Struktur Nanotube Karbon, Properti, Aplikasi, Toksisitas

Itu Nanotube Karbon Mereka adalah silinder atau silinder yang sangat kecil dan sangat tipis yang hanya dibentuk oleh atom karbon (C). Struktur tubularnya hanya terlihat melalui mikroskop elektronik. Ini adalah bahan hitam solid, dibentuk oleh bundel atau sangat kecil dari beberapa puluhan nanotube, bersatu bersama membentuk jaringan yang rumit.

Awalan "nano" berarti "sangat kecil". Kata "nano" yang digunakan dalam pengukuran berarti bahwa itu adalah bagian millmillon dari suatu ukuran. Misalnya, nanometer (nm) adalah bagian millmillon dari satu meter, yaitu, 1 nm = 10^-9 M.

Sampel karbon nanotube. Dapat dilihat bahwa itu adalah padatan hitam yang terlihat hitam. Shaddack [cc by-s (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Setiap karbon nanotube kecil terdiri dari satu atau lebih lembar grafit yang digulung sendiri. Mereka diklasifikasikan ke dalam nanotube dinding sederhana (lamina gulung tunggal) dan beberapa nanotube dinding (dua atau lebih silinder satu di dalam yang lain).

Nanotube karbon sangat kuat, memiliki ketahanan tinggi untuk pecah dan sangat fleksibel. Mereka melakukan panas dan listrik dengan sangat baik. Mereka juga merupakan bahan yang sangat ringan.

Properti ini membuatnya berguna di beberapa bidang aplikasi, seperti industri otomotif, kedirgantaraan, elektronik, antara lain. Mereka juga telah digunakan dalam kedokteran, misalnya untuk mengangkut dan melepaskan obat terhadap kanker, vaksin, protein, dll.

Namun, manipulasi harus dilakukan dengan peralatan perlindungan karena mereka dihirup dapat menyebabkan kerusakan pada paru -paru.

[TOC]

Penemuan karbon nanotube

Ada berbagai pendapat dalam komunitas ilmiah tentang siapa yang menemukan karbon nanotube. Meskipun ada banyak pekerjaan penelitian tentang bahan -bahan ini, hanya beberapa tanggal penting yang disebutkan di bawah ini.

- Pada tahun 1903, ilmuwan Prancis Pélado mengamati filamen karbon dalam sampel (untuk tanggal ini mikroskop elektronik belum tersedia).

- Pada tahun 1950, fisikawan Roger Bacon, dari Union Carbide Company, sedang mempelajari sampel serat karbon tertentu dan mengamati gambar nanopelus atau nanobigote (terjemahan bahasa Inggris Nanowhiskers) Lurus dan ketagihan.

- Pada tahun 1952, para ilmuwan Rusia Radushkevich dan Lukyanovich memposting foto karbon nanotube yang disintesis sendiri dan diperoleh dengan mikroskop elektronik, di mana mereka jelas diamati bahwa mereka adalah lubang.

- Pada tahun 1973, para ilmuwan Rusia Bochvar dan Gal'pern menyelesaikan serangkaian perhitungan tingkat energi orbital molekuler yang menunjukkan bahwa lembaran grafit dapat melengkung pada diri mereka sendiri membentuk "molekul berlubang".

- Pada tahun 1976, Morinobu Endo mengamati serat karbon dengan pusat Ahuecado yang diproduksi oleh pirolisis benzena dan ferrosen pada 1000 ° C (pirolisis adalah jenis dekomposisi yang terjadi dengan pemanasan pada suhu yang sangat tinggi tanpa adanya oksigen).

- Pada tahun 1991, antusiasme dikeluarkan untuk karbon nanotube setelah sUIMIO IJIMA mensintesis jarum karbon yang dibuat dengan tabung berongga melalui teknik busur listrik.

- Pada tahun 1993, Sumio Iijima dan Donald Bethune (bekerja secara independen satu sama lain) secara bersamaan menemukan nanotube karbon sederhana.

Interpretasi beberapa sumber berkonsultasi

Menurut beberapa sumber informasi, manfaat penemuan karbon nanotube untuk para ilmuwan Rusia Radushkevich dan Lukyanovich pada tahun 1952 pada tahun 1952.

