ỐNG NANO CACBON: CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT, ỨNG DỤNG, ĐỘC TÍNH - HÓA HỌC - 2026

Các ống nano cacbon là những ống hoặc hình trụ rất nhỏ và rất mỏng chỉ được tạo thành bởi các nguyên tử cacbon (C). Cấu trúc hình ống của nó chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử. Nó là một vật chất rắn màu đen, được tạo thành từ các bó rất nhỏ hoặc bó vài chục ống nano, quấn vào nhau tạo thành một mạng lưới phức tạp.

Tiền tố "nano" có nghĩa là "rất nhỏ". Từ "nano" được sử dụng trong đo lường có nghĩa là nó là một phần tỷ của phép đo. Ví dụ, một nanomet (nm) là một phần tỷ của mét, nghĩa là, 1 nm = 10 ^-9 m.

Mẫu ống nano cacbon. Có thể thấy đó là một chất rắn màu đen với bề ngoài giống như carbon. Shaddack. Nguồn: Wikimedia Commons.

Mỗi ống nano carbon nhỏ được tạo thành từ một hoặc nhiều tấm than chì quấn quanh chúng. Chúng được phân loại thành ống nano một vách (một tấm cuộn đơn) và ống nano nhiều vách (hai hoặc nhiều hình trụ bên trong ống kia).

Các ống nano cacbon rất bền, có khả năng chống phá vỡ cao và rất linh hoạt. Chúng dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt. Chúng cũng tạo nên một vật liệu rất nhẹ.

Những đặc tính này làm cho chúng trở nên hữu ích trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và điện tử, trong số những ngành khác. Chúng cũng đã được sử dụng trong y học, chẳng hạn như để vận chuyển và phân phối thuốc chống ung thư, vắc xin, protein, v.v.

Tuy nhiên, việc xử lý nó phải được thực hiện với thiết bị bảo hộ vì khi hít phải chúng có thể gây tổn thương phổi.

Khám phá ống nano carbon

Có nhiều ý kiến ​​khác nhau trong cộng đồng khoa học về việc ai đã phát hiện ra ống nano carbon. Mặc dù có nhiều tài liệu nghiên cứu về các tài liệu này, nhưng chỉ có một số niên đại quan trọng được đề cập dưới đây.

- Năm 1903, nhà bác học người Pháp Pélabon đã quan sát thấy các sợi carbon trong một mẫu vật (kính hiển vi điện tử lúc này vẫn chưa có).

- Năm 1950, nhà vật lý học Roger Bacon của công ty Union Carbide đang nghiên cứu một số mẫu sợi carbon và quan sát thấy hình ảnh của các sợi nano hoặc sợi nano thẳng và rỗng hoặc các sợi nano (nanowhiskers).

- Năm 1952, hai nhà khoa học Nga Radushkevich và Lukyanovich đã công bố những bức ảnh chụp các ống nano cacbon do chính họ tổng hợp và thu được bằng kính hiển vi điện tử, người ta quan sát rõ ràng chúng là dạng rỗng.

- Năm 1973, các nhà khoa học Nga Bochvar và Gal'pern đã hoàn thành một loạt các tính toán về mức năng lượng của các obitan phân tử cho thấy các tấm graphit có thể tự xoắn lại để tạo thành các "phân tử rỗng".

- Năm 1976, Morinobu Endo quan sát thấy sợi carbon có tâm rỗng được tạo ra bởi quá trình nhiệt phân benzen và ferrocene ở 1000 ° C (nhiệt phân là một kiểu phân hủy xảy ra khi nung nóng đến nhiệt độ rất cao trong điều kiện không có oxy).

- Năm 1991, sự nhiệt tình dành cho ống nano carbon được khơi dậy sau khi Sumio Iijima tổng hợp kim carbon làm từ ống rỗng bằng kỹ thuật hồ quang điện.

- Năm 1993, Sumio Iijima và Donald Bethune (làm việc độc lập với nhau) đồng thời phát hiện ra các ống nano carbon đơn thành.

Giải thích một số nguồn đã tham khảo

Theo một số nguồn thông tin, có lẽ công lao phát hiện ra ống nano carbon sẽ thuộc về các nhà khoa học Nga Radushkevich và Lukyanovich vào năm 1952.

