KARBON NANOTÜPLER: YAPI, ÖZELLIKLER, UYGULAMALAR, TOKSISITE - KIMYA - 2025

Karbon nanotüpleri , sadece karbon atomu (C) tarafından oluşturulan boru ya da çok küçük ve çok ince silindirlerdir. Boru şeklindeki yapısı sadece elektron mikroskopları ile görülebilir. Karmaşık bir ağ oluşturmak için birbirine dolanmış çok küçük demetlerden veya birkaç düzine nanotüp demetinden oluşan katı siyah bir malzemedir.

"Nano" öneki "çok küçük" anlamına gelir. Ölçümde kullanılan "nano" kelimesi, bir ölçümün milyarda biri olduğu anlamına gelir. Örneğin, bir nanometre (nm) bir metrenin milyarda biridir, yani 1 nm = ^10-9 m'dir.

Karbon nanotüp örneği. Karbon görünümlü siyah bir katı olduğu görülebilmektedir. Shaddack. Kaynak: Wikimedia Commons.

Her küçük karbon nanotüp, etrafına sarılan bir veya daha fazla grafit tabakasından oluşur. Tek duvarlı nanotüpler (tek bir haddelenmiş tabaka) ve çok duvarlı nanotüpler (biri diğerinin içinde iki veya daha fazla silindir) olarak sınıflandırılırlar.

Karbon nanotüpler çok güçlüdür, kırılmaya karşı yüksek dirençlidir ve çok esnektir. Isı ve elektriği çok iyi iletirler. Ayrıca çok hafif bir malzeme oluştururlar.

Bu özellikler onları diğerlerinin yanı sıra otomotiv, havacılık ve elektronik endüstrileri gibi çeşitli uygulama alanlarında yararlı kılar. Ayrıca tıpta, örneğin antikanser ilaçları, aşıları, proteinleri vb. Taşımak ve dağıtmak için kullanılmıştır.

Bununla birlikte, solunduğunda akciğerlere zarar verebileceğinden koruyucu ekipmanla taşınması gerekir.

Karbon nanotüplerin keşfi

Bilim dünyasında karbon nanotüpleri kimin keşfettiği konusunda farklı görüşler var. Bu materyaller hakkında çok sayıda araştırma makalesi bulunmasına rağmen, aşağıda sadece birkaç önemli tarih belirtilmiştir.

- 1903 yılında, Fransız bilim adamı Pélabon bir numunede karbon filamentleri gözlemledi (elektron mikroskopları bu tarihte henüz mevcut değildi).

- 1950'de, Union Carbide şirketinden fizikçi Roger Bacon, belirli karbon fiber örneklerini inceliyordu ve düz ve oyuk nano tüy veya nanobigotların (nanobigot) görüntülerini gözlemledi.

- 1952'de Rus bilim adamları Radushkevich ve Lukyanovich, kendileri tarafından sentezlenen ve bir elektron mikroskobu ile elde edilen karbon nanotüp görüntülerinin fotoğraflarını yayınladılar ve burada içi boş oldukları açıkça görüldü.

- 1973'te Rus bilim adamları Bochvar ve Gal'pern, grafit tabakaların kendi kendilerine bükülerek "içi boş moleküller" oluşturabileceğini gösteren moleküler orbitallerin enerji seviyelerinin bir dizi hesaplamasını tamamladı.

- 1976'da Morinobu Endo, 1000 ° C'de benzen ve ferrosen piroliziyle üretilen içi boş bir merkeze sahip karbon liflerini gözlemledi (piroliz, oksijen yokluğunda çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtma ile oluşan bir bozunma türüdür).

- 1991 yılında, Sumio Iijima'nın elektrik ark tekniğini kullanarak içi boş tüplerden yapılmış karbon iğneleri sentezlemesinden sonra karbon nanotüplere olan ilgi arttı.

- 1993 yılında, Sumio Iijima ve Donald Bethune (birbirlerinden bağımsız olarak çalışıyorlar) aynı anda tek duvarlı karbon nanotüpleri keşfettiler.

Başvurulan kaynaklardan bazılarının yorumları

Bazı bilgi kaynaklarına göre, belki de karbon nanotüplerin keşfi için kredi 1952'de Rus bilim adamları Radushkevich ve Lukyanovich'e gitmelidir.

