NANOTUBE KARBON: STRUKTUR, SIFAT, APLIKASI, KETOKSIKAN - KIMIA - 2025

The nanotube karbon adalah tiub atau silinder sangat kecil dan sangat nipis dibentuk oleh atom karbon (C). Struktur tiubnya hanya dapat dilihat melalui mikroskop elektron. Ini adalah bahan hitam padat, terdiri dari bundel atau bundel yang sangat kecil dari beberapa lusin nanotube, yang terjalin bersama untuk membentuk jaringan yang rumit.

Awalan "nano" bermaksud "sangat kecil." Perkataan "nano" yang digunakan dalam pengukuran bermaksud bahawa itu adalah satu bilion dari ukuran. Sebagai contoh, nanometer (nm) adalah satu bilion meter, iaitu, 1 nm = 10 ^-9 m.

Sampel nanotube karbon. Dapat dilihat bahawa ia adalah pepejal hitam dengan penampilan seperti karbon. Shaddack. Sumber: Wikimedia Commons.

Setiap nanotube karbon kecil terdiri daripada satu atau lebih kepingan grafit yang melilitnya. Mereka diklasifikasikan menjadi nanotube berdinding tunggal (kepingan bergulung tunggal) dan nanotube berbilang dinding (dua atau lebih silinder satu di antara yang lain).

Nanotube karbon sangat kuat, mempunyai daya tahan tinggi untuk pecah dan sangat fleksibel. Mereka mengalirkan haba dan elektrik dengan baik. Mereka juga membuat bahan yang sangat ringan.

Sifat-sifat ini menjadikannya berguna dalam pelbagai bidang aplikasi, seperti industri automotif, aeroangkasa dan elektronik. Mereka juga telah digunakan dalam perubatan, misalnya untuk mengangkut dan mengirimkan obat antikanker, vaksin, protein, dll.

Namun, pengendaliannya harus dilakukan dengan alat pelindung kerana apabila dihirup, mereka dapat menyebabkan kerosakan pada paru-paru.

Penemuan nanotube karbon

Terdapat pendapat berbeza dalam komuniti saintifik mengenai siapa yang menemui nanotube karbon. Walaupun terdapat banyak makalah penyelidikan mengenai bahan-bahan ini, hanya beberapa tarikh penting yang disebutkan di bawah.

- Pada tahun 1903, saintis Perancis Pélabon mengamati filamen karbon dalam sampel (mikroskop elektron belum tersedia pada tarikh ini).

- Pada tahun 1950, ahli fizik Roger Bacon dari syarikat Union Carbide sedang mengkaji beberapa sampel gentian karbon dan memerhatikan gambar-gambar nano-fluff atau nanobigot lurus dan berlubang (nanowhiskers).

- Pada tahun 1952, saintis Rusia Radushkevich dan Lukyanovich menerbitkan gambar gambar nanotube karbon yang disintesis oleh mereka sendiri dan diperoleh dengan mikroskop elektron, di mana dengan jelas diperhatikan bahawa mereka berongga.

- Pada tahun 1973, saintis Rusia Bochvar dan Gal'pern menyelesaikan satu siri pengiraan tahap tenaga orbital molekul yang menunjukkan bahawa kepingan grafit dapat berpusing pada diri mereka untuk membentuk "molekul berongga".

- Pada tahun 1976, Morinobu Endo memerhatikan serat karbon dengan pusat berlubang yang dihasilkan oleh pirolisis benzena dan ferosena pada suhu 1000 ° C (pirolisis adalah sejenis penguraian yang berlaku dengan pemanasan hingga suhu yang sangat tinggi tanpa adanya oksigen).

- Pada tahun 1991, semangat untuk nanotube karbon dipicu setelah Sumio Iijima mensintesis jarum karbon yang terbuat dari tiub berongga menggunakan teknik busur elektrik.

- Pada tahun 1993, Sumio Iijima dan Donald Bethune (bekerja secara bebas antara satu sama lain) secara bersamaan menemui nanotube karbon berdinding tunggal.

