الأنابيب النانوية الكربونية: الهيكل ، الخصائص ، التطبيقات ، السمية - كيمياء - 2025

ل أنابيب الكربون النانوية هي الأنابيب أو اسطوانات صغيرة جدا ورقيقة جدا شكلت فقط من ذرات الكربون (C). هيكلها الأنبوبي مرئي فقط من خلال المجاهر الإلكترونية. إنها مادة صلبة سوداء اللون ، تتكون من حزم صغيرة جدًا أو حزم من عشرات الأنابيب النانوية ، متشابكة معًا لتشكيل شبكة معقدة.

البادئة "nano" تعني "صغير جدًا". كلمة "نانو" المستخدمة في القياس تعني أنها جزء من المليار من القياس. على سبيل المثال ، النانومتر هو واحد من المليار من المتر ، أي 1 نانومتر = ^10-9 م.

عينة الأنابيب النانوية الكربونية. يمكن ملاحظة أنه مادة صلبة سوداء ذات مظهر يشبه الكربون. شداك. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

يتكون كل أنبوب نانوي كربوني صغير من ورقة واحدة أو أكثر من الجرافيت ملفوفة حول نفسها. يتم تصنيفها إلى أنابيب نانوية أحادية الجدار (ورقة ملفوفة واحدة) وأنابيب نانوية متعددة الجدران (أسطوانتان أو أكثر واحدة داخل الأخرى).

الأنابيب النانوية الكربونية قوية جدًا ولها مقاومة عالية للكسر ومرنة جدًا. إنها توصل الحرارة والكهرباء بشكل جيد للغاية. كما أنها تشكل مادة خفيفة للغاية.

هذه الخصائص تجعلها مفيدة في مختلف مجالات التطبيق ، مثل صناعة السيارات والفضاء والإلكترونيات وغيرها. كما تم استخدامها في الطب ، على سبيل المثال لنقل وتوصيل الأدوية المضادة للسرطان واللقاحات والبروتينات ، إلخ.

ومع ذلك ، يجب أن يتم التعامل معه باستخدام معدات الحماية حيث أنه عند استنشاقه يمكن أن يتسبب في تلف الرئتين.

اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية

هناك آراء مختلفة في المجتمع العلمي حول من اكتشف الأنابيب النانوية الكربونية. على الرغم من وجود العديد من الأوراق البحثية حول هذه المواد ، إلا أنه تم ذكر القليل من التواريخ المهمة أدناه.

- في عام 1903 ، لاحظ العالم الفرنسي Pélabon وجود خيوط الكربون في عينة (لم تكن المجاهر الإلكترونية متوفرة بعد في هذا التاريخ).

- في عام 1950 ، كان الفيزيائي روجر بيكون (Roger Bacon) من شركة Union Carbide يدرس عينات معينة من ألياف الكربون ويلاحظ صوراً للنانو زغب مستقيمة ومفرغة أو النانوية (nanowhiskers).

- في عام 1952 ، نشر العالمان الروسيان Radushkevich و Lukyanovich صورًا لأنابيب الكربون النانوية التي تم تصنيعها بأنفسهم وتم الحصول عليها بواسطة المجهر الإلكتروني ، حيث لوحظ بوضوح أنها جوفاء.

- في عام 1973 ، أكمل العالمان الروسيان Bochvar و Gal'pern سلسلة من الحسابات لمستويات الطاقة في المدارات الجزيئية تظهر أن صفائح الجرافيت يمكن أن تلتف على نفسها لتشكل "جزيئات مجوفة".

- في عام 1976 ، لاحظ Morinobu Endo ألياف الكربون ذات المركز المجوف الناتج عن الانحلال الحراري للبنزين والفيروسين عند 1000 درجة مئوية (الانحلال الحراري هو نوع من التحلل يحدث مع التسخين إلى درجات حرارة عالية جدًا في غياب الأكسجين).

- في عام 1991 ، انطلق الحماس للأنابيب النانوية الكربونية بعد أن صنعت شركة Sumio Iijima إبر كربون مصنوعة من أنابيب مجوفة باستخدام تقنية القوس الكهربائي.

- في عام 1993 ، اكتشف سوميو إيجيما ودونالد بيثون (يعملان بشكل مستقل عن بعضهما البعض) في وقت واحد الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار.

تفسيرات بعض المصادر التي تمت استشارتهم

وفقًا لبعض مصادر المعلومات ، ربما يجب أن يعود الفضل في اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية إلى العالمين الروس رادوشكيفيتش ولوكيانوفيتش في عام 1952.