O zamanlar sözde “soğuk savaş” var olduğu ve Batılı bilim adamlarının Rusça makalelere erişimi olmadığı için kendilerine gereken övgü verilmediğine inanılıyor. Ek olarak, pek çoğu Rusça'dan çeviri yapamadı, bu da araştırmalarının yurtdışında analiz edilmesini daha da geciktirdi.

Pek çok makalede Iijima'nın 1991'de karbon nanotüpleri keşfeden kişi olduğu söyleniyor. Bununla birlikte, bazı araştırmacılar, Iijima'nın çalışmasının etkisinin, bilimin karbon nanotüplerin önemini anlamak için zaten yeterli bir olgunluğa ulaşmış olmasından kaynaklandığını tahmin ediyor. nanomalzemeler.

Bazıları, o yıllarda fizikçilerin genellikle, karbon nanotüplerin zaten tartışıldığı kimya dergilerindeki makaleleri okumadıklarını ve bu nedenle Iijima'nın makalesine "şaşırdıklarını" söylüyor.

Ancak tüm bunlar Iijima'nın 1991'deki çalışmalarının yüksek kalitesini azaltmıyor. Ve fikir ayrılığı devam ediyor.

terminoloji

- Karbon nanotüpler veya CNT'ler (Karbon NanoTüpler).

- Tek duvarlı karbon nanotüpler veya SWCNT'ler (Tek Duvarlı Karbon NanoTüpler).

- Çok duvarlı karbon nanotüpler veya MWCNT'ler (Çok Duvarlı Karbon NanoTüpler).

yapı

Fizik yapı

Karbon nanotüpler, yapısı sadece elektron mikroskobu ile görülebilen çok ince ve küçük tüpler veya silindirlerdir. Bir tüpe sarılmış bir grafit (grafen) tabakasından oluşurlar.

Bir karbon nanotüp, haddelenmiş bir grafit veya grafen tabakasıdır: (a) grafit tabakasının teorik görüntüsü, (b) haddelenmiş levhanın veya karbon nanotüpünün teorik görüntüsü. OpenStax. Kaynak: Wikimedia Commons.

Yalnızca karbon atomlarından oluşan içi boş silindirik moleküllerdir. Karbon atomları, benzene benzer ve birbirine bağlanmış (yoğunlaştırılmış benzen halkaları) küçük altıgenler (6 kenarlı çokgenler) şeklinde düzenlenmiştir.

6 karbon atomunun küçük altıgenlerini görebileceğiniz bir karbon nanotüp çizimi. Kullanıcı: Gmdm. Kaynak: Wikimedia Commons.

Tüpler, açıklıklarından tıkalı olabilir veya olmayabilir ve çaplarına göre çok uzun olabilir. Dikişsiz borulara yuvarlanmış grafit (grafen) tabakalarına eşdeğerdirler.

Kimyasal yapı

CNT'ler poliaromatik yapılardır. Karbon atomları arasındaki bağlar kovalenttir (yani iyonik değildirler). Bu bağlantılar aynı düzlem içinde ve çok güçlü.

C = C bağlarının gücü, CNT'leri çok sert ve güçlü kılar. Yani bu tüplerin duvarları çok sağlamdır.

Düzlem dışı bağlantılar çok zayıftır, bu da bir boru ile diğeri arasında güçlü bağlantıların olmadığı anlamına gelir. Bununla birlikte, nanotüp demetlerinin veya demetlerinin oluşumuna izin veren çekici kuvvetlerdir.

Tüp sayısına göre sınıflandırma

Karbon nanotüpler iki gruba ayrılır: tek duvarlı nanotüpler veya SWCNT (Tek Duvarlı Karbon NanoTube) ve çok duvarlı nanotüpler veya MWCNT (Çok Duvarlı Karbon NanoTube).

Nanotüp türleri: (1) çok duvarlı nanotüp gerçek görüntüsü, (2) tek duvarlı nanotüp çizimi, (3) grafit veya grafen levha çizimi. W2raphael. Kaynak: Wikimedia Commons.

Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler), altıgenlerin köşelerinin kesintisiz bir tüp oluşturmak için mükemmel bir şekilde birbirine uyduğu bir silindir haline getirilmiş tek bir grafen tabakasından oluşur.

Çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT'ler), ortak bir içi boş merkezin etrafına, yani birbirinin içine yerleştirilmiş iki veya daha fazla içi boş silindirin etrafına yerleştirilmiş eş merkezli silindirlerden oluşur.