Tafsiran beberapa sumber yang diteliti

Menurut beberapa sumber maklumat, mungkin kredit untuk penemuan nanotube karbon harus diberikan kepada saintis Rusia Radushkevich dan Lukyanovich pada tahun 1952.

Diperkirakan mereka tidak diberi penghargaan sewajarnya karena pada waktu itu apa yang disebut "perang dingin" sudah ada dan para saintis Barat tidak memiliki akses ke artikel Rusia. Di samping itu, tidak banyak yang dapat menerjemahkan dari bahasa Rusia, yang kemudiannya menunda penyelidikan mereka untuk dianalisis di luar negara.

Dalam banyak artikel dikatakan bahawa Iijima adalah orang yang menemui nanotube karbon pada tahun 1991. Walau bagaimanapun, sebilangan penyelidik menganggarkan bahawa kesan karya Iijima disebabkan oleh fakta bahawa sains telah mencapai tahap kematangan yang cukup untuk menghargai kepentingan nanotube karbon. nanomaterials.

Ada yang mengatakan bahawa dalam beberapa dekad itu ahli fizik secara amnya tidak membaca artikel di majalah kimia, di mana nanotube karbon sudah dibincangkan, dan oleh sebab itu mereka "terkejut" dengan artikel Iijima.

Tetapi semua ini tidak mengurangkan kualiti tinggi karya Iijima dari tahun 1991. Dan perbezaan pendapat tetap ada.

Tatanama

- Nano tabung karbon, atau CNT (Carbon NanoTubes).

- Nanotube karbon berdinding tunggal, atau SWCNTs (NanoTube Carbon berdinding tunggal).

- Nanotube karbon pelbagai dinding, atau MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktur

Struktur fizikal

Nanotube karbon sangat halus dan tabung kecil atau silinder yang strukturnya dapat dilihat hanya dengan mikroskop elektron. Mereka terdiri daripada kepingan grafit (graphene) yang dilancarkan ke dalam tiub.

Nanotube karbon adalah kepingan bergulung dari grafit atau graphene: (a) imej teori kepingan grafit, (b) imej teori kepingan bergulung atau nanotube karbon. OpenStax. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka adalah molekul silinder berlubang yang hanya terdiri daripada atom karbon. Atom karbon disusun dalam bentuk heksagon kecil (poligon 6 sisi) yang serupa dengan benzena dan dihubungkan bersama (cincin benzena pekat).

Lukisan nanotube karbon di mana anda dapat melihat segi enam kecil 6 atom karbon. Pengguna: Gmdm. Sumber: Wikimedia Commons.

Tiub mungkin atau mungkin tidak dipasang pada bukaannya dan boleh sangat panjang dibandingkan dengan diameternya. Mereka setara dengan kepingan grafit (graphene) yang dilancarkan ke dalam tiub lancar.

Struktur kimia

CNT adalah struktur poliaromatik. Ikatan antara atom karbon adalah kovalen (iaitu, ia tidak ionik). Pautan ini berada dalam satah yang sama dan sangat kuat.

Kekuatan ikatan C = C menjadikan CNT sangat kaku dan kuat. Dengan kata lain, dinding tiub ini sangat kuat.

Sendi di luar pesawat sangat lemah, yang bermaksud bahawa tidak ada sendi yang kuat antara satu tiub dan yang lain. Walau bagaimanapun, mereka adalah daya tarikan yang memungkinkan pembentukan bundel atau kumpulan nanotube.

Klasifikasi mengikut bilangan tiub

Nanotube karbon dibahagikan kepada dua kumpulan: nanotube dinding tunggal, atau SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), dan nanotube multi-dinding, atau MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Jenis nanotube: (1) gambar nyata nanotube berbilang dinding, (2) lukisan nanotube berdinding tunggal, (3) gambar lembaran grafit atau grafena. W2raphael. Sumber: Wikimedia Commons.

