KOHLENSTOFFNANORÖHREN: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, ANWENDUNGEN, TOXIZITÄT - CHEMIE - 2025

Die Kohlenstoffnanoröhren sind Röhren oder Zylinder, die sehr klein und sehr dünn sind und nur von Kohlenstoffatomen (C) gebildet werden. 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 und zu einem komplizierten Netzwerk zusammengewürfelt ist.

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.

Kohlenstoffnanoröhrchenprobe. Es ist ersichtlich, dass es sich um einen schwarzen Feststoff mit einem kohlenstoffähnlichen Aussehen handelt. Shaddack. Quelle: Wikimedia Commons.

Jedes winzige Kohlenstoffnanoröhrchen besteht aus einer oder mehreren um sich selbst gewickelten Graphitplatten. 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.

Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren

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 Union Carbide Company bestimmte Proben von Kohlenstofffasern und beobachtete Bilder von geraden und ausgehöhlten Nanoflusen oder Nanobigots (Nanowhiskern).

- 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 zu "hohlen Molekülen" verdrehen können.

- 1976 beobachtete Morinobu Endo Kohlenstofffasern mit einem ausgehöhlten Zentrum, die durch Pyrolyse von Benzol und Ferrocen bei 1000 ° C erzeugt wurden (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 mithilfe der Lichtbogentechnik synthetisiert hatte.

- 1993 entdeckten Sumio Iijima und Donald Bethune (unabhängig voneinander) gleichzeitig einwandige Kohlenstoffnanoröhren.

Interpretationen einiger der konsultierten Quellen

Nach einigen Informationsquellen sollten die russischen Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich 1952 den Verdienst für die Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren haben.

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 konnten nicht viele aus dem Russischen übersetzen, was die Analyse ihrer Forschung im Ausland weiter verzögerte.

In vielen Artikeln wird gesagt, dass Iijima 1991 Kohlenstoffnanoröhren entdeckt hat. 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 Kohlenstoffnanoröhren zu erkennen. Nanomaterialien.

Einige sagen, 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 von Iijimas Artikel "überrascht" wurden.

All dies beeinträchtigt jedoch nicht die hohe Qualität von Iijimas Arbeit von 1991. Und die Meinungsverschiedenheit bleibt bestehen.

Nomenklatur

- Kohlenstoffnanoröhren oder CNTs (Carbon NanoTubes).

- Einwandige Kohlenstoffnanoröhren oder SWCNTs (einwandige Kohlenstoffnanoröhren).

- Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren oder MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktur

Physikalische Struktur

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.

Eine Kohlenstoffnanoröhre ist eine gewalzte Schicht aus Graphit oder Graphen: (a) theoretisches Bild einer Schicht aus Graphit, (b) theoretisches Bild einer gewalzten Schicht oder einer Nanoröhre aus Kohlenstoff. OpenStax. Quelle: Wikimedia Commons.

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).

Zeichnung einer Kohlenstoffnanoröhre, in der Sie die kleinen Sechsecke mit 6 Kohlenstoffatomen sehen können. Benutzer: Gmdm. Quelle: Wikimedia Commons.

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.

Chemische Struktur

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.

Klassifizierung nach Anzahl der Röhrchen

Kohlenstoffnanoröhren werden in zwei Gruppen unterteilt: einwandige Nanoröhren oder SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) und mehrwandige Nanoröhren oder MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Nanoröhrentypen: (1) mehrwandiges Nanoröhren-Realbild, (2) einwandige Nanoröhrenzeichnung, (3) Graphit- oder Graphenblattzeichnung. W2raphael. Quelle: Wikimedia Commons.

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) bestehen aus einer einzelnen Graphenschicht, die zu einem Zylinder gerollt ist, wobei die Eckpunkte der Sechsecke perfekt zu einer nahtlosen Röhre passen.

