Struttura dei nanotubi di carbonio, proprietà, applicazioni, tossicità

IL Nanotubi di carbonio Sono cilindri o cilindri molto piccoli e molto sottili formati solo da atomi di carbonio (C). La sua struttura tubulare è visibile solo attraverso i microscopi elettronici. È un materiale nero solido, formato da fasci o molto piccoli di diverse decine di nanotubi, aggrovigliato insieme formando una rete complicata.

Il prefisso "nano" significa "molto piccolo". La parola "nano" usata nella misurazione significa che è la parte di una misura. Ad esempio, un nanometro (nm) è la parte di un metro di un metro, cioè 1 nm = 10^-9 M.

Campione di nanotubi di carbonio. Si può vedere che è un solido nero che asciuga nero. Shaddack [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Ogni minuscolo nanotubo di carbonio è composto da uno o più fogli di grafite arrotolati su se stessi. Sono classificati in semplici nanotubi da parete (una singola lamina laminata) e nanotubi a parete multipli (due o più cilindri uno all'interno dell'altro).

I nanotubi di carbonio sono molto forti, hanno un'alta resistenza per rompere e sono molto flessibili. Conducono molto bene calore e elettricità. Fanno anche un materiale molto leggero.

Queste proprietà li rendono utili in diversi campi di applicazione, come l'industria automobilistica, aerospaziale, elettronica, tra le altre. Sono stati anche usati in medicina, ad esempio per trasportare e rilasciare farmaci contro cancro, vaccini, proteine, ecc.

Tuttavia, la sua manipolazione deve essere eseguita con apparecchiature di protezione perché sono inalate può causare danni ai polmoni.

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Scoperta di nanotubi di carbonio

Esistono diverse opinioni nella comunità scientifica su chi ha scoperto i nanotubi di carbonio. Sebbene ci siano molti lavori di ricerca su questi materiali, sono menzionate solo alcune date importanti.

- Nel 1903, lo scienziato francese Pélado osservò i filamenti di carbonio in un campione (per questa data i microscopi elettronici non erano ancora disponibili).

- Nel 1950, il fisico Roger Bacon, della Union Carbide Company, stava studiando alcuni campioni di fibre di carbonio e immagini osservate di nanopeli o nanobigoti (traduzione dell'inglese Nanowhiskers) Dritto e agganciato.

- Nel 1952, gli scienziati russi Radushkevich e Lukyanovich pubblicarono foto di nanotubi di carbonio sintetizzati da se stessi e ottenuti con un microscopio elettronico, dove si osserva chiaramente che sono cavi.

- Nel 1973, gli scienziati russi Bochvar e Gal'pern completarono una serie di calcoli dei livelli di energia degli orbitali molecolari che dimostrano che i fogli di grafite possono arricciarsi su se stessi formando "molecole cave".

- Nel 1976, Morinobu Endo osservò le fibre di carbonio con un centro ahuecado prodotto dalla pirolisi di benzene e ferrocene a 1000 ° C (la pirolisi è un tipo di decomposizione che si verifica con il riscaldamento a temperature molto elevate in assenza di ossigeno).

- Nel 1991 l'entusiasmo fu scatenato verso i nanotubi di carbonio dopo che Sumio IIJIMA sintetizzava aghi di carbonio realizzati con tubi cavi attraverso la tecnica dell'arco elettrico.

- Nel 1993, Sumio IIjima e Donald Bethune (lavorando indipendentemente l'uno dall'altro) hanno scoperto contemporaneamente i semplici nanotubi di carbonio.

Interpretazioni di alcune delle fonti consultate

Secondo alcune fonti di informazione, il merito della scoperta dei nanotubi di carbonio agli scienziati russi Radushkevich e Lukyanovich nel 1952 nel 1952.

Si pensa che non gli fosse stato dato il meritato credito perché a quel tempo c'era la così chiamata "guerra fredda" e gli scienziati occidentali non avevano accesso agli articoli russi. Inoltre, non molti sapevano come tradurre dal russo, il che ha inoltre ritardato che la loro ricerca potesse essere analizzata all'estero.

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In molti articoli si dice che Iijima è stato colui che ha scoperto i nanotubi di carbonio nel 1991. Tuttavia, alcuni ricercatori stimano che l'impatto del lavoro di Iijima sia dovuto al fatto che la scienza aveva già raggiunto un grado di maturità sufficiente per apprezzare l'importanza dei nanomateriali.