Çok duvarlı nanotüpler, iç içe iki veya daha fazla silindirden oluşur. Eric Wieser. Kaynak: Wikimedia Commons.

Elektron mikroskobu ile elde edilen çok duvarlı bir karbon nanotüpün gerçek görüntüsü. Oxirane. Kaynak: Wikimedia Commons.

Sarım şekline göre sınıflandırma

Grafen levhanın haddelenme şekline bağlı olarak, CNT'lerde altıgenler tarafından oluşturulan model şunlar olabilir: sandalye şeklinde, zikzak şeklinde ve sarmal veya kiral. Ve bu, özelliklerini etkiler.

Şiral veya sarmal karbon nanotüpün gerçek görüntüsü. Taner Yıldırım (Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü - NIST). Kaynak: Wikimedia Commons.

Fiziki ozellikleri

Karbon nanotüpler sağlamdır. Çok yoğun ve karmaşık bir ağ oluşturmak için birbirine dolanmış birkaç düzine nanotüpten buketler, demetler, demetler veya "dizgiler" oluşturmak için bir araya gelirler.

Elektron mikroskobu ile elde edilen karbon nanotüplerin gerçek görüntüsü. Birbirleriyle dolaşan demetler oluşturdukları görülebilir. English Wikipedia'da Malzeme Bilimcisi. Kaynak: Wikimedia Commons.

Çelikten daha büyük bir gerilme mukavemetine sahiptirler. Bu, strese maruz kaldıklarında kırılmaya karşı yüksek direnç gösterdikleri anlamına gelir. Teorik olarak çelikten yüzlerce kat daha güçlü olabilirler.

Çok elastiktirler, hasar görmeden bükülebilir, bükülebilir ve katlanabilirler ve daha sonra ilk şekillerine dönebilirler. Çok hafifler.

İyi ısı ve elektrik iletkenleridir. Çok yönlü elektronik davranışa sahip oldukları veya yüksek elektronik iletkenliğe sahip oldukları söyleniyor.

Altıgenleri koltuk şeklinde düzenlenmiş CNT tüpleri metalik davranışa sahiptir veya metallerinkine benzer.

Zikzak ve sarmal bir düzende düzenlenmiş olanlar metalik ve yarı iletken olabilir.

Kimyasal özellikler

Karbon atomları arasındaki bağların gücü nedeniyle, CNT'ler çok yüksek sıcaklıklara (atmosferik basınçta 750 ° C ve vakumda 2800 ° C) dayanabilir.

Nanotüplerin uçları, kimyasal olarak silindirik kısımdan daha reaktiftir. Oksidasyona maruz kalırlarsa, önce uçlar oksitlenir. Tüpler kapalıysa uçlar açılır.

Nitrik asit HNO ile muamele zaman ₃ ya da sülfürik asit, H ₂ SO ₄ , belirli koşullar altında CNT karboksilik tip gruplar oluşturmak -COOH veya kinon tipi grupları O = C olabilir ₄ H ₄ -C = O

Daha küçük çaplı CNT'ler daha reaktiftir. Karbon nanotüpler, iç kanallarında diğer türlerin atomlarını veya moleküllerini içerebilir.

Çözünürlük

CNT'lerin yüzeylerinde herhangi bir fonksiyonel gruba sahip olmadıkları için çok hidrofobiktir, yani su ile son derece zayıf bir şekilde uyumludur ve içinde veya polar olmayan organik çözücüler içinde çözünmez.

Bununla birlikte, bazı bileşiklerle reaksiyona girerlerse, CNT'ler çözünür hale gelebilir. Nitrik asit HNO Örneğin ₃ , belirli koşullar altında bir amid tipi çözücüler içinde çözülebilirler.

Biyokimyasal özellikler

Saf karbon nanotüpler biyo-uyumludur, yani uyumlu olmadıkları veya canlı veya canlı dokularla ilgili olmadığı anlamına gelir. Agresif unsurlar olarak görüldükleri için vücuttan bir bağışıklık tepkisi oluştururlar.

Bu nedenle bilim adamları bunları, vücut dokuları tarafından kabul edilecek ve tıbbi uygulamalarda kullanılabilecek şekilde kimyasal olarak değiştirirler.