Người ta cho rằng họ không được công nhận xứng đáng bởi vì lúc đó cái gọi là “chiến tranh lạnh” đang tồn tại và các nhà khoa học phương Tây không được tiếp cận các bài báo của Nga. Ngoài ra, không nhiều người có thể dịch từ tiếng Nga, điều này khiến nghiên cứu của họ không được phân tích ở nước ngoài.

Trong nhiều bài báo, người ta nói rằng Iijima là người đã phát hiện ra ống nano cacbon vào năm 1991. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu ước tính rằng tác động của công việc của Iijima là do khoa học đã đạt đến độ chín muồi để đánh giá cao tầm quan trọng của ống nano cacbon. vật liệu nano.

Một số người nói rằng trong những thập kỷ đó, các nhà vật lý thường không đọc các bài báo trên tạp chí hóa học, nơi ống nano cacbon đã được thảo luận, và vì lý do này mà họ "ngạc nhiên" trước bài báo của Iijima.

Nhưng tất cả những điều này không làm giảm chất lượng công việc của Iijima từ năm 1991. Và sự khác biệt về quan điểm vẫn còn.

Danh pháp

- Ống nano carbon, hoặc CNTs (Ống nano carbon).

- Ống nano carbon một vách, hoặc SWCNTs (Ống nano carbon đơn vách).

- Ống nano carbon nhiều thành, hay MWCNTs (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Kết cấu

Cấu trúc vật lý

Các ống nano cacbon là những ống hoặc hình trụ rất nhỏ và nhỏ mà cấu trúc của chúng chỉ có thể được nhìn thấy bằng kính hiển vi điện tử. Chúng bao gồm một tấm than chì (graphene) được cuộn thành một ống.

Ống nano cacbon là một tấm than chì hoặc graphene được cuộn lại: (a) hình ảnh lý thuyết của tấm than chì, (b) hình ảnh lý thuyết về tấm cuộn hoặc ống nano carbon. OpenStax. Nguồn: Wikimedia Commons.

Chúng là những phân tử hình trụ rỗng ruột chỉ được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon. Các nguyên tử cacbon được sắp xếp dưới dạng hình lục giác nhỏ (đa giác 6 cạnh) giống benzen và liên kết với nhau (vòng benzen đặc).

Bản vẽ một ống nano cacbon nơi bạn có thể nhìn thấy các hình lục giác nhỏ gồm 6 nguyên tử cacbon. Người dùng: Gmdm. Nguồn: Wikimedia Commons.

Các ống có thể được cắm hoặc không được cắm tại chỗ hở của chúng và có thể rất dài so với đường kính của chúng. Chúng tương đương với các tấm than chì (graphene) được cuộn thành các ống liền mạch.

Cấu tạo hóa học

CNTs là những cấu trúc đa sắc. Các liên kết giữa các nguyên tử cacbon là cộng hóa trị (nghĩa là chúng không phải là ion). Các liên kết này nằm trong cùng một mặt phẳng và rất bền chặt.

Độ bền của các liên kết C = C làm cho CNT rất cứng và bền. Nói cách khác, thành của các ống này rất bền.

Các mối nối ngoài mặt phẳng rất yếu, có nghĩa là không có mối nối chắc chắn giữa ống này và ống khác. Tuy nhiên, chúng là lực hấp dẫn cho phép hình thành các bó hoặc bó ống nano.

Phân loại theo số lượng ống

Ống nano carbon được chia thành hai nhóm: ống nano một vách hay SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) và ống nano nhiều vách, hay MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Các loại ống nano: (1) hình ảnh thực của ống nano nhiều thành, (2) bản vẽ ống nano một thành, (3) bản vẽ tấm graphite hoặc graphene. W2raphael. Nguồn: Wikimedia Commons.

Ống nano carbon một vách (SWCNT) được tạo thành từ một tấm graphene đơn lẻ được cuộn thành hình trụ, nơi các đỉnh của hình lục giác khớp hoàn toàn để tạo thành một ống liền mạch.