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) bestehen aus konzentrischen Zylindern, die um ein gemeinsames Hohlzentrum angeordnet sind, dh zwei oder mehr Hohlzylinder, die ineinander angeordnet sind.

Mehrwandige Nanoröhren bestehen aus zwei oder mehr Zylindern ineinander. Eric Wieser. Quelle: Wikimedia Commons.

Reales Bild einer mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhre, die mit einem Elektronenmikroskop erhalten wurde. Oxiran. Quelle: Wikimedia Commons.

Einteilung nach Wicklungsform

Abhängig von der Art und Weise, wie die Graphenschicht gerollt wird, kann das durch die Sechsecke in den CNTs gebildete Muster stuhlförmig, zickzackförmig und helikal oder chiral sein. Und das beeinflusst seine Eigenschaften.

Reales Bild einer chiralen oder helikalen Kohlenstoffnanoröhre. Taner Yildirim (Nationales Institut für Standards und Technologie - NIST). Quelle: Wikimedia Commons.

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoffnanoröhren sind fest. Sie bilden zusammen Blumensträuße, Bündel, Bündel oder "Schnüre" aus mehreren Dutzend Nanoröhren, die zu einem sehr dichten und komplizierten Netzwerk zusammengefügt sind.

Reales Bild von Kohlenstoffnanoröhren, die mit einem Elektronenmikroskop erhalten wurden. Es ist zu sehen, dass sie Bündel bilden, die sich miteinander verwickeln. Materialwissenschaftler bei englischer Wikipedia. Quelle: Wikimedia Commons.

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 werden und kehren dann in ihre ursprüngliche Form zurück. Sie sind sehr leicht.

Sie sind gute Wärme- und Stromleiter. Sie sollen ein sehr vielseitiges elektronisches Verhalten oder eine hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen.

CNT-Rohre, deren Sechsecke in Form eines Sessels angeordnet sind, haben ein metallisches Verhalten oder ähneln dem von Metallen.

Diejenigen, die in einem Zickzack- und Helixmuster angeordnet sind, können Metall- und Halbleitermuster sein.

Chemische Eigenschaften

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 HNO ₃ oder Schwefelsäure H ₂ SO ₄ können CNTs unter bestimmten Bedingungen Gruppen vom Carbonsäuretyp -COOH oder Gruppen vom Chinontyp O = CC ₄ H ₄ -C = O bilden.

CNTs mit kleineren Durchmessern sind reaktiver. Kohlenstoffnanoröhren können Atome oder Moleküle anderer Spezies in ihren inneren Kanälen enthalten.

Löslichkeit

Aufgrund der Tatsache, dass CNTs keine funktionelle Gruppe auf ihrer Oberfläche haben, ist es sehr hydrophob, das heißt, 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 die CNTs löslich werden. Beispielsweise kann mit Salpetersäure HNO ₃ unter bestimmten Bedingungen in einigen Lösungsmitteln vom Amidtyp solubilisiert werden.

Biochemische Eigenschaften

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 für medizinische Anwendungen verwendet werden können.

Sie können mit Makromolekülen wie Proteinen und DNA interagieren, dem Protein, aus dem die Gene von Lebewesen bestehen.

Erhalten

Kohlenstoffnanoröhren werden aus Graphit durch verschiedene Techniken wie Laserpulsverdampfung, Lichtbogenentladungen und chemische Gasphasenabscheidung hergestellt.

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 der mehrwandigen Nanoröhren.

Eine Kohlenstoffnanoröhre ist jedoch kein Molekül, das immer gleich ausfällt. Je nach Herstellungsverfahren und Bedingungen werden sie mit unterschiedlicher Länge, unterschiedlichem Durchmesser, unterschiedlicher Struktur und unterschiedlichem Gewicht erhalten und weisen daher unterschiedliche Eigenschaften auf.

Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren

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.

Kohlenstoffnanoröhren haben viele verschiedene Verwendungszwecke. Dies ist ein reales Bild von Kohlenstoffnanoröhren, die mit einem Elektronenmikroskop erhalten wurden. Ilmar Kink. Quelle: Wikimedia Commons.

