צינורות פחמן: מבנה, תכונות, יישומים, רעילות - כִּימִיָה - 2025

צינורות פחמן הם צינורות או גלילים קטנים מאוד מאוד רזה נוצר רק על ידי אטומי פחמן (C). המבנה הצינורי שלה גלוי רק באמצעות מיקרוסקופי אלקטרונים. זהו חומר שחור מוצק, המורכב מצרורות קטנות מאוד או צרורות של כמה עשרות צינורות, המסתבכים זה לזה ליצירת רשת מסובכת.

הקידומת "ננו" פירושה "קטן מאוד". פירוש המילה "ננו" במדידה הוא המיליארד מהמדידה. לדוגמא, ננומטר (ננומטר) הוא מיליארדית המטר, כלומר 1 ננומטר = ^10-9 מ '.

מדגם צינור פחמן. ניתן לראות כי מדובר במוצק שחור עם מראה דמוי פחמן. שדאק. מקור: Wikimedia Commons.

כל צינור ננו-פחמן זעיר מורכב מגיליון גרפיט אחד או יותר העוטפים סביב עצמם. הם מסווגים ל צינורות חד-דופן (יריעה אחת מגולגלת) ולצינורות מרובי קירות (שניים או יותר צילינדרים האחד בשני).

צינורות פחמן חזקים מאוד, בעלי עמידות גבוהה לשבירה והם גמישים מאוד. הם מוליכים חום וחשמל היטב. הם גם מהווים חומר קל מאוד.

מאפיינים אלו הופכים אותם לשימושיים בתחומי יישומים שונים, כמו תעשיות הרכב, התעופה והחלל, ואלקטרוניקה. הם שימשו גם ברפואה, למשל להובלה ולהעברת תרופות נגד סרטן, חיסונים, חלבונים וכו '.

עם זאת, הטיפול בו צריך להיעשות עם ציוד מגן שכן בעת ​​שאיפה הם יכולים לגרום נזק לריאות.

גילוי צינורות פחמן

ישנן דעות שונות בקהילה המדעית לגבי מי גילה צינורות פחמן. למרות שיש מאמרים מחקריים רבים על חומרים אלה, רק תאריכים חשובים מעטים מוזכרים להלן.

- בשנת 1903, המדען הצרפתי פלבון צפה בנימי פחמן במדגם (מיקרוסקופים אלקטרונים טרם היו זמינים במועד זה).

- בשנת 1950 חקר הפיזיקאי רוג'ר בייקון מחברת יוניון קרביד דגימות מסוימות של סיבי פחמן וצפה בתמונות של ננו-מוך ישר או חלול או ננו-גיגוטים.

- בשנת 1952 פרסמו המדענים הרוסים רדושקביץ 'ולוקיאנוביץ' תמונות של תמונות של צינורות פחמן שסונתזו על ידי עצמן והושגו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, שם ניתן לראות בבירור כי הם חלולים.

- בשנת 1973 סיימו המדענים הרוסים בוכוואר וגלפרן סדרה של חישובים של רמות האנרגיה של אורביטלים מולקולריים המראים כי יריעות גרפיט יכולות להתפתל על עצמן ליצירת "מולקולות חלולות".

- בשנת 1976 צפה מורינובו אנדו בסיבי פחמן עם מרכז חלול המיוצר על ידי פירוליזה של בנזן ופרוזן בטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס (פירוליזה היא סוג של פירוק המתרחש בחימום לטמפרטורות גבוהות מאוד בהיעדר חמצן).

- בשנת 1991, ההתלהבות מחצרות הפחמן נוצרה לאחר שסומיו אייג'ימה סינטזה מחטי פחמן העשויות צינורות חלולים בטכניקת הקשת החשמלית.

- בשנת 1993 גילו בו זמנית סומיו איג'ימה ודונלד בת'ון (עובדים באופן עצמאי זה בזה) צינורות פחמן חד-קיריים.

פרשנויות לכמה מהמקורות שעברו

על פי כמה מקורות מידע, יתכן שהקרדיט לגילוי צינורות פחמן צריך לעבור למדענים הרוסים Radushkevich ולוקיאנוביץ 'בשנת 1952.