Diperkirakan bahwa mereka tidak diberi pujian yang layak karena pada saat itu ada "Perang Dingin" yang sangat -dan para ilmuwan Barat tidak memiliki akses ke artikel Rusia. Selain itu, tidak banyak yang tahu bagaimana menerjemahkan dari Rusia, yang lebih lanjut menunda bahwa penelitian mereka dapat dianalisis di luar negeri.

Dapat melayani Anda: karbon anomer: apa itu, karakteristik, contoh

Dalam banyak artikel dikatakan bahwa iijima adalah orang yang menemukan karbon nanotube pada tahun 1991. Namun, para peneliti tertentu memperkirakan bahwa dampak pekerjaan iijima adalah karena fakta bahwa sains telah mencapai tingkat kematangan yang cukup untuk menghargai pentingnya bahan nano.

Ada orang -orang yang menegaskan bahwa dalam beberapa dekade fisik para fisikawan umumnya tidak membaca majalah kimia, di mana karbon nanotube sudah dibahas, dan bahwa karena alasan ini mereka "terkejut" dengan artikel oleh Iijima.

Tetapi semua ini tidak mengurangi kualitas tinggi pekerjaan iijima pada tahun 1991. Dan perbedaan pendapat dipertahankan.

Tata nama

- Karbon nanotube, atau CNT (akronim untuk bahasa Inggris Nanotube Karbon).

- Nanotube karbon dinding sederhana, atau swcns (akronim Inggris Nanotube karbon berdinding tunggal).

- Beberapa nanotube karbon dinding, atau MWCNS (akronim Inggris Nanotube karbon multi-berdinding).

Struktur

Struktur fisik

Karbon nanotube sangat tipis dan tabung kecil atau silinder yang strukturnya hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektronik. Mereka terdiri dari selembar grafit (graphene) yang digulung dalam berbentuk tabung.

Karbon nanotubus adalah lembaran grafit atau graphene yang digulung: (a) Lembar grafit teoretis, (b) Gambar teoretis lamina nanotubo yang digulung atau karbon. Opentax [cc by (https: // createveCommons.Org/lisensi/oleh/4.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka adalah molekul silinder ahuecaded yang hanya terdiri dari atom karbon. Atom karbon diatur dalam bentuk segi enam kecil (poligon 6 -sided) mirip dengan benzena dan bersatu satu sama lain (cincin benternic terkondensasi).

Menggambar karbon nanotube di mana segi enam kecil dari 6 atom karbon dapat diamati. Pengguna: GMDM [CC BYS-S (http: // CreateVecommons.Org/lisensi/by-sa/3.0/]]. Sumber: Wikimedia Commons.

Tabung mungkin atau mungkin tidak ditutupi dalam bukaannya dan bisa sangat lama jika dibandingkan dengan diameternya. Mereka setara dengan lembaran grafit (graphene) yang digulung dalam tabung mulus.

Struktur kimia

CNT adalah struktur polylaromatik. Tautan antara atom karbon adalah kovalen (yaitu, mereka bukan ionik). Tautan ini berada dalam bidang yang sama dan sangat kuat.

Kekuatan tautan C = C membuat CNT sangat kaku dan tahan. Dengan kata lain, dinding tabung ini sangat kuat.

Serikat pekerja di luar pesawat sangat lemah, yang berarti bahwa tidak ada serikat pekerja yang kuat antara satu tabung dan lainnya. Namun, mereka adalah kekuatan tarik yang memungkinkan pembentukan tandan atau nanotube.

Klasifikasi sesuai dengan jumlah tabung

Karbon nanotube dibagi menjadi dua kelompok: nanotube dinding sederhana, atau swcnt (akronim untuk bahasa Inggris Nanotube karbon dinding tunggal), Dan beberapa nanotube dinding, atau mwcnt (akronim untuk bahasa Inggris Nanotube karbon multi-dinding).

Jenis Nanotube: (1) Gambar nyata dari beberapa dinding nanotubus, (2) gambar nanotube dinding sederhana, (3) gambar grafit atau graphene lembaran. W2raphael [cc by-sa (http: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0/]]. Sumber: Wikimedia Commons.