Zusammensetzungen oder Materialmischungen mit CNTs

CNTs wurden mit Polymeren kombiniert, um hochleistungsfähige verstärkte Polymerfasern und -gewebe herzustellen. Zum Beispiel 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 Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit hinzu.

CNTs Fasern und Gewebe werden ebenfalls mit ähnlichen Festigkeiten wie Aluminium und Kohlenstoffstahl hergestellt, die jedoch viel leichter als diese sind. Körperschutz wurde mit solchen Fasern entworfen.

Sie wurden auch verwendet, um widerstandsfähigere Keramiken zu erhalten.

Elektronikgeräte

Kohlenstoffnanoröhren haben ein großes Potenzial in der Vakuumelektronik, in Nanogeräten und in der Energiespeicherung.

CNTs können als Dioden, Transistoren und Relais (elektromagnetische Geräte, die das Öffnen und Schließen von Stromkreisen ermöglichen) fungieren.

Sie können auch Elektronen emittieren, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind oder wenn eine Spannung angelegt wird.

Gassensoren

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, und außerdem können CNTs chemisch angepasst werden, um bestimmte Gase zu erfassen.

Medizinische Anwendungen

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.

Andere Apps

Sie wurden 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 Katalysatorträger 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.

Toxizität von Kohlenstoffnanoröhrchen

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.

Techniker, der Proben von Kohlenstoffnanoröhren wiegt. Sie können die verwendeten Schutzgeräte sehen. US Nationales Institut für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz. Quelle: Wikimedia Commons.

Reales Bild davon, wie eine Kohlenstoffnanoröhre eine Zelle in einer Lunge passiert. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova und Dale W. Porter / NIOSH. Quelle: Wikimedia Commons.

Verweise

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Chemie der Kohlenstoffnanoröhren für alle. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221 & ndash; 229. Von pubs.acs.org wiederhergestellt.
2. Monthioux, M. und Kuznetsov, VL (Herausgeber). (2006). Wem sollte die Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren zugeschrieben werden? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Von sciencedirect.com wiederhergestellt.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Kohlenstoffnanoröhren: Eigenschaften, Synthese, Reinigung und medizinische Anwendungen. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Von ncbi.nlm.nih.gov wiederhergestellt.
4. Sajid, MI et al. (2016) Kohlenstoffnanoröhren von der Synthese bis zu biomedizinischen In-vivo-Anwendungen. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Von ncbi.nlm.nih.gov wiederhergestellt.
5. Ajayan, PM (1999). Nanoröhren aus Kohlenstoff. Chem. 1999, 99, 1787 & ndash; 1799. Von pubs.acs.org wiederhergestellt.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Chemie einwandiger Kohlenstoffnanoröhren. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105 & ndash; 1113. Von pubs.acs.org wiederhergestellt.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Synthese von Kohlenstoffnanoröhren. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616 & ndash; 36. Von ncbi.nlm.nih.gov wiederhergestellt.
8. Grobert, N. (2007). Kohlenstoffnanoröhren - werden sauber. Materialstoday Volume 10, Issues 1-2, Seiten 28-35. Von reader.elsevier.com wiederhergestellt.
9. Er, H. et al. (2013). Kohlenstoffnanoröhren: Anwendungen in Pharmazie und Medizin. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Wiederhergestellt von ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP und Devasena, T. (2018). Toxizität von Kohlenstoffnanoröhren: Eine Übersicht. Toxikologie und Arbeitsmedizin (2018) 34, 3. Von journals.sagepub.com wiederhergestellt.
11. Harik, VM (2017). Geometrie von Kohlenstoffnanoröhren und Mechanismen der Phagozytose und toxische Wirkungen. Toxicol Lett 2017, 273: 69 & ndash; 85. Von ncbi.nlm.nih.gov wiederhergestellt.