ההערכה היא כי לא ניתנה להם האשראי הראוי משום שבאותה עת הייתה מה שמכונה "המלחמה הקרה" ולמדענים המערביים לא הייתה גישה למאמרים רוסים. בנוסף, לא רבים יכלו לתרגם מרוסית, מה שעיכב עוד יותר את ניתוח המחקר שלהם בחו"ל.

במאמרים רבים נאמר כי אייג'ימה היה זה שגילה צינורות פחמן בשנת 1991. עם זאת, יש חוקרים המעריכים כי ההשפעה של עבודתו של אייג'ימה נובעת מהעובדה שהמדע כבר הגיע לדרגת בגרות מספקת כדי להעריך את חשיבותן של צינורות פחמן. ננו-חומרים.

יש אומרים שבאותם העשורים הפיזיקאים בדרך כלל לא קראו מאמרים במגזינים כימיים, שם כבר נידונו צינורות פחמן, ומסיבה זו הם "הופתעו" מהמאמר של אייג'ימה.

אבל כל זה לא מפחית את האיכות הגבוהה של עבודתו של אייג'ימה משנת 1991. ונשארה חילוקי הדעות.

מִנוּחַ

- צינורות פחמן, או צינורות CNT (צינורות פחמן).

- צינורות פחמן חד-דופן או צינורות פחמן חד-קיריים (צינורות פחמן חד-קיריים).

- צינורות פחמן רב קירות ננו צינורות, או MWCNTs (רב צינורות פחמן NanoTubes).

מִבְנֶה

מבנה פיזי

צינורות פחמן הם צינורות או צילינדרים קטנים וקטנים מאוד שניתן לראות במבנה שלהם רק במיקרוסקופ אלקטרונים. הם מורכבים מגיליון גרפיט (גרפן) המגולגל לצינור.

צינור צינור פחמן הוא גיליון מגולגל של גרפיט או גרפן: (א) תמונה תיאורטית של גיליון הגרפיט, (ב) תמונה תיאורטית של גיליון מגולגל או צינור פחמן. OpenStax. מקור: Wikimedia Commons.

מדובר במולקולות גליליות מושפעות המורכבות אך ורק מאטומי פחמן. אטומי הפחמן מסודרים בצורה של משושים קטנים (מצולעים דו-צדדיים) הדומים לבנזן ומחוברים זה לזה (טבעות בנזן מרוכזות).

ציור של צינור צינור פחמן בו ניתן לראות את המשושים הקטנים של 6 אטומי פחמן. משתמש: Gmdm. מקור: Wikimedia Commons.

הצינורות עשויים להיות מחוברים לפתחים שלהם ויכולים להיות ארוכים במיוחד בהשוואה לקטרים ​​שלהם. הם שקולים לגיליונות גרפיט (גרפן) המגולגלים לצינורות חלקים.

מבנה כימי

CNTs הם מבנים פוליארומטיים. הקשרים בין אטומי הפחמן הם קוולנטיים (כלומר הם אינם יוניים). קישורים אלה נמצאים באותו מישור וחזקים מאוד.

חוזק קשרי ה- C = C הופך את ה- CNT לקשיחים וחזקים מאוד. במילים אחרות, קירות הצינורות הללו חזקים מאוד.

המפרקים מחוץ למישור הם חלשים מאוד, מה שאומר שאין מפרקים חזקים בין צינור אחד למשנהו. עם זאת, הם כוחות אטרקטיביים המאפשרים היווצרות צרורות או צרורות של צינורות.

סיווג לפי מספר הצינורות

צינורות פחמן מחולקים לשתי קבוצות: צינורות צינור חד קיר, או SWCNT (פחמן חד-קירתי NanoTube), וצינורות רב-קירות, או MWCNT (פחמן רב קיר NanoTube).

סוגי ננו-צינורות: (1) תמונה אמיתית של ננו-צינור רב-קירות, (2) ציור ננו-צינור יחיד-קירות, (3) רישום גיליון גרפיט או גרפן. W2raphael. מקור: Wikimedia Commons.

צינורות פחמן חד-קיריים (SWCNTs) מורכבים מגיליון גרפן בודד המגולגל לצילינדר, שם קודקודי המשושים משתלבים זה בזה בצורה מושלמת ליצירת צינור חלק.