Nanotube karbon dinding sederhana (SWCNT) terdiri dari satu lembar graphene yang digulung membentuk silinder, di mana simpul segi enam pas dengan sempurna untuk membentuk tabung tanpa jahitan.

Beberapa dinding karbon nanotube (MWCNT) dibentuk oleh silinder konsentris yang ditempatkan di sekitar pusat berongga umum, yaitu dua atau lebih silinder berongga yang ditempatkan di dalamnya.

Beberapa nanotube dinding dibentuk oleh dua atau lebih silinder satu di dalam yang lain. Eric Wieer [CC BYS-S (https: // CreativeCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.Gambar nyata dari beberapa dinding karbon nanotube yang diperoleh dengan mikroskop elektronik. Oxirane [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/lisensi/by-sa/4.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Klasifikasi Menurut bentuk bergulir

Bergantung pada cara di mana lembaran graphene terdaftar, desain yang dibentuk segi enam di CNT dapat: dalam bentuk kursi, dalam bentuk zigzag dan dalam bentuk heliks atau kiral. Dan ini memengaruhi propertinya.

Dapat melayani Anda: aturan hume-rotheryCitra nyata karbon heliks nanotubus atau kiral. Terer Yildirim (Institut Nasional Standar dan Teknologi - NIST) [Domain Publik]. Sumber: Wikimedia Commons.

Properti fisik

Karbon nanotube padat. Mereka berkumpul untuk membentuk karangan bunga, balok, tandan atau "string" dari beberapa lusinan nanotube, saling terhalang membentuk jaringan yang sangat padat dan rumit.

Gambar nyata karbon nanotube yang diperoleh dengan mikroskop elektronik. Dapat dilihat bahwa mereka membentuk tandan yang terjerat satu sama lain. MaterialScienst di Wikipedia Inggris [CC BYS-S (https: // CreateVecommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka memiliki kekuatan tegangan yang lebih besar dari baja. Ini berarti bahwa mereka memiliki resistensi tinggi untuk istirahat ketika mereka mengalami ketegangan. Secara teori mereka bisa seratus kali lebih kuat dari baja.

Mereka sangat elastis, mereka dapat menekuk, memutar dan melipat tanpa merusak dan kemudian kembali ke bentuk awal mereka. Mereka sangat ringan.

Mereka adalah pendorong panas dan listrik yang baik. Dikatakan bahwa mereka memiliki perilaku elektronik yang sangat fleksibel atau bahwa mereka memiliki konduktivitas elektronik yang tinggi.

Tabung CNT yang heksagonnya disusun dalam bentuk kursi berlengan memiliki perilaku logam yang mirip dengan logam.

Yang diatur dalam zig -zag dan helikoid bisa menjadi logam dan semikonduktor.

Sifat kimia

Karena gaya ikatan antara atom karbonnya, CNT dapat menahan suhu yang sangat tinggi (750 ° C pada tekanan atmosfer dan 2800 ° C pada ruang hampa).

Ujung nanotube secara kimia lebih reaktif daripada bagian silinder. Jika mereka menjalani oksidasi, ujungnya teroksidasi terlebih dahulu. Jika tabung ditutup, ujungnya terbuka.

Saat dirawat dengan asam nitrat HNO₃ o h asam sulfat₂Sw₄ Dalam kondisi tertentu CNT dapat membentuk kelompok karboksilat -COAH atau quinone atau = C -C₄H₄-C = O.

CNT dengan diameter minor lebih reaktif. Nanotube karbon dapat mengandung atom atau molekul spesies lain di saluran internalnya.

Kelarutan

Karena fakta bahwa CNT tidak memiliki kelompok fungsional di permukaannya, ini sangat hidrofobik, yaitu, sangat sedikit kompatibel dengan air dan tidak larut dalam pelarut organik non -polar ini atau tidak.

Namun, jika mereka bereaksi dengan beberapa senyawa, CNT dapat larut. Misalnya dengan asam nitrat HNO₃ Mereka dapat dilarutkan dalam beberapa pelarut amida dalam kondisi tertentu.