Ci sono quelli che affermano che in quei decenni i fisici generalmente non hanno letto le riviste di chimica, in cui i nanotubi di carbonio erano già stati discussi e che per questo motivo sono stati "sorpresi" con l'articolo di Iijima.

Ma tutto ciò non riduce l'alta qualità del lavoro di Iijima nel 1991. E la differenza di opinione viene mantenuta.

Nomenclatura

- Nanotubi di carbonio, o CNT (acronimo di inglese Nanotubi di carbonio).

- Semplici nanotubi di carbonio a parete o SWCNS (acronimo inglese Nanotubi di carbonio a parete singola).

- Nanotubi di carbonio a parete multiple o MWCNS (acronimo inglese Nanotubi di carbonio a più pareti).

Struttura

Struttura fisica

I nanotubi di carbonio sono tubi o cilindri molto sottili e piccoli la cui struttura può essere vista solo con un microscopio elettronico. Sono costituiti da un foglio di grafite (grafene) arrotolato in tubo.

Un nanotubo di carbonio è una lastra di grafite o grafite laminato: (a) foglio di grafite teorico, (b) immagine teorica della lamina lamina laminata o nanotubo di carbonio. Opentax [CC di (https: // creativeCommons.Org/licenze/by/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Sono molecole cilindriche ahuecate composte solo da atomi di carbonio. Gli atomi di carbonio sono disposti sotto forma di piccoli esagoni (poligoni a 6 laterali) simili al benzene e uniti l'uno con l'altro (anelli Bentenico condensati).

Disegno di un nanotubo di carbonio in cui si possono osservare piccoli esagoni di 6 atomi di carbonio. Utente: GMDM [CC BY-S (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]. Fonte: Wikimedia Commons.

I tubi possono o meno essere coperti dalle loro aperture e possono essere estremamente lunghi rispetto ai loro diametri. Sono equivalenti ai fogli di grafite (grafene) arrotolati in tubi senza soluzione di continuità.

Struttura chimica

I CNT sono strutture polilaromatiche. I collegamenti tra atomi di carbonio sono covalenti (cioè non sono ionici). Questi collegamenti sono all'interno dello stesso piano e sono molto forti.

La forza dei collegamenti C = C rende i CNT molto rigidi e resistenti. In altre parole, le pareti di questi tubi sono molto forti.

I sindacati al di fuori del piano sono molto deboli, il che significa che non ci sono sindacati forti tra un tubo e un altro. Tuttavia, sono forze di attrazione che consentono la formazione di mazzi o nanotubi.

Classificazione in base al numero di tubi

I nanotubi di carbonio sono divisi in due gruppi: semplici nanotubi da parete o SWCNT (acronimo di inglese Nanotubo di carbonio a parete singola) E nanotubi a parete multipli, o MWCNT (acronimo di inglese Nanotubo di carbonio a muro).

Tipi di nanotubi: (1) Immagine reale di nanotubo a parete multipla, (2) Disegno a nanotubo da parete semplice, (3) disegno di grafite o foglio di grafene. W2Raphael [CC BY-SA (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]. Fonte: Wikimedia Commons.

I nanotubi di carbonio a parete semplici (SWCNT) sono costituiti da un singolo foglio di grafene arrotolato che forma un cilindro, in cui i vertici di esagoni si adattano perfettamente a formare un tubo senza cucitura.

Nanotubi di carbonio a parete multipli (MWCNT) sono formati da cilindri concentrici posizionati attorno a un centro cavo comune, cioè due o più cilindri cavi collocati l'uno dall'altro.

Nanotubi a parete multipli sono formati da due o più cilindri uno all'interno dell'altro. Eric Wieer [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.Immagine reale di un nanotubo di carbonio a parete multipla ottenuta con un microscopio elettronico. Oxirane [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Classificazione in base alla forma di rotolamento

A seconda del modo in cui il foglio di grafene è iscritto, il design che gli esagoni si formano nei CNT possono essere: nella forma di una poltrona, sotto forma di zigzag e in forma elicoidale o chirale. E questo influenza le sue proprietà.