Nanotube karbon berdinding tunggal (SWCNTs) terdiri daripada lembaran graphene tunggal yang dilancarkan ke dalam silinder, di mana bucu-bucu dari segi enam sesuai untuk membentuk tiub yang lancar.

Nanotube karbon pelbagai dinding (MWCNT) terdiri daripada silinder sepusat yang diletakkan di sekitar pusat berongga biasa, iaitu dua atau lebih silinder berongga yang diletakkan di antara satu sama lain.

Nanotube pelbagai dinding terdiri daripada dua atau lebih silinder satu di antara yang lain. Eric Wieser. Sumber: Wikimedia Commons.

Imej sebenar nanotube karbon pelbagai dinding yang diperoleh dengan mikroskop elektron. Oksirana. Sumber: Wikimedia Commons.

Pengelasan mengikut bentuk penggulungan

Bergantung pada cara lembaran graphene digulung, corak yang dibentuk oleh segi enam dalam CNT dapat: berbentuk kerusi berlengan, berbentuk zigzag, dan heliks atau kiral. Dan ini mempengaruhi sifatnya.

Imej sebenar nanotube karbon kiral atau heliks. Taner Yildirim (Institut Piawaian dan Teknologi Nasional - NIST). Sumber: Wikimedia Commons.

Ciri-ciri fizikal

Nanotube karbon adalah pepejal. Mereka bersatu membentuk karangan, bundle, bundle atau "string" dari beberapa dozen nanotube, yang terjalin bersama untuk membentuk jaringan yang sangat padat dan rumit.

Imej sebenar nanotube karbon yang diperoleh dengan mikroskop elektron. Ini dapat dilihat bahawa mereka membentuk ikatan yang menjadi terjerat satu sama lain. Saintis Bahan di Wikipedia Inggeris. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka mempunyai kekuatan tegangan lebih besar daripada keluli. Ini bermakna mereka mempunyai daya tahan yang tinggi untuk patah ketika mengalami tekanan. Secara teori mereka boleh beratus-ratus kali lebih kuat daripada besi.

Mereka sangat elastik, boleh dibengkokkan, dipintal dan dilipat tanpa kerosakan dan kemudian kembali ke bentuk awalnya. Mereka sangat ringan.

Mereka adalah pengalir haba dan elektrik yang baik. Mereka dikatakan mempunyai tingkah laku elektronik yang sangat serba boleh atau mempunyai kekonduksian elektronik yang tinggi.

Tiub CNT yang segi enamnya disusun dalam bentuk kerusi berlengan mempunyai tingkah laku logam atau serupa dengan logam.

Yang disusun dalam corak zigzag dan heliks boleh menjadi logam dan semikonduktor.

Sifat kimia

Oleh kerana kekuatan ikatan antara atom karbonnya, CNT dapat menahan suhu yang sangat tinggi (750 ° C pada tekanan atmosfera dan 2800 ° C dalam keadaan vakum).

Hujung nanotube secara kimia lebih reaktif daripada bahagian silinder. Sekiranya mereka mengalami pengoksidaan, hujungnya dioksidakan terlebih dahulu. Sekiranya tiub ditutup hujungnya terbuka.

Apabila dirawat dengan asid nitrik HNO ₃ atau asid sulfurik H ₂ SO ₄ dalam keadaan tertentu CNT dapat membentuk kumpulan jenis karboksilik -COOH atau kumpulan jenis quinone O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT dengan diameter yang lebih kecil lebih reaktif. Nanotube karbon boleh mengandungi atom atau molekul spesies lain dalam saluran dalamannya.

Keterlarutan

Kerana fakta bahawa CNT tidak mempunyai kumpulan fungsional di permukaannya, sangat hidrofobik, iaitu sangat tidak sesuai dengan air dan tidak larut di dalamnya atau dalam pelarut organik bukan polar.

Walau bagaimanapun, jika mereka bertindak balas dengan sebatian sebilangan CNT dapat larut. Contohnya dengan asid nitrik HNO ₃ dapat dilarutkan dalam beberapa pelarut jenis amida dalam keadaan tertentu.