يُعتقد أنهم لم يمنحوا الفضل الذي يستحقونه لأنه في ذلك الوقت كان ما يسمى بـ "الحرب الباردة" موجودًا ولم يكن للعلماء الغربيين إمكانية الوصول إلى المقالات الروسية. بالإضافة إلى ذلك ، لم يستطع الكثيرون الترجمة من الروسية ، مما أخر أبحاثهم من أن يتم تحليلها في الخارج.

يقال في العديد من المقالات أن Iijima هو الذي اكتشف الأنابيب النانوية الكربونية في عام 1991. ومع ذلك ، يقدر بعض الباحثين أن تأثير عمل Iijima يرجع إلى حقيقة أن العلم قد وصل بالفعل إلى درجة كافية من النضج لتقدير أهمية الأنابيب النانوية الكربونية. المواد النانوية.

يقول البعض أنه في تلك العقود لم يقرأ الفيزيائيون عمومًا مقالات في مجلات الكيمياء ، حيث تمت بالفعل مناقشة الأنابيب النانوية الكربونية ، ولهذا السبب فوجئوا بمقال إيجيما.

لكن كل هذا لا يقلل من الجودة العالية لعمل Iijima منذ عام 1991. ويبقى الاختلاف في الرأي.

التسمية

- الأنابيب النانوية الكربونية ، أو CNTs (أنابيب الكربون النانوية).

- الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، أو SWCNTs (أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار).

- الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران ، أو MWCNTs (الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران).

بناء

الهيكل الفيزيائي

الأنابيب النانوية الكربونية هي أنابيب أو أسطوانات دقيقة للغاية وصغيرة لا يمكن رؤية هيكلها إلا بالمجهر الإلكتروني. وهي تتكون من ورقة من الجرافيت (الجرافين) ملفوفة في أنبوب.

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن ورقة ملفوفة من الجرافيت أو الجرافين: (أ) الصورة النظرية لصفيحة الجرافيت ، (ب) الصورة النظرية للصفائح الملفوفة أو الأنابيب النانوية للكربون. OpenStax. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

إنها جزيئات أسطوانية مجوفة تتكون فقط من ذرات الكربون. يتم ترتيب ذرات الكربون في شكل سداسيات صغيرة (مضلعات سداسية الجوانب) تشبه البنزين وترتبط ببعضها البعض (حلقات بنزين مكثفة).

رسم أنبوب نانوي كربوني حيث يمكنك رؤية الأشكال السداسية الصغيرة لستة ذرات كربون. المستخدم: Gmdm. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

قد تكون الأنابيب مسدودة أو لا تسد عند فتحاتها ويمكن أن تكون طويلة للغاية مقارنة بأقطارها. وهي تعادل صفائح الجرافيت (الجرافين) الملفوفة في أنابيب غير ملحومة.

التركيب الكيميائي

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن هياكل متعددة الحلقات. الروابط بين ذرات الكربون تساهمية (أي أنها ليست أيونية). هذه الروابط موجودة في نفس المستوى وهي قوية جدًا.

إن قوة روابط C = C تجعل الأنابيب النانوية الكربونية صلبة وقوية للغاية. بمعنى آخر ، جدران هذه الأنابيب قوية جدًا.

تكون المفاصل خارج الطائرة ضعيفة جدًا ، مما يعني عدم وجود مفاصل قوية بين الأنبوب والآخر. ومع ذلك ، فهي قوى جذابة تسمح بتكوين حزم أو حزم من الأنابيب النانوية.

التصنيف حسب عدد الأنابيب

تنقسم الأنابيب النانوية الكربونية إلى مجموعتين: الأنابيب النانوية أحادية الجدار ، أو SWCNT (أحادية الجدار الكربوني النانوي) ، والأنابيب النانوية متعددة الجدران ، أو MWCNT (الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران).

أنواع الأنابيب النانوية: (1) صورة حقيقية للأنابيب النانوية متعددة الجدران ، (2) رسم أنابيب نانوية أحادية الجدار ، (3) رسم ورقة جرافيت أو غرافين. W2raphael. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تتكون الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) من ورقة جرافين مفردة ملفوفة في أسطوانة ، حيث تتوافق رؤوس الأشكال السداسية معًا بشكل مثالي لتشكيل أنبوب سلس.

تتكون الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) من أسطوانات متحدة المركز موضوعة حول مركز مجوف مشترك ، أي أسطوانتان مجوفتان أو أكثر موضوعة داخل بعضها البعض.