צינורות פחמן רב-קירות (MWCNTs) מורכבים מצילינדרים קונצנטריים המונחים סביב מרכז חלול משותף, כלומר שני צילינדרים חלולים או יותר המונחים זה בזה.

צינורות מרובי קירות מורכבים משני צילינדרים או יותר זה בזה. אריק ויזר. מקור: Wikimedia Commons.

תמונה אמיתית של צינור צינור פחמן רב-קירות המתקבל במיקרוסקופ אלקטרונים. אוקסיראן. מקור: Wikimedia Commons.

סיווג לפי צורת המתפתל

בהתאם לאופן התגלגלת גיליון הגרפן, התבנית שנוצרה על ידי המשושים ב- CNTs יכולה להיות: בצורת כיסא, בצורת זיגזג, וסליל או כיראלי. וזה משפיע על תכונותיו.

תמונה אמיתית של צינור פחמן כיראלי או סלילי. תנר ילדרים (המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה - NIST). מקור: Wikimedia Commons.

תכונות גשמיות

צינורות פחמן מוצקים. הם נפגשים ויוצרים זרי פרחים, צרורות, צרורות או "מיתרים" של כמה עשרות צינורות, המסתבכים זה לזה ליצירת רשת צפופה ומסובכת מאוד.

תמונה אמיתית של צינורות פחמן המתקבלים במיקרוסקופ אלקטרונים. ניתן לראות כי הם יוצרים צרורות המסתבכים זה עם זה. מדעני חומרים בוויקיפדיה האנגלית. מקור: Wikimedia Commons.

יש להם חוזק מתיחה גדול יותר מזה של פלדה. המשמעות היא שיש להם עמידות גבוהה לשבירה כאשר הם נתונים למתח. בתיאוריה הם יכולים להיות חזקים מאות פעמים מפלדה.

הם אלסטיים מאוד, הם יכולים להיות כפופים, מפותלים ומקופלים ללא נזק ואז חוזרים לצורתם הראשונית. הם קלילים מאוד.

הם מוליכים טובים של חום וחשמל. אומרים שיש להם התנהגות אלקטרונית מאוד מגוונת או שהם בעלי מוליכות אלקטרונית גבוהה.

צינורות ה- CNT המשושים שלהם מסודרים בצורת כסא הם בעלי התנהגות מטאלית או דומה לזו של מתכות.

אלו המסודרים בתבנית זיגזג ודוגמת סליל יכולים להיות מתכתיים ומוליכים למחצה.

תכונות כימיות

בשל עוצמת הקשרים בין אטומי הפחמן שלהם, CNTs יכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות מאוד (750 מעלות צלזיוס בלחץ אטמוספרי וכ- 2800 מעלות צלזיוס תחת ואקום).

קצות הננו-צינורות מגיבים כימית יותר מהחלק הגלילי. אם הם נתונים לחמצון, תחילה מתחמצן הקצוות. אם הצינורות סגורים הקצוות נפתחים.

כאשר מטופלים עם חומצה חנקתית HNO ₃ או חומצה גופרתית H ₂ SO ₄ בתנאים מסוימים CNTs יכול ליצור קבוצות קרבוקסיליות-סוג -COOH או קבוצות מסוג quinone O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNTs בקטרים ​​קטנים יותר מגיבים יותר. צינורות פחמן יכולים להכיל אטומים או מולקולות של מינים אחרים בתעלותיהם הפנימיות.

מְסִיסוּת

בשל העובדה של- CNTs אין קבוצה פונקציונלית על פני השטח שלהם, היא מאוד הידרופובית, כלומר, היא תואמת בצורה גרועה ביותר למים ואינה מסיסה בה או בממסים אורגניים לא קוטביים.

עם זאת, אם הם מגיבים עם כמה תרכובות, ה- CNTs יכולים להיות מסיסים. לדוגמא עם חומצה חנקתית ניתן להמיס HNO ₃ בכמיסים מסוג אמיד בתנאים מסוימים.

תכונות ביוכימיות

צינורות פחמן טהורים הם בינו-תואמים, כלומר הם אינם תואמים או קשורים לחיים או רקמות חיות. הם מייצרים תגובה חיסונית מהגוף, מכיוון שהם נחשבים לאלמנטים אגרסיביים.

