kunnen ze honderden keren sterker zijn dan staal.

Ze zijn zeer elastisch, ze kunnen zonder beschadiging worden gebogen, gedraaid en gevouwen en keren dan terug naar hun oorspronkelijke vorm. Ze zijn erg licht.

Ze zijn goede geleiders van warmte en elektriciteit. Ze zouden een zeer veelzijdig elektronisch gedrag hebben of een hoge elektronische geleidbaarheid hebben.

CNT-buizen waarvan de zeshoeken in de vorm van een fauteuil zijn gerangschikt, hebben een metaalachtig gedrag of lijken op dat van metalen.

Die gerangschikt in een zigzag- en spiraalvormig patroon kunnen van metaal en halfgeleider zijn.

Chemische eigenschappen

Door de sterkte van de bindingen tussen hun koolstofatomen zijn CNT's bestand tegen zeer hoge temperaturen (750 ° C bij atmosferische druk en 2800 ° C onder vacuüm).

De uiteinden van de nanobuisjes zijn chemisch reactiever dan het cilindrische deel. Als ze aan oxidatie worden onderworpen, worden eerst de uiteinden geoxideerd. Als de buizen gesloten zijn, gaan de uiteinden open.

Bij behandeling met salpeterzuur HNO ₃ of zwavelzuur H ₂ SO ₄ kunnen CNT's onder bepaalde omstandigheden carboxylgroepen vormen -COOH of chinon-achtige groepen O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT's met kleinere diameters zijn reactiever. Koolstofnanobuisjes kunnen atomen of moleculen van andere soorten in hun interne kanalen bevatten.

Oplosbaarheid

Vanwege het feit dat CNT's geen functionele groep op hun oppervlak hebben, is het erg hydrofoob, dat wil zeggen, het is buitengewoon slecht compatibel met water en is er niet in oplosbaar of in niet-polaire organische oplosmiddelen.

Als ze echter reageren met sommige verbindingen, kunnen de CNT's oplosbaar worden. Met salpeterzuur kan HNO ₃ bijvoorbeeld onder bepaalde omstandigheden worden opgelost in sommige oplosmiddelen van het amidetype.

Biochemische eigenschappen

Nanobuisjes van zuivere koolstof zijn bio-onverenigbaar, wat betekent dat ze niet compatibel zijn met of gerelateerd zijn aan leven of levende weefsels. Ze genereren een immuunrespons van het lichaam, omdat ze als agressieve elementen worden beschouwd.

Om deze reden modificeren wetenschappers ze chemisch zodanig dat ze worden geaccepteerd door de weefsels van het lichaam en kunnen worden gebruikt voor medische toepassingen.

Ze kunnen een interactie aangaan met macromoleculen zoals eiwitten en DNA, het eiwit dat de genen van levende wezens vormt.

Het verkrijgen van

Koolstofnanobuisjes worden gemaakt van grafiet door verschillende technieken zoals laserpulsverdamping, elektrische boogontlading en chemische dampafzetting.

Ze zijn ook verkregen uit een hogedrukstroom koolmonoxide (CO) door katalytische groei in de gasfase.

De aanwezigheid van metallische katalysatoren in sommige productiemethoden helpt de uitlijning van de meerwandige nanobuisjes.

Een koolstofnanobuisje is echter geen molecuul dat altijd hetzelfde blijkt te zijn. Afhankelijk van de bereidingswijze en de omstandigheden worden ze verkregen met verschillende lengte, diameter, structuur, gewicht en als resultaat vertonen ze verschillende eigenschappen.

Toepassingen van koolstofnanobuisjes

De eigenschappen van CNT's maken ze geschikt voor een breed scala aan toepassingen.

Ze zijn gebruikt in constructiematerialen voor elektronica, optica, kunststoffen en andere producten op het gebied van nanotechnologie, lucht- en ruimtevaart en automobielproductie.

Koolstofnanobuisjes hebben veel verschillende toepassingen. Dit is een echt beeld van koolstofnanobuisjes verkregen met een elektronenmicroscoop. Ilmar Kink. Bron: Wikimedia Commons.

Samenstellingen of mengsels van materialen met CNT's

CNT's zijn gecombineerd met polymeren om hoogwaardige versterkte polymeervezels en weefsels te maken. Ze zijn bijvoorbeeld gebruikt om polyacrylonitrilvezels te versterken voor verdedigingsdoeleinden.

Mengsels van CNT's met polymeren kunnen ook worden ontworpen om verschillende elektrisch geleidende eigenschappen te bezitten. Ze verbeteren niet alleen de sterkte en stijfheid van het polymeer, maar voegen ook eigenschappen van elektrische geleidbaarheid toe.

CNT-vezels en -weefsels worden ook vervaardigd met sterktes die vergelijkbaar zijn met die van aluminium en koolstofstaal, maar die veel lichter zijn dan deze. Kogelvrije vesten zijn ontworpen met dergelijke vezels.