تتكون الأنابيب النانوية متعددة الجدران من أسطوانتين أو أكثر واحدة داخل الأخرى. إريك فيزر. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

صورة حقيقية لأنبوب نانوي كربوني متعدد الجدران تم الحصول عليها بالمجهر الإلكتروني. أوكسيران. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

التصنيف حسب شكل اللف

اعتمادًا على الطريقة التي يتم بها لف ورقة الجرافين ، يمكن أن يكون النمط الذي يتكون من الأشكال السداسية في الأنابيب النانوية الكربونية: على شكل كرسي ، ومتعرج ، وحلزوني أو حلزوني. وهذا يؤثر على خصائصه.

صورة حقيقية لأنبوب الكربون النانوي اللولبي أو الحلزوني تانر يلدريم (المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا - NIST). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

الخصائص الفيزيائية

الأنابيب النانوية الكربونية صلبة. يجتمعون معًا لتشكيل باقات أو حزم أو حزم أو "سلاسل" من عدة عشرات من الأنابيب النانوية ، متشابكة معًا لتشكيل شبكة كثيفة ومعقدة للغاية.

صورة حقيقية للأنابيب النانوية الكربونية تم الحصول عليها بالمجهر الإلكتروني. يمكن ملاحظة أنها تشكل حزمًا تتشابك مع بعضها البعض. عالم المواد في ويكيبيديا الإنجليزية. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

لديهم قوة شد أكبر من قوة الفولاذ. هذا يعني أن لديهم مقاومة عالية للكسر عند تعرضهم للإجهاد. من الناحية النظرية يمكن أن تكون أقوى بمئات المرات من الفولاذ.

إنها مرنة للغاية ، ويمكن ثنيها ولفها وطيها دون تلف ثم العودة إلى شكلها الأولي. هم خفيفون جدا.

هم موصلات جيدة للحرارة والكهرباء. يقال إن لديهم سلوكًا إلكترونيًا شديد التنوع أو لديهم موصلية إلكترونية عالية.

أنابيب CNT التي يتم ترتيب أشكالها السداسية على شكل كرسي بذراعين لها سلوك معدني أو يشبه سلوك المعادن.

يمكن أن تكون تلك المرتبة في نمط متعرج وحلزوني معدنية وأشباه الموصلات.

الخواص الكيميائية

نظرًا لقوة الروابط بين ذرات الكربون الخاصة بهم ، يمكن أن تتحمل الأنابيب النانوية الكربونية درجات حرارة عالية جدًا (750 درجة مئوية عند الضغط الجوي و 2800 درجة مئوية في الفراغ).

نهايات الأنابيب النانوية أكثر تفاعلًا كيميائيًا من الجزء الأسطواني. إذا تعرضوا للأكسدة ، تتأكسد النهايات أولاً. إذا كانت الأنابيب مغلقة ، فإن النهايات تفتح.

عند معالجتها بحمض النيتريك HNO ₃ أو حمض الكبريتيك H ₂ SO _{4 في} ظل ظروف معينة ، يمكن أن تشكل الأنابيب النانوية الكربونية مجموعات من النوع الكربوكسيل - COOH أو مجموعات من نوع كينون O = CC ₄ H ₄ -C = O.

الأنابيب النانوية الكربونية ذات الأقطار الأصغر تكون أكثر تفاعلًا. يمكن أن تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية على ذرات أو جزيئات من أنواع أخرى في قنواتها الداخلية.

الذوبان

نظرًا لحقيقة أن الأنابيب النانوية الكربونية لا تحتوي على أي مجموعة وظيفية على سطحها ، فهي شديدة الكراهية للماء ، أي أنها غير متوافقة تمامًا مع الماء وغير قابلة للذوبان فيه أو في المذيبات العضوية غير القطبية.

ومع ذلك ، إذا تفاعلت مع بعض المركبات ، يمكن أن تصبح الأنابيب النانوية الكربونية قابلة للذوبان. على سبيل المثال مع حمض النيتريك يمكن إذابة HNO ₃ في بعض المذيبات من نوع الأميد في ظل ظروف معينة.

الخصائص البيوكيميائية

الأنابيب النانوية الكربونية النقية متوافقة بيولوجيًا ، مما يعني أنها غير متوافقة أو مرتبطة بالحياة أو الأنسجة الحية. تولد استجابة مناعية من الجسم ، لأنها تعتبر عناصر عدوانية.

لهذا السبب ، يقوم العلماء بتعديلها كيميائيًا بطريقة تقبلها أنسجة الجسم ويمكن استخدامها في التطبيقات الطبية.

يمكن أن تتفاعل مع الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والحمض النووي ، وهو البروتين الذي يتكون من جينات الكائنات الحية.