מסיבה זו, מדענים משנים אותם באופן כימי באופן שהם מתקבלים על ידי רקמות הגוף וניתנים לשימוש ביישומים רפואיים.

הם יכולים לקיים אינטראקציה עם מקרומולקולות כמו חלבונים ו- DNA, שהוא החלבון המרכיב את הגנים של יצורים חיים.

להשיג

צינורות פחמן מיוצרים מגרפיט על ידי טכניקות שונות כגון אידוי דופק לייזר, פריקת קשת חשמלית ותמצית אדים כימית.

הם גם הושגו מזרם לחץ גבוה של פחמן חד חמצני (CO) על ידי צמיחה קטליטית בשלב הגז.

נוכחותם של זרזים מתכתיים בשיטות ייצור מסוימות מסייעת ליישור הננו-צינורות המרובי קירות.

עם זאת, צינור צינור פחמן אינו מולקולה שתמיד מתגלה כאותה. על פי שיטת ההכנה והתנאים הם מתקבלים באורך שונה, קוטר, מבנה, משקל וכתוצאה מכך הם מציגים תכונות שונות.

יישומים של צינורות פחמן

תכונות ה- CNT הופכות אותם למתאימים למגוון רחב של שימושים.

הם שימשו בחומרים מבניים לאלקטרוניקה, אופטיקה, פלסטיקה ומוצרים אחרים בתחומי הננו-טכנולוגיה, תעשיית התעופה והחלל, וייצור כלי רכב.

צינורות פחמן יש שימושים רבים ושונים. זו תמונה אמיתית של צינורות פחמן המתקבלים במיקרוסקופ אלקטרונים. אילמר קינק. מקור: Wikimedia Commons.

קומפוזיציות או תערובות של חומרים עם CNT

CNTs שולבו עם פולימרים לייצור סיבי פולימר מחוזקים וביצועים גבוהים. לדוגמא הם שימשו לחיזוק סיבי פוליאקרילוניטריל למטרות הגנה.

ניתן גם לתכנן תערובות של CNTs עם פולימרים כדי שיהיו להם תכונות מוליכות חשמליות שונות. הם משפרים לא רק את חוזק וקשיחות הפולימר אלא גם מוסיפים תכונות של מוליכות חשמלית.

סיבי ובדים של CNT מיוצרים גם בעוצמות הדומות לאלומיניום ופלדת פחמן, אך קלים בהרבה מאלו. שריון גוף תוכנן בסיבים כאלה.

הם שימשו גם להשגת קרמיקה עמידה יותר.

מכשירי אלקטרוניקה

לצינורות פחמן יש פוטנציאל גדול בתחום האלקטרוניקה בוואקום, מכשירי ננו ואחסון אנרגיה.

מכשירי CNT יכולים לתפקד כדיודות, טרנזיסטורים וממסרים (מכשירים אלקטרומגנטיים המאפשרים פתיחה וסגירה של מעגלים חשמליים).

הם יכולים לפלוט אלקטרונים גם כאשר הם נתונים לשדה חשמלי או אם מופעל מתח.

חיישני גז

השימוש ב- CNTs בחיישני גז מאפשר אלה להיות קטנים, קומפקטיים וקלים וניתן לשלב אותם עם יישומים אלקטרוניים.

התצורה האלקטרונית של CNTs הופכת את החיישנים לרגישים מאוד לכמויות גזים קטנות במיוחד, ובנוסף, ניתן להתאים את ה- CNT כימית לגילוי גזים ספציפיים.

יישומים רפואיים

בשל שטח הפנים הגבוה שלהם, יציבות כימית מעולה ומבנה פוליארומטי עשיר באלקטרונים יכולים לספוג או לצרף מגוון רחב של מולקולות טיפוליות, כמו תרופות, חלבונים, נוגדנים, אנזימים, חיסונים וכו '.

הם הוכיחו כי הם כלי רכב מצויינים למסירה ומסירה של תרופות, וחודרים ישירות לתאים ושומרים על התרופה על כנה במהלך הובלתה בגוף.

האחרון מאפשר להפחית את מינון התרופה ואת רעילותו, במיוחד תרופות נגד סרטן.

ניתוחים ל- CNT הוכחו כמועילים בטיפול נגד סרטן, זיהומים, התחדשות רקמות, מחלות ניווניות, וכנוגדי חמצון.