Ống nano cacbon nhiều thành (MWCNT) được tạo thành từ các hình trụ đồng tâm đặt xung quanh một tâm rỗng chung, tức là hai hoặc nhiều hình trụ rỗng đặt bên trong nhau.

Ống nano nhiều thành được tạo thành từ hai hoặc nhiều hình trụ bên trong ống kia. Eric Wieser. Nguồn: Wikimedia Commons.

Ảnh thật của một ống nano cacbon nhiều vách thu được bằng kính hiển vi điện tử. Oxirane. Nguồn: Wikimedia Commons.

Phân loại theo hình thức quấn

Tùy thuộc vào cách tấm graphene được cuộn, hoa văn được hình thành bởi các hình lục giác trong CNTs có thể là: hình cái ghế, hình ziczac, và hình xoắn ốc hoặc hình chiral. Và điều này ảnh hưởng đến tính chất của nó.

Hình ảnh thực tế của ống nano carbon không đối xứng hoặc xoắn ốc. Taner Yildirim (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia - NIST). Nguồn: Wikimedia Commons.

Tính chất vật lý

Các ống nano cacbon là chất rắn. Chúng kết hợp với nhau tạo thành bó, bó, bó hoặc “dây” vài chục ống nano, quấn vào nhau tạo thành một mạng lưới rất dày đặc và phức tạp.

Hình ảnh thật của ống nano cacbon thu được bằng kính hiển vi điện tử. Có thể thấy chúng tạo thành từng bó quấn vào nhau. Nhà vật liệu học tại Wikipedia tiếng Anh. Nguồn: Wikimedia Commons.

Chúng có độ bền kéo lớn hơn thép. Điều này có nghĩa là chúng có khả năng chống vỡ cao khi chịu lực. Về lý thuyết, chúng có thể cứng hơn thép hàng trăm lần.

Chúng rất đàn hồi, chúng có thể được uốn cong, xoắn và gấp lại mà không bị hư hại và sau đó trở lại hình dạng ban đầu. Chúng rất nhẹ.

Chúng là chất dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Chúng được cho là có hành vi điện tử rất linh hoạt hoặc có độ dẫn điện tử cao.

Các ống CNT có hình lục giác được sắp xếp theo hình dạng của một chiếc ghế bành có đặc tính kim loại hoặc tương tự như kim loại.

Những thứ được sắp xếp theo hình zic zắc và hình xoắn ốc có thể là kim loại và chất bán dẫn.

Tính chất hóa học

Do độ bền của các liên kết giữa các nguyên tử cacbon của chúng, CNTs có thể chịu được nhiệt độ rất cao (750 ° C ở áp suất khí quyển và 2800 ° C trong chân không).

Phần cuối của ống nano phản ứng hóa học mạnh hơn phần hình trụ. Nếu chúng bị oxi hóa, các đầu sẽ bị oxi hóa trước. Nếu các ống được đóng thì các đầu sẽ mở ra.

Khi xử lý với axit nitric HNO ₃ hoặc axit sunfuric H ₂ SO ₄ ở những điều kiện nhất định CNT có thể tạo thành nhóm cacboxylic –COOH hoặc nhóm quinon O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNTs có đường kính nhỏ hơn phản ứng mạnh hơn. Các ống nano cacbon có thể chứa các nguyên tử hoặc phân tử của các loài khác trong các kênh bên trong của chúng.

Độ hòa tan

Do thực tế là CNTs không có bất kỳ nhóm chức nào trên bề mặt của chúng, nó rất kỵ nước, tức là nó cực kỳ kém tương thích với nước và không hòa tan trong đó hoặc trong dung môi hữu cơ không phân cực.

Tuy nhiên, nếu chúng được phản ứng với một số hợp chất, CNTs có thể trở nên hòa tan. Ví dụ với axit nitric, HNO ₃ có thể bị hòa tan trong một số dung môi loại amit ở những điều kiện nhất định.

Đặc tính sinh hóa

Các ống nano carbon tinh khiết tương thích sinh học, có nghĩa là chúng không tương thích hoặc không liên quan đến sự sống hoặc các mô sống. Chúng tạo ra phản ứng miễn dịch từ cơ thể, vì chúng được coi là các yếu tố hung hăng.