Sifat biokimia

Nanotube karbon tulen adalah bio tidak serasi, yang bermaksud bahawa ia tidak serasi atau berkaitan dengan kehidupan atau tisu hidup. Mereka menghasilkan tindak balas imun dari badan, kerana ia dianggap unsur agresif.

Atas sebab ini, saintis secara kimia mengubahnya sedemikian rupa sehingga diterima oleh tisu badan dan dapat digunakan dalam aplikasi perubatan.

Mereka boleh berinteraksi dengan makromolekul seperti protein dan DNA, yang merupakan protein yang membentuk gen makhluk hidup.

Mendapatkan

Nanotube karbon dibuat dari grafit menggunakan pelbagai teknik seperti pengewapan nadi laser, pembuangan arka elektrik dan pemendapan wap kimia.

Mereka juga diperoleh dari aliran tekanan tinggi karbon monoksida (CO) oleh pemangkin pertumbuhan pada fasa gas.

Kehadiran pemangkin logam dalam beberapa kaedah pengeluaran membantu penyelarasan nanotube berbilang dinding.

Walau bagaimanapun, nanotube karbon bukanlah molekul yang selalu berubah sama. Mengikut kaedah penyediaan dan syarat-syaratnya, keduanya diperoleh dengan panjang, diameter, struktur, berat badan, dan sebagai hasilnya, sifat-sifatnya berbeza.

Aplikasi nanotube karbon

Sifat CNT menjadikannya sesuai untuk pelbagai kegunaan.

Mereka telah digunakan dalam bahan struktur untuk elektronik, optik, plastik, dan produk lain dalam bidang nanoteknologi, industri aeroangkasa, dan produksi automotif.

Nanotube karbon mempunyai banyak kegunaan yang berbeza. Ini adalah gambaran sebenar nanotube karbon yang diperoleh dengan mikroskop elektron. Ilmar Kink. Sumber: Wikimedia Commons.

Komposisi atau campuran bahan dengan CNT

CNT telah digabungkan dengan polimer untuk membuat serat dan kain polimer bertetulang prestasi tinggi. Contohnya ia telah digunakan untuk menguatkan gentian poliakrilonitril untuk tujuan pertahanan.

Campuran CNT dengan polimer juga dapat dirancang untuk mempunyai sifat konduktif elektrik yang berbeza. Mereka meningkatkan bukan sahaja kekuatan dan kekakuan polimer tetapi juga menambah sifat kekonduksian elektrik.

Serat dan kain CNT juga dihasilkan dengan kekuatan yang serupa dengan aluminium dan keluli karbon, tetapi jauh lebih ringan daripada ini. Perisai badan telah dirancang dengan gentian seperti itu.

Mereka juga digunakan untuk memperoleh seramik yang lebih tahan.

Peranti elektronik

Nanotube karbon mempunyai potensi besar dalam elektronik vakum, nanodevices, dan penyimpanan tenaga.

CNT boleh berfungsi sebagai dioda, transistor dan relay (alat elektromagnetik yang membolehkan membuka dan menutup litar elektrik).

Mereka juga dapat memancarkan elektron apabila dikenakan medan elektrik atau jika voltan digunakan.

Sensor gas

Penggunaan CNT pada sensor gas membolehkannya kecil, padat dan ringan dan dapat digabungkan dengan aplikasi elektronik.

Konfigurasi elektronik CNT menjadikan sensor sangat sensitif terhadap jumlah gas yang sangat kecil dan, sebagai tambahan, CNT dapat disesuaikan secara kimia untuk mengesan gas tertentu.

Aplikasi perubatan

Oleh kerana luas permukaannya yang tinggi, kestabilan kimia yang sangat baik dan struktur poliaromatik yang kaya dengan elektron, CNT dapat menyerap atau bergabung dengan pelbagai molekul terapeutik, seperti ubat, protein, antibodi, enzim, vaksin, dll.