Può servirti: regole di hume-rotheryImmagine reale di nanotubo di carbonio olicoidale o chiral. Terer Yildirim (il National Institute of Standards and Technology - NIST) [dominio pubblico]. Fonte: Wikimedia Commons.

Proprietà fisiche

I nanotubi di carbonio sono solidi. Si uniscono per formare bouquet, travi, mazzi o "corde" di diverse decine di nanotubi, si sono ostacolati formando una rete molto densa e complicata.

Immagine reale dei nanotubi di carbonio ottenuti con un microscopio elettronico. Si può vedere che formano mazzi che si impigliano l'uno con l'altro. MaterialScienst at English Wikipedia [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Hanno una forza di tensione maggiore di quella dell'acciaio. Ciò significa che hanno un'alta resistenza per rompere quando subiscono una tensione. In teoria possono essere cento volte più forti dell'acciaio.

Sono molto elastici, possono piegarsi, ruotare e piegare senza danneggiare e quindi tornare alla loro forma iniziale. Sono molto leggeri.

Sono buoni conducenti di calore ed elettricità. Si dice che abbiano un comportamento elettronico molto versatile o che abbiano un'alta conducibilità elettronica.

Tubi CNT i cui esagoni sono disposti sotto forma di poltrona hanno un comportamento metallico simile a quello dei metalli.

Quelli disposti in zigzag ed elicoidale possono essere metallici e semiconduttori.

Proprietà chimiche

A causa della forza dei legami tra i loro atomi di carbonio, i CNT possono resistere a temperature molto elevate (750 ° C a pressione atmosferica e 2800 ° C al vuoto).

I termini dei nanotubi sono chimicamente più reattivi della parte cilindrica. Se subiscono l'ossidazione, le estremità sono ossidate per prime. Se i tubi sono chiusi le estremità.

Se trattati con acido nitrico HNO₃ O H Acido solforico₂SW₄ In determinate condizioni i CNT possono formare gruppi carbossilici o chinone o = c -c₄H₄-C = O.

I CNT con diametri minori sono più reattivi. I nanotubi di carbonio possono contenere atomi o molecole di altre specie nei loro canali interni.

Solubilità

A causa del fatto che i CNT non hanno alcun gruppo funzionale sulla loro superficie, questo è molto idrofobo, cioè è estremamente poco compatibile con l'acqua e non è solubile in questo o in solventi organici non polari.

Tuttavia, se vengono reagiti con alcuni composti, i CNT possono essere solubili. Ad esempio con acido nitrico HNO₃ Possono essere solubilizzati in alcuni solventi Amida a determinate condizioni.

Proprietà biochimiche

I nanotubi di carbonio puri sono bioyouch, il che significa che non sono compatibili o correlati alla vita o ai tessuti viventi. Generano una risposta immunitaria dall'organismo, poiché sono considerati elementi aggressivi.

Per questo motivo, gli scienziati li modificano chimicamente in modo che siano accettati dai tessuti del corpo e possano essere utilizzati nelle applicazioni mediche.

Possono interagire con macromolecole come proteine ​​e DNA, che è la proteina che forma i geni degli esseri viventi.

Ottenimento

I nanotubi di carbonio sono ottenuti in base alla grafite attraverso varie tecniche come la vaporizzazione mediante impulsi laser, scarico dell'arco elettrico e deposizione di vapore chimico.

Sono stati anche ottenuti da un'alta corrente di monossido di carbonio (CO) dalla crescita catalitica in una fase gassosa.

La presenza di catalizzatori metallici in alcuni metodi per ottenere aiuta l'allineamento di nanotubi a parete multipli.

Tuttavia, un nanotubo di carbonio non è una molecola che è sempre la stessa. Secondo il metodo di preparazione e le condizioni sono ottenuti con lunghezza, diametro, struttura, peso e di conseguenza diversi presentano proprietà diverse.

Può servirti: microscopio semplice

Applicazioni di nanotubi di carbonio

Le proprietà dei CNT li rendono adatti a un'ampia varietà di usi.

Sono stati utilizzati in materiali strutturali per elettronica, ottica, materie plastiche e altri prodotti nel campo della nanotecnologia, dell'industria aerospaziale e della produzione automobilistica.

