Nanotubos de carbono Estrutura, propriedades, aplicações, toxicidade

O Nanotubos de carbono São cilindros ou cilindros muito pequenos e muito finos formados apenas por átomos de carbono (C). Sua estrutura tubular é visível apenas através de microscópios eletrônicos. É um material preto sólido, formado por feixes ou muito pequeno de várias dezenas de nanotubos, emaranhados formando uma rede complicada.

O prefixo "nano" significa "muito pequeno". A palavra "nano" usada na medição significa que é a parte da Millmillonse de uma medida. Por exemplo, um nanômetro (nm) é a parte da Millmillonese de um metro, ou seja, 1 nm = 10^-9 m.

Amostra de nanotubos de carbono. Pode -se observar que é um sólido preto de aparência negra. Shaddack [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Cada nanotubo de carbono minúsculo é composto por uma ou mais folhas de grafite roladas em si mesmas. Eles são classificados em nanotubos de parede simples (uma única lâmina laminada) e vários nanotubos de parede (dois ou mais cilindros, um dentro do outro).

Os nanotubos de carbono são muito fortes, têm uma alta resistência à quebra e são muito flexíveis. Eles conduzem calor e eletricidade muito bem. Eles também compõem um material muito leve.

Essas propriedades os tornam úteis em vários campos de aplicação, como a indústria automotiva, aeroespacial e eletrônica, entre outros. Eles também foram usados ​​em medicina, por exemplo, para transportar e liberar medicamentos contra câncer, vacinas, proteínas etc.

No entanto, sua manipulação deve ser feita com equipamentos de proteção, porque eles são inalados podem causar danos aos pulmões.

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Descoberta de nanotubos de carbono

Existem opiniões diferentes na comunidade científica sobre quem descobriu nanotubos de carbono. Embora existam muitos trabalhos de pesquisa sobre esses materiais, apenas algumas datas importantes são mencionadas abaixo.

- Em 1903, o cientista francês de Pélado observou filamentos de carbono em uma amostra (para esta data de microscópios eletrônicos ainda não estavam disponíveis).

- Em 1950, o físico Roger Bacon, da Union Carbide Company, estava estudando certas amostras de fibras de carbono e imagens observadas de nanopeluses ou nanobigotes (tradução do inglês Nanowhiskers) Reto e viciado.

- Em 1952, os cientistas russos Radushkevich e Lukyanovich postaram fotos de nanotubos de carbono sintetizados por si mesmos e obtidos com um microscópio eletrônico, onde é claramente observado que são cavidades.

- Em 1973, os cientistas russos Bochvar e Gal'pern completaram uma série de cálculos dos níveis de energia dos orbitais moleculares demonstrando que as folhas de grafite podem se enrolar para se formar "moléculas ocas".

- Em 1976, Morinobu Endo observou fibras de carbono com um centro de ahuecado produzido pela pirólise do benzeno e ferroceno a 1000 ° C (a pirólise é um tipo de decomposição que ocorre com aquecimento a temperaturas muito altas na ausência de oxigênio).

- Em 1991, o entusiasmo foi desencadeado em relação aos nanotubos de carbono após as agulhas de carbono sintetizadas de Sumio IIJima feitas com tubos ocos através da técnica de arco elétrico.

- Em 1993, Sumio Iijima e Donald Bethune (trabalhando independentemente um do outro) descobriram simultaneamente os nanotubos de carbono simples.

Interpretações de algumas das fontes consultadas

De acordo com algumas fontes de informação, o mérito da descoberta de nanotubos de carbono para os cientistas russos Radushkevich e Lukyanovich em 1952 em 1952.

Pensa -se que eles não receberam o crédito merecido, porque naquela época havia a "Guerra Fria" e os cientistas ocidentais não tinham acesso a artigos russos. Além disso, muitos não sabiam como traduzir do russo, o que atrasou ainda mais que suas pesquisas poderiam ser analisadas no exterior.

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Em muitos artigos, diz -se que Iijima foi quem descobriu nanotubos de carbono em 1991. No entanto, certos pesquisadores estimam que o impacto do trabalho de Iijima se deve ao fato de que a ciência já havia alcançado um grau suficiente de maturidade para apreciar a importância dos nanomateriais.