הם משמשים גם באבחון מחלות, בניתוחים מסוימים, כמו חיישנים ביולוגיים, הפרדת תרופות והפקת תרכובות ביוכימיות.

הם משמשים גם בתותבות אורתופדיות וכחומר תמיכה לצמיחת רקמת העצם.

אפליקציות אחרות

הם הוצעו גם כחומרים לממברנות תא סוללה ותאי דלק, אנודות לסוללות ליתיום-יון, צבי-על ומסננים כימיים.

המוליכות החשמלית הגבוהה שלהם ואינטרטיות כימית יחסית הופכים אותם לשימוש כאלקטרודות בתגובות אלקטרוכימיות.

הם יכולים גם לדבוק בחלקיקים המגיבים ובשל שטח הפנים הגדול שלהם הם יכולים לתפקד כתומכי זרז.

יש להם גם יכולת לאגור מימן, שימושי מאוד בכלי רכב המפעילים גז דלק, מכיוון שעם CNT ניתן היה להעביר אותו בבטחה.

רעילות של צינורות פחמן

מחקרים גילו קשיים בהערכת הרעילות של CNTs. נראה כי הדבר תלוי במאפיינים כמו אורך, נוקשות, ריכוז ומשך החשיפה ל- CNT. זה תלוי גם בשיטת הייצור וטהרת ה- CNTs.

עם זאת, מומלץ להשתמש בציוד מגן בעת ​​טיפול ב- CNT שכן ישנם מחקרים המצביעים על הדמיון שלהם לסיבי אסבסט וכי שאיפת אבק CNT עלולה לגרום נזק לריאות.

טכנאי במשקל דגימות של צינורות פחמן. אתה יכול לראות את כלי ההגנה שבהם הוא משתמש. המכון הלאומי לבטיחות ובריאות תעסוקתית בארה"ב. מקור: Wikimedia Commons.

תמונה אמיתית של איך צינור פחמן עובר בתא בריאה. רוברט ר. מרסר, אן פ. האבס, ג'יימס פ. סקבילוני, לייינג וואנג, לורי א. בטלי, דיאן שווגלר-ברי, וינסנט קסטרנובה ודייל וו. פורטר / NIOSH. מקור: Wikimedia Commons.

הפניות

1. באסו-דוט, ש 'ואח'. (2012). כימיה של צינורות פחמן לכולם. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. התאושש מ- pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. ו- Kuznetsov, VL (עורכים). (2006). למי יש לתת את הקרדיט לגילוי צינורות פחמן? פחמן 44 (2006) 1621-1623. התאושש מ- sciencedirect.com.
3. אטמדי, א 'ואח'. (2014). צינורות פחמן: תכונות, סינתזה, טיהור ויישומים רפואיים. מכתבי מחקר ננומטרי 2014, 9: 393. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.
4. סג'יד, מישיגן ואח '. (2016) צינורות פחמן מסינתזה ליישומים ביו-רפואיים in vivo. כתב העת הבינלאומי לרוקחות 501 (2016) 278-299. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.
5. אג'איאן, ראש הממשלה (1999). צינורות צינור מפחמן. Chem. 1999, 99, 1787-1799. התאושש מ- pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). כימיה של צינורות פחמן חד-קיריים. תא"ל כימ"ש 2002, 35, 1105-1113. התאושש מ- pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). סינתזה של צינורות פחמן. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.
8. גרוברט, נ '(2007). צינורות פחמן - הופכים לנקיים. Materialstoday כרך 10, גליונות 1-2, עמודים 28-35. התאושש מ- reader.elsevier.com.
9. הוא, ח 'ואח'. (2013). צינורות פחמן: יישומים ברוקחות ורפואה. ביומ משמורת ביוס 2013; 2013: 578290. התאושש מ- ncbi.nlm.nih.gov.
10. פרנסיס, איי.פי. ודבסנה, ט (2018). רעילות של צינורות פחמן: סקירה. טוקסיקולוגיה ובריאות תעשייתית (2018) 34, 3. התאושש מכתבי עת.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). גיאומטריה של צינורות פחמן ומנגנונים של פגוציטוזיס והשפעות רעילות. טוקסיקול לט 2017, 273: 69-85. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.