Das Kohlenstoff-Nanoröhren Es sind sehr kleine und sehr dünne Röhren oder Zylinder, die nur aus Kohlenstoffatomen (C) bestehen. Seine röhrenförmige Struktur ist nur durch Elektronenmikroskope sichtbar. Es ist ein festes schwarzes Material, das aus sehr kleinen Bündeln oder Bündeln von mehreren Dutzend Nanoröhren besteht, die miteinander verwickelt sind und ein kompliziertes Netzwerk bilden..
Das Präfix "Nano" bedeutet "sehr klein". Das Wort "Nano", das bei der Messung verwendet wird, bedeutet, dass es ein Milliardstel einer Messung ist. Beispielsweise ist ein Nanometer (nm) ein Milliardstel Meter, dh 1 nm = 10-9 m.
Jede winzige Kohlenstoffnanoröhre besteht aus einer oder mehreren Graphitplatten, die um sich selbst gewickelt sind. Sie werden in einwandige Nanoröhren (eine einzelne gewalzte Folie) und mehrwandige Nanoröhren (zwei oder mehr Zylinder ineinander) unterteilt..
Kohlenstoffnanoröhren sind sehr stark, haben eine hohe Bruchfestigkeit und sind sehr flexibel. Sie leiten Wärme und Strom sehr gut. Sie bilden auch ein sehr leichtes Material.
Diese Eigenschaften machen sie in verschiedenen Anwendungsbereichen nützlich, beispielsweise in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Elektronikindustrie. Sie wurden auch in der Medizin eingesetzt, um beispielsweise Krebsmedikamente, Impfstoffe, Proteine usw. zu transportieren und abzugeben..
Die Handhabung muss jedoch mit Schutzausrüstung erfolgen, da diese beim Einatmen die Lunge schädigen kann..
Artikelverzeichnis
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, wer Kohlenstoffnanoröhren entdeckt hat. Obwohl es viele Forschungsarbeiten zu diesen Materialien gibt, werden im Folgenden nur einige wichtige Daten erwähnt..
- 1903 beobachtete der französische Wissenschaftler Pélabon Kohlenstoffilamente in einer Probe (Elektronenmikroskope waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht verfügbar)..
- 1950 untersuchte der Physiker Roger Bacon von der Firma Union Carbide bestimmte Proben von Kohlenstofffasern und beobachtete Bilder von Nanoflusen oder Nanobigots. Nanowhisker) gerade und hohl.
- 1952 veröffentlichten die russischen Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich Fotos von Bildern von Kohlenstoffnanoröhren, die von ihnen selbst synthetisiert und mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen wurden, wobei deutlich zu erkennen ist, dass sie hohl sind.
- 1973 führten die russischen Wissenschaftler Bochvar und Gal'pern eine Reihe von Berechnungen der Energieniveaus von Molekülorbitalen durch, aus denen hervorgeht, dass sich Graphitplatten in "hohle Moleküle" verwandeln können..
- 1976 beobachtete Morinobu Endo Kohlenstofffasern mit einem hohlen Zentrum, das durch Pyrolyse von Benzol und Ferrocen bei 1000 ° C erzeugt wurde (Pyrolyse ist eine Art der Zersetzung, die beim Erhitzen auf sehr hohe Temperaturen in Abwesenheit von Sauerstoff auftritt)..
- 1991 wurde die Begeisterung für Kohlenstoffnanoröhren geweckt, nachdem Sumio Iijima Kohlenstoffnadeln aus Hohlrohren unter Verwendung der Lichtbogentechnik synthetisiert hatte..
- 1993 entdeckten Sumio Iijima und Donald Bethune (unabhängig voneinander) gleichzeitig einwandige Kohlenstoffnanoröhren..
Nach einigen Informationsquellen sollten die russischen Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich 1952 die Anerkennung für die Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren erhalten.
Es wird vermutet, dass ihnen nicht die verdiente Anerkennung zuteil wurde, da zu dieser Zeit der sogenannte „Kalte Krieg“ existierte und westliche Wissenschaftler keinen Zugang zu russischen Artikeln hatten. Darüber hinaus wussten nicht viele, wie man aus dem Russischen übersetzt, was noch mehr verzögerte, dass ihre Forschung im Ausland analysiert werden konnte..