Sifat biokimia

Nanotube karbon murni adalah bioyouch, yang berarti bahwa mereka tidak kompatibel atau terkait dengan kehidupan atau jaringan hidup. Mereka menghasilkan respons imun dari organisme, karena mereka dianggap elemen agresif.

Untuk alasan ini, para ilmuwan memodifikasinya secara kimia sehingga mereka diterima oleh kain tubuh dan dapat digunakan dalam aplikasi medis.

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

Memperoleh

Nanotube karbon diperoleh berdasarkan grafit melalui berbagai teknik seperti penguapan oleh pulsa laser, pelepasan busur listrik dan deposisi uap kimia.

Mereka juga telah diperoleh dari arus tinggi karbon monoksida tinggi (CO) dengan pertumbuhan katalitik dalam fase gas.

Kehadiran katalis logam dalam beberapa metode memperoleh membantu penyelarasan beberapa nanotube dinding.

Namun, karbon nanotube bukanlah molekul yang selalu sama. Menurut metode persiapan dan kondisi diperoleh dengan panjang yang berbeda, diameter, struktur, berat, dan sebagai hasilnya mereka menyajikan sifat yang berbeda.

Dapat melayani Anda: mikroskop sederhana

Aplikasi karbon nanotube

Sifat -sifat CNT membuatnya cocok untuk berbagai kegunaan.

Mereka telah digunakan dalam bahan struktural untuk elektronik, optik, plastik dan produk lainnya di bidang nanoteknologi, industri dirgantara dan produksi otomotif.

Karbon nanotube memiliki kegunaan yang sangat beragam. Ini adalah gambar nyata karbon nanotube yang diperoleh dengan mikroskop elektronik. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]. Sumber: Wikimedia Commons.

Komposisi atau campuran bahan dengan CNT

CNT telah dikombinasikan dengan polimer untuk membuat serat dan kain polimer yang diperkuat untuk kinerja tinggi. Misalnya telah digunakan untuk memperkuat serat poliakrilonitril untuk tujuan pertahanan.

Campuran CNT dengan polimer juga dapat dirancang untuk memiliki sifat penggerak listrik yang berbeda. Mereka meningkatkan tidak hanya kekuatan dan kekakuan polimer tetapi juga menambah sifat konduktivitas listrik.

Serat dan kain CNT juga diproduksi dengan resistensi yang mirip dengan aluminium dan baja karbon, tetapi itu jauh lebih ringan dari ini. Dengan serat seperti itu, baju besi tubuh telah dirancang.

Mereka juga telah digunakan untuk mendapatkan keramik yang lebih tahan.

Perangkat elektronik

Karbon nanotube memiliki potensi besar dalam elektronik vakum, penyimpanan nanodispositif dan energi.

CNT dapat berfungsi sebagai dioda, transistor dan relay (perangkat elektromagnetik yang memungkinkan untuk membuka dan menutup sirkuit listrik).

Mereka juga dapat memancarkan elektron saat mengalami medan listrik atau jika tegangan diterapkan.

Sensor gas

Penggunaan CNT dalam sensor gas memungkinkan mereka menjadi kecil, kompak dan ringan dan yang dapat dikombinasikan dengan aplikasi elektronik.

Konfigurasi elektronik CNT membuat sensor sangat sensitif terhadap jumlah gas yang sangat kecil dan, di samping itu, CNT dapat disesuaikan secara kimia untuk mendeteksi gas tertentu.

Aplikasi medis

Karena luas permukaannya yang tinggi, stabilitas kimia yang sangat baik dan struktur polilaromatik yang kaya elektron CNT dapat menyerap atau bergabung dengan berbagai macam molekul terapeutik, seperti obat, protein, antibodi, enzim, vaksin, dll.

Mereka telah terbukti menjadi kendaraan yang sangat baik untuk transportasi dan pelepasan obat -obatan, langsung menembus sel dan menjaga obat tetap utuh selama transportasi mereka oleh tubuh.

Yang terakhir memungkinkan untuk mengurangi dosis obat dan toksisitasnya, terutama obat anti -kanker.