Há quem afirma que nessas décadas os físicos geralmente não liam revistas de química, onde os nanotubos de carbono já foram discutidos, e que, por esse motivo, foram "surpresos" com o artigo de Iijima.

Mas tudo isso não reduz a alta qualidade do trabalho de Iijima em 1991. E a diferença de opinião é mantida.

Nomenclatura

- Nanotubos de carbono, ou CNTs (sigla para inglês Nanotubos de carbono).

- Nanotubos simples de carbono de parede, ou swcns (sigla em inglês Nanotubos de carbono de parede única).

- Nanotubos de carbono múltiplo de parede, ou MWCNs (sigla em inglês Nanotubos de carbono com paredes com várias paredes).

Estrutura

Estrutura física

Os nanotubos de carbono são tubos ou cilindros muito finos e pequenos cuja estrutura pode ser vista apenas com um microscópio eletrônico. Eles consistem em uma folha de grafite (grafeno) enrolada em tubo -em forma de.

Um nanotubus de carbono é uma folha de grafite ou grafeno laminada: (a) folha de grafite teórica, (b) imagem teórica da lâmina laminada ou de nanotubo de carbono ou carbono. OPENTAX [CC por (https: // criativeCommons.Org/licenças/por/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

São moléculas cilíndricas ahuecadas compostas apenas de átomos de carbono. Os átomos de carbono são dispostos na forma de pequenos hexágonos (polígonos com 6 anos) semelhantes ao benzeno e unidos (anéis bentenários condensados).

Desenho de um nanotubo de carbono onde pequenos hexágonos de 6 átomos de carbono podem ser observados. Usuário: GMDM [CC BY-S (http: // criativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]]. Fonte: Wikimedia Commons.

Os tubos podem ou não ser cobertos em suas aberturas e podem ser extremamente longos quando comparados aos seus diâmetros. Eles são equivalentes a folhas de grafite (grafeno) enroladas em tubos sem costura.

Estrutura química

CNTs são estruturas polilaromáticas. Os vínculos entre os átomos de carbono são covalentes (ou seja, eles não são iônicos). Esses links estão dentro do mesmo plano e são muito fortes.

A força dos links c = c torna os CNTs muito rígidos e resistentes. Em outras palavras, as paredes desses tubos são muito fortes.

Os sindicatos fora do avião são muito fracos, o que significa que não há sindicatos fortes entre um tubo e outro. No entanto, são forças de atração que permitem a formação de cachos ou nanotubos.

Classificação de acordo com o número de tubos

Nanotubos de carbono são divididos em dois grupos: nanotubos de parede simples, ou swcnt (sigla para inglês Nanotubo de carbono de parede única) E vários nanotubos de parede, ou mwcnt (sigla para inglês Nanotubo de carbono de paredes múltiplas).

Tipos de nanotubos: (1) Imagem real de vários nanotubus de parede, (2) desenho simples de nanotubos de parede, (3) desenho de folha de grafite ou grafeno. W2RAPHAEL [CC BY-SA (http: // criativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]]. Fonte: Wikimedia Commons.

Os nanotubos simples de carbono de parede (SWCNT) são compostos por uma única folha de grafeno laminado formando um cilindro, onde os vértices de hexágonos se encaixam perfeitamente para formar um tubo sem costura.

Os nanotubos de carbono múltiplo de parede (MWCNT) são formados por cilindros concêntricos colocados em torno de um centro oco comum, ou seja, dois ou mais cilindros ocos colocados dentro um do outro.

Vários nanotubos de parede são formados por dois ou mais cilindros, um dentro do outro. Eric Wieer [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.Imagem real de um nanotubo de carbono de parede múltipla obtido com um microscópio eletrônico. Oxirano [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Classificação de acordo com a forma de rolamento

Dependendo da maneira pela qual a folha de grafeno é inscrita, o design que os hexágonos se formam nos CNTs pode ser: na forma de uma poltrona, na forma de um zigue -zague e em forma helicoidal ou quiral. E isso influencia suas propriedades.