In vielen Artikeln heißt es, Iijima habe 1991 Kohlenstoffnanoröhren entdeckt. Einige Forscher schätzen jedoch, dass die Auswirkungen von Iijimas Arbeit darauf zurückzuführen sind, dass die Wissenschaft bereits einen ausreichenden Reifegrad erreicht hat, um die Bedeutung von Kohlenstoff zu erkennen Nanoröhren. Nanomaterialien.
Es gibt Leute, die behaupten, dass Physiker in jenen Jahrzehnten im Allgemeinen keine Artikel in Chemiemagazinen gelesen haben, in denen bereits über Kohlenstoffnanoröhren diskutiert wurde, und dass sie aus diesem Grund mit Iijimas Artikel "überrascht" waren.
All dies beeinträchtigt jedoch nicht die hohe Qualität von Iijimas Arbeit von 1991. Und die Meinungsverschiedenheit bleibt bestehen.
- Kohlenstoffnanoröhren oder CNTs. Kohlenstoff-Nanoröhren).
- Einwandige Kohlenstoffnanoröhren oder SWCNTs. Einwandige Carbon NanoTubes).
- Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren oder MWCNTs. Mehrwandige Carbon NanoTubes).
Kohlenstoffnanoröhren sind sehr feine und kleine Röhren oder Zylinder, deren Struktur nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar ist. Sie bestehen aus einer Graphitplatte (Graphen), die zu einem Rohr gerollt ist.
Sie sind ausgehöhlte zylindrische Moleküle, die ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehen. Kohlenstoffatome sind in Form kleiner Sechsecke (6-seitige Polygone) ähnlich wie Benzol angeordnet und miteinander verbunden (kondensierte Benzolringe)..
Die Rohre können an ihren Öffnungen verstopft sein oder nicht und können im Vergleich zu ihren Durchmessern extrem lang sein. Sie entsprechen Graphitplatten (Graphen), die zu nahtlosen Rohren gerollt sind.
CNTs sind polyaromatische Strukturen. Die Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen sind kovalent (dh sie sind nicht ionisch). Diese Verbindungen befinden sich in derselben Ebene und sind sehr stark.
Die Stärke der C = C-Bindungen macht CNTs sehr starr und stark. Mit anderen Worten, die Wände dieser Rohre sind sehr stark..
Verbindungen außerhalb der Ebene sind sehr schwach, was bedeutet, dass zwischen einem Rohr und einem anderen keine starken Verbindungen bestehen. Sie sind jedoch Anziehungskräfte, die die Bildung von Bündeln oder Bündeln von Nanoröhren ermöglichen..
Kohlenstoffnanoröhren werden in zwei Gruppen unterteilt: einwandige Nanoröhren oder SWCNTs. Einwandiges Carbon NanoTube) und mehrwandige Nanoröhren oder MWCNTs. Mehrwandiges Carbon NanoTube).
Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) bestehen aus einer einzelnen Graphenschicht, die in einen Zylinder gerollt ist, wobei die Eckpunkte der Sechsecke perfekt zu einer nahtlosen Röhre passen.
Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) bestehen aus konzentrischen Zylindern, die um ein gemeinsames Hohlzentrum angeordnet sind, dh zwei oder mehr Hohlzylinder, die ineinander angeordnet sind..
Abhängig von der Art und Weise, wie die Graphenschicht gerollt wird, kann das von den Sechsecken in den CNTs gebildete Muster wie folgt aussehen: stuhlförmig, zickzackförmig und helixförmig oder chiral. Und das beeinflusst seine Eigenschaften.
Kohlenstoffnanoröhren sind fest. Sie kommen zusammen, um Blumensträuße, Bündel, Bündel oder "Schnüre" aus mehreren Dutzend Nanoröhren zu bilden, die miteinander verwickelt sind und ein sehr dichtes und kompliziertes Netzwerk bilden.