Mereka terbukti menjadi alat yang sangat baik untuk pengangkutan dan penghantaran ubat-ubatan, menembus terus ke dalam sel dan menjaga agar ubat tetap utuh semasa pengangkutan melalui badan.

Yang terakhir ini memungkinkan untuk mengurangkan dos ubat dan ketoksikannya, terutama ubat antikanker.

CNT terbukti berguna dalam terapi melawan barah, jangkitan, pertumbuhan semula tisu, penyakit neurodegeneratif, dan sebagai antioksidan.

Mereka juga digunakan dalam diagnosis penyakit, dalam analisis tertentu, seperti biosensor, pemisahan ubat dan pengekstrakan sebatian biokimia.

Mereka juga digunakan dalam prostesis ortopedik dan sebagai bahan sokongan untuk pertumbuhan tisu tulang.

Aplikasi lain

Mereka juga disarankan sebagai bahan untuk membran sel bateri dan bahan bakar, anoda untuk bateri ion lithium, supercapacitor, dan penapis kimia.

Kekonduksian elektrik yang tinggi dan inersi kimia relatif menjadikannya berguna sebagai elektrod dalam tindak balas elektrokimia.

Mereka juga dapat melekat pada zarah-zarah reaktan dan, kerana luas permukaannya yang besar, dapat berfungsi sebagai penyokong pemangkin.

Mereka juga memiliki kemampuan untuk menyimpan hidrogen, yang sangat berguna pada kenderaan yang menggunakan gas tersebut, kerana dengan CNT, ia dapat diangkut dengan selamat.

Ketoksikan nanotube karbon

Kajian menunjukkan kesukaran dalam menilai ketoksikan CNT. Ini nampaknya bergantung pada ciri-ciri seperti panjang, kekakuan, kepekatan, dan jangka masa pendedahan kepada CNT. Ini juga bergantung pada kaedah pengeluaran dan kemurnian CNT.

Namun, disarankan untuk menggunakan peralatan pelindung ketika mengendalikan CNT kerana ada kajian yang menunjukkan kesamaannya dengan serat asbestos dan penyedutan debu CNT dapat menyebabkan kerosakan pada paru-paru.

Juruteknik menimbang sampel nanotube karbon. Anda dapat melihat alat pelindung yang digunakannya. Institut Nasional AS untuk Keselamatan dan Kesihatan Pekerjaan. Sumber: Wikimedia Commons.

Gambaran sebenar bagaimana nanotube karbon melalui sel dalam paru-paru. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova dan Dale W. Porter / NIOSH. Sumber: Wikimedia Commons.

Rujukan

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Kimia Nanotube Karbon untuk Semua Orang. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Dipulihkan dari pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. dan Kuznetsov, VL (penyunting). (2006). Siapa yang harus diberi penghargaan atas penemuan nanotube karbon? Karbon 44 (2006) 1621-1623. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Nanotube karbon: sifat, sintesis, pemurnian, dan aplikasi perubatan. Surat Penyelidikan Nanoscale 2014, 9: 393. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) nanotube karbon dari sintesis hingga aplikasi bioperubatan in vivo. Jurnal Farmaseutikal Antarabangsa 501 (2016) 278-299. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanotube dari Carbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Dipulihkan dari pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Kimia Nanotube Karbon Tembok Tunggal. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Dipulihkan dari pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Sintesis Nanotube Karbon. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Nanotube karbon - menjadi bersih. Materialstoday Volume 10, Edisi 1-2, halaman 28-35. Dipulihkan dari reader.elsevier.com.
9. Dia, H. et al. (2013). Nanotube Karbon: Aplikasi dalam Farmasi dan Perubatan. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP dan Devasena, T. (2018). Ketoksikan nanotube karbon: Satu tinjauan. Toksikologi dan Kesihatan Industri (2018) 34, 3. Dipulihkan dari jurnal.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometri Nanotube Karbon dan Mekanisme Fagositosis dan Kesan Toksik. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.