Pode atendê-lo: regras Hume-RotheryImagem real de nanotubus de carbono helicoidal ou quiral. Terer Yildirim (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia - NIST) [Domínio Público]. Fonte: Wikimedia Commons.

Propriedades físicas

Nanotubos de carbono são sólidos. Eles se reúnem para formar buquês, vigas, cachos ou "cordas" de várias dezenas de nanotubos, se impediram de formar uma rede muito densa e complicada.

Imagem real de nanotubos de carbono obtidos com um microscópio eletrônico. Pode -se ver que eles formam cachos que se enredam. MaterialScienst na Wikipedia inglesa [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Eles têm uma força de tensão maior que a do aço. Isso significa que eles têm uma alta resistência à quebra quando sofrem uma tensão. Em teoria, eles podem ser centenas de vezes mais fortes que o aço.

Eles são muito elásticos, podem dobrar, torcer e dobrar sem danificar e depois retornar à sua forma inicial. Eles são muito leves.

Eles são bons fatores de calor e eletricidade. Dizem que eles têm comportamento eletrônico muito versátil ou que têm alta condutividade eletrônica.

Tubos CNT cujos hexágonos são organizados na forma de uma poltrona têm comportamento de metal semelhante ao dos metais.

Os dispostos em zigue -zague e helicoidal podem ser metálicos e semicondutores.

Propriedades quimicas

Devido à força das ligações entre seus átomos de carbono, os CNTs podem suportar temperaturas muito altas (750 ° C à pressão atmosférica e 2800 ° C no vácuo).

Os finais de nanotubos são quimicamente mais reativos que a parte cilíndrica. Se eles sofrerem oxidação, as extremidades são oxidadas primeiro. Se os tubos estiverem fechados as pontas abertas.

Quando tratado com hno de ácido nítrico₃ O H Sulfúrico Ácido₂SW₄ Sob certas condições, os CNTs podem formar grupos carboxílicos -coah ou quinona ou = C -C₄H₄-C = O.

CNTs com diâmetros menores são mais reativos. Nanotubos de carbono podem conter átomos ou moléculas de outras espécies em seus canais internos.

Solubilidade

Devido ao fato de que os CNTs não têm nenhum grupo funcional em sua superfície, isso é muito hidrofóbico, ou seja, é extremamente pouco compatível com a água e não é solúvel neste ou em solventes orgânicos não polares.

No entanto, se eles forem reagidos com alguns compostos, os CNTs podem ser solúveis. Por exemplo com hno de ácido nítrico₃ Eles podem ser solubilizados em alguns solventes amida sob certas condições.

Propriedades bioquímicas

Nanotubos de carbono puro são bioyouch, o que significa que eles não são compatíveis ou relacionados à vida ou tecidos vivos. Eles geram uma resposta imune do organismo, pois são considerados elementos agressivos.

Por esse motivo, os cientistas os modificam quimicamente para que sejam aceitos pelos tecidos do corpo e possam ser usados ​​em aplicações médicas.

Eles podem interagir com macromoléculas como proteínas e DNA, que é a proteína que forma os genes dos seres vivos.

Obtenção

Os nanotubos de carbono são obtidos com base na grafite através de várias técnicas, como vaporização por pulsos a laser, descarga de arco elétrico e deposição de vapor químico.

Eles também foram obtidos de uma corrente de alta altura de monóxido de carbono (CO) por crescimento catalítico em uma fase gasosa.

A presença de catalisadores de metal em alguns métodos de obtenção ajuda o alinhamento de vários nanotubos de parede.

No entanto, um nanotubo de carbono não é uma molécula que é sempre a mesma. De acordo com o método de preparação e condições, são obtidos com diferentes comprimentos, diâmetro, estrutura, peso e, como resultado, apresentam propriedades diferentes.

Pode atendê -lo: microscópio simples

Aplicações de nanotubos de carbono

As propriedades dos CNTs os tornam adequados para uma ampla variedade de usos.

Eles têm sido usados ​​em materiais estruturais para eletrônicos, ópticos, plásticos e outros produtos no campo da nanotecnologia, indústria aeroespacial e produção automotiva.