Sie haben eine höhere Zugfestigkeit als Stahl. Dies bedeutet, dass sie unter Belastung eine hohe Bruchfestigkeit aufweisen. Theoretisch können sie hunderte Male stärker sein als Stahl.
Sie sind sehr elastisch, können ohne Beschädigung gebogen, gedreht und gefaltet und dann wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden. Sie sind sehr leicht.
Sie sind gute Wärme- und Stromleiter. Sie sollen ein sehr vielseitiges elektronisches Verhalten oder eine hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen.
Die Röhren von CNTs, deren Sechsecke in Form eines Sessels angeordnet sind, haben ein metallisches Verhalten oder ähneln dem von Metallen.
Diejenigen, die in einer Zickzack- und Helixform angeordnet sind, können Metall und Halbleiter sein.
Aufgrund der Stärke der Bindungen zwischen ihren Kohlenstoffatomen können CNTs sehr hohen Temperaturen standhalten (750 ° C bei atmosphärischem Druck und 2800 ° C unter Vakuum)..
Die Enden der Nanoröhren sind chemisch reaktiver als der zylindrische Teil. Wenn sie einer Oxidation unterzogen werden, werden die Enden zuerst oxidiert. Wenn die Rohre geschlossen sind, öffnen sich die Enden.
Bei Behandlung mit Salpetersäure HNO3 oder Schwefelsäure H.zweiSW4 Unter bestimmten Bedingungen können CNTs Gruppen vom Carbonsäuretyp -COOH oder Gruppen vom Chinontyp O = C-C bilden4H.4-C = O..
CNTs mit kleineren Durchmessern sind reaktiver. Kohlenstoffnanoröhren können Atome oder Moleküle anderer Spezies in ihren inneren Kanälen enthalten.
Aufgrund der Tatsache, dass CNTs keine funktionelle Gruppe auf ihrer Oberfläche haben, ist es sehr hydrophob, dh es ist äußerst schlecht mit Wasser verträglich und darin oder in unpolaren organischen Lösungsmitteln nicht löslich..
Wenn sie jedoch mit einigen Verbindungen umgesetzt werden, können CNTs löslich werden. Zum Beispiel mit Salpetersäure HNO3 kann unter bestimmten Bedingungen in einigen Lösungsmitteln vom Amidtyp gelöst werden.
Reine Kohlenstoffnanoröhren sind biokompatibel, was bedeutet, dass sie nicht kompatibel sind oder mit Leben oder lebenden Geweben zusammenhängen. Sie erzeugen eine Immunantwort vom Körper, da sie als aggressive Elemente gelten.
Aus diesem Grund modifizieren Wissenschaftler sie chemisch so, dass sie vom Körpergewebe akzeptiert werden und in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden können..
Sie können mit Makromolekülen wie Proteinen und DNA interagieren, dem Protein, aus dem die Gene von Lebewesen bestehen.
Kohlenstoffnanoröhren werden aus Graphit durch verschiedene Techniken wie Verdampfung unter Verwendung von Laserpulsen, Lichtbogenentladungen und chemischer Gasphasenabscheidung erhalten..
Sie wurden auch aus einem Hochdruckstrom von Kohlenmonoxid (CO) durch katalytisches Wachstum in der Gasphase erhalten..
Das Vorhandensein metallischer Katalysatoren in einigen Herstellungsverfahren hilft bei der Ausrichtung mehrwandiger Nanoröhren.
Eine Kohlenstoffnanoröhre ist jedoch kein Molekül, das immer gleich ausfällt. Abhängig von der Herstellungsmethode und den Bedingungen werden sie mit unterschiedlicher Länge, unterschiedlichem Durchmesser, unterschiedlicher Struktur und unterschiedlichem Gewicht erhalten und weisen daher unterschiedliche Eigenschaften auf..
Die Eigenschaften von CNTs machen sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.
Sie wurden in Strukturmaterialien für Elektronik, Optik, Kunststoffe und andere Produkte in den Bereichen Nanotechnologie, Luft- und Raumfahrt sowie Automobilproduktion eingesetzt..
CNTs wurden mit Polymeren kombiniert, um hochleistungsfähige verstärkte Polymergewebe und -fasern herzustellen. Beispielsweise wurden sie verwendet, um Polyacrylnitrilfasern zu Verteidigungszwecken zu verstärken..