I nanotubi di carbonio hanno usi molto diversi. Questa è una vera immagine dei nanotubi di carbonio ottenuti con un microscopio elettronico. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Composizioni o miscele di materiali con CNT

I CNT si sono combinati con i polimeri per realizzare fibre e stoffa di polimeri rinforzati per alte prestazioni. Ad esempio sono stati usati per rafforzare le fibre di poliacrilonitrile per scopi di difesa.

Le miscele CNT con polimeri possono anche essere progettate per avere proprietà di guida elettrica diverse. Migliorano non solo la resistenza e la rigidità del polimero, ma aggiungono anche proprietà della conducibilità elettrica.

Fibre e tessuti dei CNT sono anche fabbricati con resistenze simili a quelle dell'alluminio e dell'acciaio al carbonio, ma che sono molto più leggeri di questi. Con tali fibre, l'armatura corporea è stata progettata.

Sono stati anche usati per ottenere ceramiche più resistenti.

Dispositivi elettronici

I nanotubi di carbonio hanno un grande potenziale nell'elettronica a vuoto, nanodispositivi e accumulo di energia.

I CNT possono funzionare come diodi, transistor e relè (dispositivi elettromagnetici che consentono di aprire e chiudere i circuiti elettrici).

Possono anche emettere elettroni se sottoposti a un campo elettrico o se viene applicata una tensione.

Sensori a gas

L'uso di CNT nei sensori di gas consente loro di essere piccoli, compatti e luce e che può essere combinato con applicazioni elettroniche.

La configurazione elettronica dei CNT rende i sensori molto sensibili a quantità estremamente piccole di gas e, inoltre, i CNT possono essere adattati chimicamente per rilevare gas specifici.

Applicazioni mediche

Grazie alla sua alta superficie, eccellente stabilità chimica e struttura polilaromatica ricche di elettroni CNT possono assorbire o combinarsi con un'ampia varietà di molecole terapeutiche, come farmaci, proteine, anticorpi, enzimi, vaccini, ecc.

Hanno dimostrato di essere veicoli eccellenti per il trasporto e il rilascio di farmaci, penetrando direttamente sulle cellule e mantenendo intatti i farmaci durante il loro trasporto dal corpo.

Quest'ultimo consente di ridurre la dose di medicina e la sua tossicità, in particolare i farmaci anticancellari.

I CNT sono stati utili nelle terapie del cancro, nelle infezioni, nella rigenerazione dei tessuti, nelle malattie neurodegenerative e come antiossidanti.

Sono anche usati nella diagnosi della malattia, in alcune analisi, come biosensori, separazione dei farmaci e estrazione di composti biochimici.

Vengono anche utilizzati nelle protesi ortopediche e come materiale di supporto per la crescita dei tessuti ossei.

Altre app

Il suo utilizzo è stato anche suggerito come materiali per batterie e membrane a celle a combustibile, batterie al litio, supercandi e filtri chimici.

La loro alta conducibilità elettrica e relativa li rende utili come elettrodi nelle reazioni elettrochimiche.

Possono anche aderire alle particelle reagenti e per la loro grande area superficiale possono funzionare come supporti catalizzatori.

Hanno anche la capacità di conservare l'idrogeno, che trova una grande utilità nei veicoli che funzionano con questo gas, perché con i CNT potrebbe essere trasportato in sicurezza.

Tossicità dei nanotubi di carbonio

Gli studi hanno rivelato difficoltà a valutare la tossicità dei CNT. Questo sembra dipendere da caratteristiche come lunghezza, rigidità, concentrazione e durata dell'esposizione ai CNT. Dipende anche dal metodo di produzione e purezza dei CNT.

Tuttavia, si raccomanda di utilizzare le apparecchiature di protezione durante la manipolazione della CNT perché ci sono studi che indicano la loro somiglianza con le fibre di amianto e che l'inalazione di polvere del SNC può causare danni ai polmoni.

Tecnico che pesa campioni di nanotubi di carbonio. È possibile osservare gli implementazioni di protezione che usi. O.S. National Institute for Occupational Safety and Health [dominio pubblico]. Fonte: Wikimedia Commons.Immagine reale di come un nanotubo di carbonio attraversa una cellula di un polmone. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liing Wang, Lori a. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova e Dale W. Porter / Niosh [dominio pubblico]. Fonte: Wikimedia Commons.

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