Vì lý do này, các nhà khoa học sửa đổi chúng về mặt hóa học sao cho chúng được các mô của cơ thể chấp nhận và có thể được sử dụng trong các ứng dụng y tế.

Chúng có thể tương tác với các đại phân tử như protein và DNA, là loại protein tạo nên gen của các sinh vật.

Thu được

Các ống nano carbon được làm từ than chì bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như hóa hơi bằng xung laze, phóng điện hồ quang và lắng đọng hơi hóa chất.

Chúng cũng thu được từ dòng cacbon monoxit (CO) áp suất cao bằng cách tăng trưởng xúc tác trong pha khí.

Sự có mặt của chất xúc tác kim loại trong một số phương pháp sản xuất giúp cho sự liên kết của các ống nano nhiều thành.

Tuy nhiên, một ống nano cacbon không phải là một phân tử luôn luôn giống nhau. Theo phương pháp chuẩn bị và các điều kiện, chúng thu được có chiều dài, đường kính, cấu trúc, trọng lượng khác nhau và kết quả là chúng có các đặc tính khác nhau.

Các ứng dụng của ống nano cacbon

Các thuộc tính của CNTs làm cho chúng phù hợp với nhiều mục đích sử dụng.

Chúng đã được sử dụng trong vật liệu cấu trúc cho điện tử, quang học, chất dẻo và các sản phẩm khác trong lĩnh vực công nghệ nano, ngành hàng không vũ trụ và sản xuất ô tô.

Các ống nano carbon có nhiều công dụng khác nhau. Đây là hình ảnh thực của các ống nano cacbon thu được bằng kính hiển vi điện tử. Ilmar Kink. Nguồn: Wikimedia Commons.

Thành phần hoặc hỗn hợp vật liệu với CNTs

CNTs đã được kết hợp với polyme để tạo ra sợi và vải polyme gia cường hiệu suất cao. Ví dụ, chúng đã được sử dụng để gia cố sợi polyacrylonitrile cho mục đích phòng thủ.

Hỗn hợp CNTs với polyme cũng có thể được thiết kế để sở hữu các đặc tính dẫn điện khác nhau. Chúng không chỉ cải thiện độ bền và độ cứng của polyme mà còn bổ sung thêm các đặc tính dẫn điện.

Sợi và vải CNTs cũng được sản xuất với sức mạnh tương tự như nhôm và thép cacbon, nhưng nhẹ hơn nhiều. Áo giáp cơ thể đã được thiết kế bằng những sợi như vậy.

Chúng cũng đã được sử dụng để sản xuất gốm sứ bền hơn.

Thiết bị điện tử

Ống nano carbon có tiềm năng lớn trong điện tử chân không, thiết bị nano và lưu trữ năng lượng.

CNTs có thể hoạt động như điốt, bóng bán dẫn và rơ le (thiết bị điện từ cho phép đóng mở mạch điện).

Chúng cũng có thể phát ra các electron khi chịu một điện trường hoặc nếu có một hiệu điện thế.

Cảm biến khí

Việc sử dụng CNTs trong cảm biến khí cho phép chúng nhỏ, gọn và nhẹ và chúng có thể được kết hợp với các ứng dụng điện tử.

Cấu hình điện tử của CNTs làm cho các cảm biến rất nhạy cảm với lượng khí cực nhỏ và ngoài ra, CNTs có thể được điều chỉnh về mặt hóa học để phát hiện các khí cụ thể.

Ứng dụng y tế

Do diện tích bề mặt cao, tính ổn định hóa học tuyệt vời và cấu trúc đa sắc giàu điện tử, CNTs có thể hấp phụ hoặc liên hợp với nhiều loại phân tử trị liệu, chẳng hạn như thuốc, protein, kháng thể, enzym, vắc xin, v.v.

Chúng đã được chứng minh là phương tiện tuyệt vời để vận chuyển và phân phối thuốc, thâm nhập trực tiếp vào các tế bào và giữ cho thuốc nguyên vẹn trong quá trình vận chuyển qua cơ thể.