Canlıların genlerini oluşturan protein olan protein ve DNA gibi makromoleküllerle etkileşime girebilirler.

edinme

Karbon nanotüpler, lazer darbeli buharlaştırma, elektrik ark boşaltımı ve kimyasal buhar biriktirme gibi çeşitli teknikler kullanılarak grafitten yapılır.

Gaz fazında katalitik büyüme ile yüksek basınçlı bir karbon monoksit (CO) akımından da elde edilmişlerdir.

Bazı üretim yöntemlerinde metalik katalizörlerin varlığı, çok duvarlı nanotüplerin hizalanmasına yardımcı olur.

Bununla birlikte, bir karbon nanotüp, her zaman aynı çıkan bir molekül değildir. Hazırlama yöntemi ve şartlarına göre farklı uzunluk, çap, yapı, ağırlıkta elde edilirler ve bunun sonucunda farklı özellikler gösterirler.

Karbon nanotüplerin uygulamaları

CNT'lerin özellikleri onları çok çeşitli kullanımlar için uygun hale getirir.

Nanoteknoloji, havacılık endüstrisi ve otomotiv üretimi alanlarında elektronik, optik, plastik ve diğer ürünler için yapısal malzemelerde kullanılmıştır.

Karbon nanotüplerin birçok farklı kullanımı vardır. Bu, bir elektron mikroskobu ile elde edilen karbon nanotüplerin gerçek bir görüntüsüdür. Ilmar Kink. Kaynak: Wikimedia Commons.

CNT'li malzemelerin bileşimleri veya karışımları

CNT'ler, yüksek performanslı güçlendirilmiş polimer elyaflar ve kumaşlar yapmak için polimerlerle birleştirilmiştir. Örneğin, savunma amacıyla poliakrilonitril lifleri güçlendirmek için kullanılmışlardır.

CNT'lerin polimerlerle harmanları, farklı elektriksel olarak iletken özelliklere sahip olacak şekilde de tasarlanabilir. Polimerin sadece mukavemetini ve sertliğini geliştirmekle kalmaz, aynı zamanda elektriksel iletkenlik özellikleri de eklerler.

CNT'lerin elyafları ve kumaşları da alüminyum ve karbon çeliğine benzer kuvvetlerde üretilir, ancak bunlardan çok daha hafiftir. Vücut zırhı bu tür liflerle tasarlanmıştır.

Daha dayanıklı seramikler elde etmek için de kullanılmıştır.

Elektronik cihazlar

Karbon nanotüpler, vakum elektroniği, nano cihazlar ve enerji depolamada büyük potansiyele sahiptir.

CNT'ler diyotlar, transistörler ve röleler (elektrik devrelerinin açılıp kapanmasına izin veren elektromanyetik cihazlar) olarak işlev görebilir.

Bir elektrik alanına maruz kaldıklarında veya bir voltaj uygulandığında da elektron yayabilirler.

Gaz sensörleri

CNT'lerin gaz sensörlerinde kullanılması, bunların küçük, kompakt ve hafif olmasını ve elektronik uygulamalarla birleştirilebilmesini sağlar.

CNT'lerin elektronik konfigürasyonu, sensörleri son derece küçük miktarlarda gazlara karşı çok hassas hale getirir ve ayrıca CNT'ler, belirli gazları tespit etmek için kimyasal olarak uyarlanabilir.

Tıbbi uygulamalar

Yüksek yüzey alanları, mükemmel kimyasal stabiliteleri ve elektron açısından zengin poliaromatik yapıları nedeniyle, CNT'ler ilaçlar, proteinler, antikorlar, enzimler, aşılar vb. Gibi çok çeşitli terapötik molekülleri adsorbe edebilir veya bunlarla konjuge olabilir.

Doğrudan hücrelere nüfuz ederek ve ilacın vücuttan taşınması sırasında bozulmadan ilaç iletimi ve dağıtımı için mükemmel araçlar oldukları kanıtlanmıştır.

İkincisi, ilacın dozunu ve toksisitesini, özellikle antikanser ilaçları azaltmayı mümkün kılar.

CNT'lerin kansere, enfeksiyonlara, doku yenilenmesine, nörodejeneratif hastalıklara karşı tedavilerde ve antioksidanlar olarak yararlı olduğu kanıtlanmıştır.

Biyosensörler, ilaç ayırma ve biyokimyasal bileşiklerin ekstraksiyonu gibi bazı analizlerde hastalıkların teşhisinde de kullanılırlar.