الحصول

الأنابيب النانوية الكربونية مصنوعة من الجرافيت بتقنيات مختلفة مثل تبخير نبضة الليزر وتفريغ القوس الكهربائي وترسب البخار الكيميائي.

تم الحصول عليها أيضًا من تيار عالي الضغط من أول أكسيد الكربون (CO) عن طريق النمو التحفيزي في الطور الغازي.

يساعد وجود المحفزات المعدنية في بعض طرق الإنتاج على محاذاة الأنابيب النانوية متعددة الجدران.

ومع ذلك ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية ليست جزيءًا يتحول دائمًا إلى نفس الشيء. وفقًا لطريقة التحضير والشروط ، يتم الحصول عليها بأطوال وقطر وبنية ووزن مختلف ، ونتيجة لذلك فإنها تقدم خصائص مختلفة.

تطبيقات الأنابيب النانوية الكربونية

تجعلها خصائص الأنابيب النانوية الكربونية مناسبة لمجموعة متنوعة من الاستخدامات.

لقد تم استخدامها في المواد الهيكلية للإلكترونيات والبصريات والبلاستيك ومنتجات أخرى في مجالات تكنولوجيا النانو والفضاء وإنتاج السيارات.

للأنابيب النانوية الكربونية العديد من الاستخدامات المختلفة. هذه صورة حقيقية للأنابيب النانوية الكربونية التي تم الحصول عليها بالمجهر الإلكتروني. إلمار كينك. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تركيبات أو مخاليط المواد مع الأنابيب النانوية الكربونية

تم دمج الأنابيب النانوية الكربونية مع البوليمرات لصنع ألياف وأقمشة بوليمر معززة عالية الأداء. على سبيل المثال تم استخدامها لتقوية ألياف البولي أكريلونيتريل لأغراض الدفاع.

يمكن أيضًا تصميم مزيج من الأنابيب النانوية الكربونية مع البوليمرات لامتلاك خصائص موصلة كهربيًا مختلفة. فهي لا تحسن قوة وصلابة البوليمر فحسب ، بل تضيف أيضًا خصائص التوصيل الكهربائي.

يتم أيضًا تصنيع ألياف وأقمشة الأنابيب النانوية الكربونية بقوة مماثلة للألمنيوم والفولاذ الكربوني ، ولكنها أخف بكثير من هذه. تم تصميم الدروع الواقية للبدن بمثل هذه الألياف.

كما تم استخدامها للحصول على سيراميك أكثر مقاومة.

أجهزة الإلكترونيات

تمتلك الأنابيب النانوية الكربونية إمكانات كبيرة في الإلكترونيات الفراغية والأجهزة النانوية وتخزين الطاقة.

يمكن أن تعمل الأنابيب النانوية الكربونية كصمامات ثنائية وترانزستورات ومرحلات (أجهزة كهرومغناطيسية تسمح بفتح وإغلاق الدوائر الكهربائية).

يمكنهم أيضًا إصدار إلكترونات عند تعرضهم لمجال كهربائي أو في حالة تطبيق جهد.

مجسات الغاز

يسمح استخدام الأنابيب النانوية الكربونية في مستشعرات الغاز بأن تكون صغيرة ومضغوطة وخفيفة ويمكن دمجها مع التطبيقات الإلكترونية.

يجعل التكوين الإلكتروني لأنابيب الكربون النانوية المستشعرات حساسة للغاية لكميات صغيرة جدًا من الغازات ، بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكييف الأنابيب النانوية الكربونية كيميائيًا لاكتشاف غازات معينة.

التطبيقات الطبية

نظرًا لمساحة السطح العالية ، والاستقرار الكيميائي الممتاز ، والبنية العطرية الغنية بالإلكترون ، يمكن أن تمتص الأنابيب النانوية الكربونية أو تتحد مع مجموعة متنوعة من الجزيئات العلاجية ، مثل الأدوية ، والبروتينات ، والأجسام المضادة ، والإنزيمات ، واللقاحات ، إلخ.

لقد أثبتت أنها وسيلة ممتازة لنقل وتوصيل الأدوية ، حيث تخترق الخلايا مباشرة وتحافظ على الدواء سليمًا أثناء نقله عبر الجسم.

هذا الأخير يجعل من الممكن تقليل جرعة الدواء وسميته ، وخاصة الأدوية المضادة للسرطان.

أثبتت الأنابيب النانوية الكربونية فائدتها في العلاجات ضد السرطان والالتهابات وتجديد الأنسجة والأمراض التنكسية العصبية وكمضادات للأكسدة.

كما أنها تستخدم في تشخيص الأمراض ، في بعض التحليلات ، مثل أجهزة الاستشعار الحيوية ، وفصل الأدوية واستخراج المركبات الكيميائية الحيوية.