CNT telah berguna dalam terapi kanker, infeksi, regenerasi jaringan, penyakit neurodegeneratif dan sebagai antioksidan.

Mereka juga digunakan dalam diagnosis penyakit, dalam analisis tertentu, seperti biosensor, pemisahan obat dan ekstraksi senyawa biokimia.

Mereka juga digunakan dalam prostesis ortopedi dan sebagai bahan pendukung untuk pertumbuhan jaringan tulang.

Aplikasi lain

Penggunaannya juga telah disarankan sebagai bahan untuk baterai dan membran sel bahan bakar, baterai lithium -ion, supercander dan filter kimia.

Konduktivitas listrik dan relatifnya yang tinggi menjadikannya berguna sebagai elektroda dalam reaksi elektrokimia.

Mereka juga dapat mematuhi partikel reaktan dan untuk area superfisial besar mereka dapat berfungsi sebagai pendukung katalis.

Mereka juga memiliki kapasitas untuk menyimpan hidrogen, yang menemukan utilitas hebat dalam kendaraan yang bekerja dengan gas ini, karena dengan CNT itu dapat diangkut dengan aman.

Karbon nanotube toksisitas

Studi telah mengungkapkan kesulitan untuk mengevaluasi toksisitas CNT. Ini tampaknya tergantung pada karakteristik seperti panjang, kekakuan, konsentrasi dan durasi paparan CNT. Itu juga tergantung pada metode produksi dan kemurnian CNT.

Namun, disarankan untuk menggunakan peralatan perlindungan selama manipulasi CNT karena ada penelitian yang menunjukkan kesamaannya dengan serat asbes dan bahwa inhalasi debu SSP dapat menyebabkan kerusakan pada paru -paru.

Teknisi menimbang sampel nanotube karbon. Perlindungan implement yang Anda gunakan dapat diamati. ATAU.S. Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja [Domain Publik]. Sumber: Wikimedia Commons.Gambar nyata tentang bagaimana karbon nanotube melintasi sel 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 [domain publik]. Sumber: Wikimedia Commons.

Referensi

1. Basu-Dutt, s. et al. (2012). Kimia karbon nanotube untuk semua orang. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Pulih dari pub.ACS.org.
2. Bulan, m. dan Kuznetsov, v.L. (Editor). (2006). Siapa yang harus diberikan kredit untuk penemuan nanotib karbon? Karbon 44 (2006) 1621-1623. Pulih dari scientedirect.com.
3. Eatemadi, a. et al. (2014). Nanotube Karbon: Properti, Sintesis, Pemurnian, dan Aplikasi Medis. Surat Penelitian Nanoscale 2014, 9: 393. NCBI pulih.Nlm.Nih.Pemerintah.
4. Saxid, m.yo. et al. (2016) karbon nanotube dari sintesis ke In vivo Aplikasi Biomedis. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. NCBI pulih.Nlm.Nih.Pemerintah.
5. Ajayan, hlm.M. (1999). Nanotube dari karbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Pulih dari pub.ACS.org.
6. Niyogi, s. et al. (2002). Kimia Nanotube Karbon Dinding Tunggal. ACC. Chem. Daging sapi. 2002, 35, 1105-1113. Pulih dari pub.ACS.org.
7. Awashi, k. et al. (2005). Sintesis karbon nanotube. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. NCBI pulih.Nlm.Nih.Pemerintah.
8. Grobert, n. (2007). Karbon nanotube - menjadi bersih. Volume MaterialStoday 10, Masalah 1-2, Halaman 28-35. Pulih dari pembaca.Elsevier.com.
9. Dia, h. et al. (2013). Nanotube Karbon: Aplikasi di Farmasi dan Kedokteran. Biomed res int. 2013; 2013: 578290. NCBI pulih.Nlm.Nih.Pemerintah.
10. Francis, a.P. dan Devase, t. (2018). Toksisitas karbon nanotube: ulasan. Toksikologi dan Kesehatan Industri (2018) 34, 3. Pulih dari jurnal.Sagepub.com.
11. Harik, v. M. (2017). Geometri karbon nanotube dan mekanisme fagositosis dan efek toksik. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. NCBI pulih.Nlm.Nih.Pemerintah.