Ze zijn ook gebruikt om meer resistente keramiek te verkrijgen.

Elektronische apparaten

Koolstofnanobuisjes hebben een groot potentieel in vacuümelektronica, nanodevices en energieopslag.

CNT's kunnen functioneren als diodes, transistors en relais (elektromagnetische apparaten waarmee elektrische circuits kunnen worden geopend en gesloten).

Ze kunnen ook elektronen uitzenden als ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld of als er spanning op staat.

Gassensoren

Door het gebruik van CNT's in gassensoren zijn deze klein, compact en licht en kunnen ze gecombineerd worden met elektronische toepassingen.

De elektronische configuratie van CNT's maakt de sensoren erg gevoelig voor extreem kleine hoeveelheden gassen en bovendien kunnen CNT's chemisch worden aangepast om specifieke gassen te detecteren.

Medische toepassingen

Vanwege hun grote oppervlak, uitstekende chemische stabiliteit en elektronenrijke polyaromatische structuur kunnen CNT's adsorberen of conjugeren met een breed scala aan therapeutische moleculen, zoals geneesmiddelen, eiwitten, antilichamen, enzymen, vaccins, enz.

Het is bewezen dat ze uitstekende voertuigen zijn voor het transport en de afgifte van medicijnen, die rechtstreeks in de cellen doordringen en het medicijn intact houden tijdens het transport door het lichaam.

Dit laatste maakt het mogelijk om de dosis van het geneesmiddel en de toxiciteit ervan, vooral antikankermedicijnen, te verlagen.

CNT's zijn nuttig gebleken bij therapieën tegen kanker, infecties, weefselregeneratie, neurodegeneratieve ziekten en als antioxidanten.

Ze worden ook gebruikt bij de diagnose van ziekten, bij bepaalde analyses, zoals biosensoren, scheiding van geneesmiddelen en extractie van biochemische verbindingen.

Ze worden ook gebruikt in orthopedische prothesen en als ondersteuningsmateriaal voor de groei van botweefsel.

Andere apps

Ze zijn ook voorgesteld als materialen voor batterij- en brandstofcelmembranen, anodes voor lithium-ionbatterijen, supercondensatoren en chemische filters.

Door hun hoge elektrische geleidbaarheid en relatieve chemische inertie zijn ze bruikbaar als elektroden bij elektrochemische reacties.

Ze kunnen ook hechten aan reactantdeeltjes en, vanwege hun grote oppervlak, kunnen ze functioneren als katalysatordragers.

Ze hebben ook de capaciteit om waterstof op te slaan, wat erg handig is in voertuigen die op dat gas rijden, omdat het met CNT's veilig kan worden vervoerd.

Toxiciteit van koolstof nanobuisjes

Studies hebben problemen aan het licht gebracht bij het evalueren van de toxiciteit van CNT's. Dit lijkt af te hangen van kenmerken zoals lengte, stijfheid, concentratie en duur van blootstelling aan CNT's. Het hangt ook af van de productiemethode en de zuiverheid van de CNT's.

Het wordt echter aanbevolen om beschermende uitrusting te gebruiken bij het hanteren van CNT's, aangezien er onderzoeken zijn die hun gelijkenis met asbestvezels aantonen en dat inademing van CNT-stof schade aan de longen kan veroorzaken.

Technicus die monsters van koolstofnanobuisjes weegt. U kunt de beschermende werktuigen zien die het gebruikt. US National Institute for Occupational Safety and Health. Bron: Wikimedia Commons.

Echt beeld van hoe een koolstofnanobuisje door een cel in een long gaat. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova en Dale W. Porter / NIOSH. Bron: Wikimedia Commons.

Referenties

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Chemie van koolstofnanobuisjes voor iedereen. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Opgehaald van pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. en Kuznetsov, VL (redactie). (2006). Wie zou de eer moeten krijgen voor de ontdekking van koolstofnanobuisjes? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Opgehaald van sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Koolstofnanobuisjes: eigenschappen, synthese, zuivering en medische toepassingen. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Koolstofnanobuisjes van synthese tot in vivo biomedische toepassingen. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanobuisjes van koolstof. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Opgehaald van pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Chemie van enkelwandige koolstofnanobuisjes. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Opgehaald van pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Synthese van koolstofnanobuisjes. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Koolstof nanobuisjes - worden schoon. Materialstoday Volume 10, Issues 1-2, pagina's 28-35. Opgehaald van reader.elsevier.com.
9. Hij, H. et al. (2013). Koolstof nanobuisjes: toepassingen in de farmacie en geneeskunde. Biomed Res Int.2013; 2013: 578290. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP en Devasena, T. (2018). Toxiciteit van koolstofnanobuisjes: een overzicht. Toxicology and Industrial Health (2018) 34, 3. Hersteld van journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometrie van koolstofnanobuisjes en mechanismen van fagocytose en toxische effecten. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.