يتم استخدامها أيضًا في الأطراف الاصطناعية للعظام وكمادة داعمة لنمو أنسجة العظام.

تطبيقات أخرى

كما تم اقتراح استخدامها كمواد لأغشية البطاريات وخلايا الوقود ، والأنودات لبطاريات الليثيوم أيون ، والمكثفات الفائقة والمرشحات الكيميائية.

تجعلها الموصلية الكهربائية العالية والخمول الكيميائي النسبي منها مفيدة كأقطاب كهربائية في التفاعلات الكهروكيميائية.

يمكن أن تلتصق أيضًا بالجسيمات المتفاعلة ، وبسبب مساحة سطحها الكبيرة ، يمكن أن تعمل كدعم محفز.

لديهم أيضًا القدرة على تخزين الهيدروجين ، وهو أمر مفيد جدًا في المركبات التي تعمل بالغاز المذكور ، حيث يمكن نقله بأمان مع الأنابيب النانوية الكربونية.

سمية الأنابيب النانوية الكربونية

كشفت الدراسات عن صعوبات في تقييم سمية CNTs. يبدو أن هذا يعتمد على خصائص مثل الطول والصلابة والتركيز ومدة التعرض لأنابيب الكربون النانوية. كما أنه يعتمد على طريقة الإنتاج ونقاء الأنابيب النانوية الكربونية.

ومع ذلك ، يوصى باستخدام معدات الحماية عند التعامل مع الأنابيب النانوية الكربونية لأن هناك دراسات تشير إلى تشابهها مع ألياف الأسبستوس وأن استنشاق غبار الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن يتسبب في تلف الرئتين.

فني يزن عينات من الأنابيب النانوية الكربونية. يمكنك أن ترى الأدوات الوقائية التي يستخدمها. المعهد الوطني الأمريكي للسلامة والصحة المهنية. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

صورة حقيقية لكيفية مرور أنبوب الكربون النانوي عبر خلية في الرئة. روبرت آر ميرسر وآن إف هوبس وجيمس إف. سكابيلوني وليينج وانج ولوري إيه باتيللي وديان شويجلر بيري وفنسنت كاسترانوفا وديل دبليو بورتر / NIOSH. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

المراجع

1. باسو دوت ، إس وآخرون. (2012). كيمياء الأنابيب النانوية الكربونية للجميع. جي كيم. Educ. 2012، 89، 221-229. تعافى من pubs.acs.org.
2. مونثيوكس ، إم وكوزنتسوف ، في إل (محررين). (2006). من الذي يجب أن يُمنح الفضل في اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية؟ كربون 44 (2006) 1621-1623. تعافى من sciencedirect.com.
3. إيتمادي ، إيه وآخرون. (2014). الأنابيب النانوية الكربونية: الخصائص والتوليف والتنقية والتطبيقات الطبية. رسائل البحث النانوية 2014 ، 9: 393. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.
4. ساجد ، مي وآخرون. (2016) الأنابيب النانوية الكربونية من التوليف إلى التطبيقات الطبية الحيوية في الجسم الحي. المجلة الدولية للصيدلانيات 501 (2016) 278-299. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.
5. أجيان ، PM (1999). الأنابيب النانوية من الكربون. علم. 1999، 99، 1787-1799. تعافى من pubs.acs.org.
6. نيوجي ، إس وآخرون. (2002). كيمياء الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. Acc. Chem. Res.2002، 35، 1105-1113. تعافى من pubs.acs.org.
7. Awasthi ، K. et al. (2005). تركيب الأنابيب النانوية الكربونية. J Nanosci Nanotechnol 2005 ؛ 5 (10): 1616-36. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.
8. جروبرت ، ن. (2007). الأنابيب النانوية الكربونية - تصبح نظيفة. Materialstoday Volume 10 ، الإصدارات 1-2 ، الصفحات 28-35. تعافى من reader.elsevier.com.
9. هو ، هـ وآخرون. (2013). الأنابيب النانوية الكربونية: تطبيقات في الصيدلة والطب. Int Res بيوميد.2013 ؛ 2013: 578290. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.
10. فرانسيس ، AP و Devasena ، T. (2018). سمية الأنابيب النانوية الكربونية: مراجعة. علم السموم والصحة الصناعية (2018) 34 ، 3. تم الاسترجاع من journalals.sagepub.com.
11. Harik ، VM (2017). هندسة الأنابيب النانوية الكربونية وآليات البلعمة والتأثيرات السامة. توكسيكول ليت 2017 ، 273: 69-85. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.