Mischungen von CNTs mit Polymeren können auch so konstruiert werden, dass sie unterschiedliche elektrisch leitende Eigenschaften besitzen. Sie verbessern nicht nur die Festigkeit und Steifheit des Polymers, sondern fügen auch elektrische Leitfähigkeitseigenschaften hinzu.
Fasern und Gewebe werden ebenfalls aus CNTs mit ähnlichen Festigkeiten wie Aluminium und Kohlenstoffstahl hergestellt, die jedoch viel leichter sind als diese. Körperschutz wurde mit solchen Fasern entworfen.
Sie wurden auch verwendet, um widerstandsfähigere Keramiken zu erhalten.
Kohlenstoffnanoröhren haben ein großes Potenzial in der Vakuumelektronik, in Nanogeräten und in der Energiespeicherung.
CNTs können als Dioden, Transistoren und Relais fungieren (elektromagnetische Geräte, die das Öffnen und Schließen von Stromkreisen ermöglichen)..
Sie können auch Elektronen emittieren, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind oder wenn eine Spannung angelegt wird..
Die Verwendung von CNTs in Gassensoren ermöglicht es, dass diese klein, kompakt und leicht sind und mit elektronischen Anwendungen kombiniert werden können.
Die elektronische Konfiguration von CNTs macht die Sensoren sehr empfindlich gegenüber extrem kleinen Mengen an Gasen. Darüber hinaus können CNTs chemisch angepasst werden, um bestimmte Gase zu erfassen..
Aufgrund ihrer großen Oberfläche, ausgezeichneten chemischen Stabilität und elektronenreichen polyaromatischen Struktur können CNTs mit einer Vielzahl von therapeutischen Molekülen wie Arzneimitteln, Proteinen, Antikörpern, Enzymen, Impfstoffen usw. adsorbieren oder konjugieren..
Sie haben sich als hervorragende Vehikel für den Transport und die Abgabe von Arzneimitteln erwiesen, die direkt in Zellen eindringen und das Arzneimittel während seines Transports durch den Körper intakt halten..
Letzteres ermöglicht es, die Dosis des Arzneimittels und seine Toxizität, insbesondere Krebsmedikamente, zu reduzieren..
CNTs haben sich bei Therapien gegen Krebs, Infektionen, Geweberegeneration, neurodegenerativen Erkrankungen und als Antioxidantien als nützlich erwiesen..
Sie werden auch bei der Diagnose von Krankheiten, bei bestimmten Analysen wie Biosensoren, der Arzneimitteltrennung und der Extraktion biochemischer Verbindungen verwendet..
Sie werden auch in orthopädischen Prothesen und als Trägermaterial für das Wachstum von Knochengewebe verwendet..
Ihre Verwendung wurde auch als Materialien für Batterie- und Brennstoffzellenmembranen, Anoden für Lithiumionenbatterien, Superkondensatoren und chemische Filter vorgeschlagen..
Ihre hohe elektrische Leitfähigkeit und relative chemische Inertheit machen sie als Elektroden bei elektrochemischen Reaktionen nützlich..
Sie können auch an Reaktantenpartikeln haften und aufgrund ihrer großen Oberfläche als Träger für Katalysatoren fungieren..
Sie haben auch die Fähigkeit, Wasserstoff zu speichern, was in Fahrzeugen, die mit diesem Gas fahren, sehr nützlich ist, da es mit CNTs sicher transportiert werden könnte..
Studien haben Schwierigkeiten bei der Bewertung der Toxizität von CNTs gezeigt. Dies scheint von Eigenschaften wie Länge, Steifheit, Konzentration und Dauer der Exposition gegenüber CNTs abzuhängen. Dies hängt auch von der Herstellungsmethode und der Reinheit der CNTs ab..
Es wird jedoch empfohlen, beim Umgang mit CNTs Schutzausrüstung zu verwenden, da es Studien gibt, die auf ihre Ähnlichkeit mit Asbestfasern hinweisen und das Einatmen von CNT-Staub zu Lungenschäden führen kann..
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