Nanotubos de carbono têm usos muito diversos. Esta é uma imagem real de nanotubos de carbono obtidos com um microscópio eletrônico. Ilmar Kink [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Composições ou misturas de materiais com CNTs

Os CNTs combinaram com polímeros para fazer fibras e pano de polímeros reforçados para alto desempenho. Por exemplo, foram usados ​​para reforçar as fibras de poliacrilonitrila para fins de defesa.

Misturas CNT com polímeros também podem ser projetadas para ter diferentes propriedades de condução de eletricidade. Eles melhoram não apenas a força e a rigidez do polímero, mas também adicionam propriedades da condutividade elétrica.

Fibras e tecidos de CNTs também são fabricados com resistências semelhantes às de alumínio e aço carbono, mas que são muito mais leves que estes. Com essas fibras, a armadura corporal foi projetada.

Eles também foram usados ​​para obter cerâmica mais resistente.

Dispositivos eletrônicos

Os nanotubos de carbono têm um grande potencial em eletrônicos a vácuo, nanodispositivo e armazenamento de energia.

Os CNTs podem funcionar como diodos, transistores e relés (dispositivos eletromagnéticos que permitem abrir e fechar circuitos elétricos).

Eles também podem emitir elétrons quando submetidos a um campo elétrico ou se uma tensão for aplicada.

Sensores de gás

O uso de CNTs em sensores de gás permite que eles sejam pequenos, compactos e leves e que podem ser combinados com aplicações eletrônicas.

A configuração eletrônica dos CNTs torna os sensores muito sensíveis a quantidades extremamente pequenas de gases e, além disso, os CNTs podem ser quimicamente adaptados para detectar gases específicos.

Aplicações médicas

Devido à sua alta área superficial, excelente estabilidade química e estrutura polilaromática rica em elétrons CNTs podem adsorver ou combinar com uma ampla variedade de moléculas terapêuticas, como medicamentos, proteínas, anticorpos, enzimas, vacinas, etc.

Eles provaram ser excelentes veículos para o transporte e liberação de drogas, penetrando diretamente nas células e mantendo a medicação intacta durante o transporte pelo corpo.

O último permite reduzir a dose de medicina e sua toxicidade, especialmente os medicamentos anti -câncer.

Os CNTs têm sido úteis em terapias contra o câncer, infecções, regeneração de tecidos, doenças neurodegenerativas e como antioxidantes.

Eles também são usados ​​no diagnóstico de doenças, em certas análises, como biossensores, separação de medicamentos e extração de compostos bioquímicos.

Eles também estão sendo usados ​​em próteses ortopédicas e como material de suporte para o crescimento do tecido ósseo.

Outros aplicativos

Seu uso também foi sugerido como materiais para baterias e membranas de células de combustível, baterias de lítio, supercanders e filtros químicos.

Sua alta condutividade elétrica e relativa os torna úteis como eletrodos em reações eletroquímicas.

Eles também podem aderir às partículas reagentes e por sua grande área superficial que podem funcionar como suportes de catalisador.

Eles também têm a capacidade de armazenar hidrogênio, que encontra uma grande utilidade em veículos que trabalham com esse gás, porque com os CNTs, ele pode ser transportado com segurança.

Toxicidade de nanotubos de carbono

Estudos revelaram dificuldades para avaliar a toxicidade dos CNTs. Isso parece depender de características como comprimento, rigidez, concentração e duração da exposição a CNTs. Também depende do método de produção e pureza dos CNTs.

No entanto, é recomendável usar o equipamento de proteção durante a manipulação da CNT, porque há estudos que indicam sua semelhança com as fibras de amianto e que a inalação de poeira do SNC pode causar danos aos pulmões.

Técnico pesando amostras de nanotubos de carbono. Os implementos de proteção que você usa podem ser observados. OU.S. Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional [Domínio Público]. Fonte: Wikimedia Commons.Imagem real de como um nanotubo de carbono cruza uma célula de um pulmão. Robert r. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. SCABILLONI, LIAY WANG, LORI A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova e Dale W. Porter / niosh [domínio público]. Fonte: Wikimedia Commons.

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