Ortopedik protezlerde ve kemik dokusunun büyümesi için destek malzemesi olarak da kullanılmaktadırlar.

Diğer uygulamalar

Ayrıca pil ve yakıt hücresi membranları için malzemeler, lityum iyon piller için anotlar, süper kapasitörler ve kimyasal filtreler olarak önerilmiştir.

Yüksek elektrik iletkenlikleri ve nispi kimyasal eylemsizlikleri, onları elektrokimyasal reaksiyonlarda elektrot olarak faydalı kılar.

Ayrıca reaktan partiküllere yapışabilirler ve geniş yüzey alanlarından dolayı katalizör destekleri olarak işlev görebilirler.

CNT'ler ile güvenli bir şekilde taşınabildiğinden, söz konusu gazla çalışan araçlarda çok faydalı olan hidrojeni depolama kapasitesine de sahiptirler.

Karbon nanotüp toksisitesi

Çalışmalar, CNT'lerin toksisitesini değerlendirmede zorluklar ortaya çıkarmıştır. Bu, uzunluk, sertlik, konsantrasyon ve CNT'lere maruz kalma süresi gibi özelliklere bağlı görünmektedir. Aynı zamanda CNT'lerin üretim yöntemine ve saflığına da bağlıdır.

Bununla birlikte, asbest liflerine benzerliklerini ve CNT tozunun solunmasının akciğerlere zarar verebileceğini gösteren çalışmalar olduğundan, CNT'lerle çalışırken koruyucu ekipman kullanılması önerilir.

Teknisyen, karbon nanotüp örneklerini tartıyor. Kullandığı koruyucu araçları görebilirsiniz. ABD Ulusal Mesleki Güvenlik ve Sağlık Enstitüsü. Kaynak: Wikimedia Commons.

Bir karbon nanotüpün akciğerdeki bir hücreden nasıl geçtiğinin gerçek görüntüsü. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova ve Dale W. Porter / NIOSH. Kaynak: Wikimedia Commons.

Referanslar

1. Basu-Dutt, S. vd. (2012). Herkes İçin Karbon Nanotüplerin Kimyası. J. Chem Educ.2012, 89, 221-229. Pubs.acs.org'dan kurtarıldı.
2. Monthioux, M. ve Kuznetsov, VL (editörler). (2006). Karbon nanotüplerin keşfi için kime kredi verilmelidir? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Sciencedirect.com'dan kurtarıldı.
3. Eatemadi, A. vd. (2014). Karbon nanotüpler: özellikler, sentez, saflaştırma ve tıbbi uygulamalar. Nano Ölçekli Araştırma Mektupları 2014, 9: 393. Ncbi.nlm.nih.gov'dan kurtarıldı.
4. Sajid, MI vd. (2016) Sentezden in vivo biyomedikal uygulamalara kadar karbon nanotüpler. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Ncbi.nlm.nih.gov'dan kurtarıldı.
5. Ajayan, PM (1999). Karbondan Nanotüpler. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Pubs.acs.org'dan kurtarıldı.
6. Niyogi, S. vd. (2002). Tek Duvarlı Karbon Nanotüplerin Kimyası. Acc.Chem Res. 2002, 35, 1105-1113. Pubs.acs.org'dan kurtarıldı.
7. Awasthi, K. vd. (2005). Karbon Nanotüplerin Sentezi. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Ncbi.nlm.nih.gov'dan kurtarıldı.
8. Grobert, N. (2007). Karbon nanotüpler - temizleniyor. Materialstoday Cilt 10, Sayılar 1-2, sayfalar 28-35. Reader.elsevier.com'dan kurtarıldı.
9. He, H. vd. (2013). Karbon Nanotüpler: Eczacılık ve Tıpta Uygulamalar. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. ncbi.nlm.nih.gov'dan kurtarıldı.
10. Francis, AP ve Devasena, T. (2018). Karbon nanotüplerin toksisitesi: Bir inceleme. Toksikoloji ve Endüstriyel Sağlık (2018) 34, 3. journals.sagepub.com'dan kurtarıldı.
11. Harik, VM (2017). Karbon Nanotüplerin Geometrisi ve Fagositoz Mekanizmaları ve Toksik Etkiler. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Ncbi.nlm.nih.gov'dan kurtarıldı.