Cách sau giúp giảm liều lượng thuốc và độc tính của thuốc, đặc biệt là thuốc chống ung thư.

CNTs đã được chứng minh là hữu ích trong các liệu pháp chống lại ung thư, nhiễm trùng, tái tạo mô, bệnh thoái hóa thần kinh và như chất chống oxy hóa.

Chúng cũng được sử dụng trong chẩn đoán bệnh, trong một số phân tích, chẳng hạn như cảm biến sinh học, tách thuốc và chiết xuất các hợp chất sinh hóa.

Chúng cũng đang được sử dụng trong các bộ phận giả chỉnh hình và như một vật liệu hỗ trợ cho sự phát triển của mô xương.

Những ứng dụng khác

Chúng cũng đã được đề xuất làm vật liệu cho pin và màng tế bào nhiên liệu, cực dương cho pin lithium ion, siêu tụ điện và bộ lọc hóa học.

Độ dẫn điện cao và tính trơ hóa học tương đối của chúng làm cho chúng hữu ích như các điện cực trong các phản ứng điện hóa.

Chúng cũng có thể dính vào các hạt chất phản ứng và do diện tích bề mặt lớn, chúng có thể hoạt động như chất hỗ trợ chất xúc tác.

Chúng cũng có khả năng lưu trữ hydro, rất hữu ích trong các phương tiện chạy bằng khí nói trên, vì với CNT, nó có thể được vận chuyển một cách an toàn.

Độc tính ống nano carbon

Các nghiên cứu đã cho thấy những khó khăn trong việc đánh giá độc tính của CNTs. Điều này dường như phụ thuộc vào các đặc điểm như độ dài, độ cứng, nồng độ và thời gian tiếp xúc với CNTs. Nó còn phụ thuộc vào phương thức sản xuất và độ tinh khiết của CNTs.

Tuy nhiên, nên sử dụng thiết bị bảo hộ khi tiếp xúc với CNTs vì đã có nghiên cứu chỉ ra rằng chúng tương tự như sợi amiăng và việc hít phải bụi CNT có thể gây tổn thương phổi.

Kỹ thuật viên cân mẫu ống nano carbon. Bạn có thể thấy các dụng cụ bảo vệ mà nó sử dụng. Viện Quốc gia Hoa Kỳ về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp. Nguồn: Wikimedia Commons.

Hình ảnh thực tế về cách một ống nano carbon đi qua một tế bào trong phổi. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova và Dale W. Porter / NIOSH. Nguồn: Wikimedia Commons.

Người giới thiệu

1. Basu-Dutt, S. và cộng sự. (2012). Hóa học ống nano cacbon cho mọi người. J. Chem. Giáo dục. 2012, 89, 221-229. Đã khôi phục từ pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. và Kuznetsov, VL (chủ biên). (2006). Ai nên được ghi công cho việc phát hiện ra ống nano carbon? Các bon 44 (2006) 1621-1623. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
3. Eatemadi, A. và cộng sự. (2014). Ống nano cacbon: các đặc tính, tổng hợp, tinh chế và các ứng dụng y tế. Thư nghiên cứu kích thước nano 2014, 9: 393. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI và cộng sự. (2016) Ống nano carbon từ tổng hợp đến các ứng dụng y sinh in vivo. Tạp chí Dược phẩm Quốc tế 501 (2016) 278-299. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Ống nano từ Carbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Đã khôi phục từ pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. và cộng sự. (Năm 2002). Hóa học của ống nano cacbon đơn thành. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Đã khôi phục từ pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. và cộng sự. (2005). Tổng hợp ống nano cacbon. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Các ống nano carbon - trở nên sạch. Materialstoday Tập 10, Số 1-2, trang 28-35. Được khôi phục từ reader.elsevier.com.
9. Ông, H. và cộng sự. (2013). Ống nano carbon: Ứng dụng trong Dược phẩm và Y học. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Được khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP và Devasena, T. (2018). Độc tính của ống nano carbon: Một đánh giá. Độc chất học và Sức khỏe Công nghiệp (2018) 34, 3. Được khôi phục từ journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Hình học của ống nano carbon và cơ chế thực bào và các hiệu ứng độc hại. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.