Structure des nanotubes de carbone, propriétés, applications, toxicité

Les Nanotubes de carbone Ce sont des cylindres ou des cylindres très petits et très minces formés uniquement par des atomes de carbone (C). Sa structure tubulaire n'est visible que par les microscopes électroniques. Il s'agit d'un matériau noir solide, formé par des faisceaux ou très peu de plusieurs dizaines de nanotubes, emmêlés en formant un réseau compliqué.

Le préfixe "nano" signifie "très petit". Le mot "nano" utilisé dans la mesure signifie qu'il s'agit de la partie millmillonaise d'une mesure. Par exemple, un nanomètre (nm) est la partie Millmillonais d'un mètre, c'est-à-dire 1 nm = 10^-9 m.

Échantillon de nanotubes de carbone. On peut voir que c'est un noir noir à l'air noir. Shaddack [cc by-s (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Chaque nanotube de carbone Tiny est composé d'une ou plusieurs feuilles de graphite roulées sur elles-mêmes. Ils sont classés en nanotubes muraux simples (une seule lame roulée) et plusieurs nanotubes muraux (deux ou plusieurs cylindres l'un dans l'autre).

Les nanotubes de carbone sont très forts, ont une forte résistance à la rupture et sont très flexibles. Ils mènent très bien la chaleur et l'électricité. Ils constituent également un matériau très léger.

Ces propriétés les rendent utiles dans plusieurs domaines d'application, comme l'industrie automobile, aérospatiale, électronique, entre autres. Ils ont également été utilisés en médecine, par exemple pour transporter et libérer des médicaments contre le cancer, les vaccins, les protéines, etc.

Cependant, sa manipulation doit être effectuée avec des équipements de protection car ils sont inhalés peuvent endommager les poumons.

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Découverte de nanotubes de carbone

Il y a différentes opinions dans la communauté scientifique sur qui a découvert des nanotubes de carbone. Bien qu'il existe de nombreux travaux de recherche sur ces documents, seules quelques dates importantes sont mentionnées ci-dessous.

- En 1903, le scientifique français de Pélado a observé des filaments de carbone dans un échantillon (pour cette date, les microscopes électroniques n'étaient pas encore disponibles).

- En 1950, le physicien Roger Bacon, de la Union Carbide Company, étudiait certains échantillons de fibres de carbone et d'images observées de nanopelus ou de nanobigotes (traduction de l'anglais Nanowhiskers) Droit et accroché.

- En 1952, les scientifiques russes Radushkevich et Lukyanovich ont publié des photos de nanotubes de carbone synthétisées par elles-mêmes et obtenues avec un microscope électronique, où il est clairement observé qu'ils sont des creux.

- En 1973, les scientifiques russes Bochvar et Gal'pern ont terminé une série de calculs des niveaux d'énergie des orbitales moléculaires démontrant que les feuilles de graphite peuvent se recroqueviller sur les «molécules creuses».

- En 1976, Morinobu Endo a observé des fibres de carbone avec un centre ahuecado produit par la pyrolyse du benzène et du ferrocène à 1000 ° C (la pyrolyse est un type de décomposition qui se produit avec un chauffage à des températures très élevées en l'absence d'oxygène).

- En 1991, l'enthousiasme a été déchaîné vers les nanotubes de carbone après des aiguilles de carbone synthétisées de Sumia à Sumia faites avec des tubes creux à travers la technique de l'arc électrique.

- En 1993, Sumio Iijima et Donald Bethune (travaillant indépendamment les uns des autres) ont découvert simultanément les simples nanotubes de carbone.

Interprétations de certaines des sources consultées

Selon certaines sources d'information, le mérite de la découverte de nanotubes de carbone aux scientifiques russes Radushkevich et Lukyanovich en 1952 en 1952.

On pense qu'ils n'ont pas reçu le crédit mérité car il y avait à cette époque la "guerre froide" et les scientifiques de l'Ouest n'avaient pas accès aux articles russes. De plus, peu de gens savaient comment traduire du Russe, ce qui a en outre retardé que leurs recherches pouvaient être analysées à l'étranger.

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Dans de nombreux articles, il est dit qu'Iijima a été celui qui a découvert des nanotubes de carbone en 1991. Cependant, certains chercheurs estiment que l'impact du travail d'Iijima est dû au fait que la science avait déjà atteint un degré de maturité suffisant pour apprécier l'importance des nanomatériaux.

Il y a ceux qui affirment qu'au cours de ces décennies, les physiciens n'ont généralement pas lu des magazines de chimie, où les nanotubes de carbone étaient déjà discutés, et que pour cette raison, ils ont été "surpris" avec l'article de IIJIMA.

Mais tout cela ne réduit pas la haute qualité du travail d'Iijima en 1991. Et la différence d'opinion est maintenue.

Nomenclature

- Nanotubes de carbone, ou CNT (acronyme pour l'anglais Nanotubes de carbone).

- Nanotubes de carbone mural simples, ou SWCN (acronyme anglais Nanotubes de carbone à parois à parois).

- Nanotubes de carbone à mur multiples, ou MWCN (acronyme anglais Nanotubes de carbone à parois multiples).

Structure

Structure physique

Les nanotubes de carbone sont très minces et de petits tubes ou cylindres dont la structure ne peut être observée qu'avec un microscope électronique. Ils se composent d'une feuille de graphite (graphène) roulé dans un tube en forme de tube.

Un nanotubus en carbone est une feuille de graphite ou de graphène roulée: (a) feuille de graphite théorique, (b) Image théorique de la lame de nanotubo roulée ou carbone. OpenTax [CC par (https: // CreenIveCommons.Org / licences / par / 4.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Ce sont des molécules cylindriques ahuédés composées uniquement d'atomes de carbone. Les atomes de carbone sont disposés sous la forme de petits hexagones (polygones à 6 côtés) similaires au benzène et unis les uns avec les autres (anneaux benherniques condensés).

Dessin d'un nanotube de carbone où de petits hexagons de 6 atomes de carbone peuvent être observés. Utilisateur: GMDM [CC BY-S (http: // CreatiVecommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]]. Source: Wikimedia Commons.

Les tubes peuvent être couverts ou non dans leurs ouvertures et peuvent être extrêmement longs par rapport à leurs diamètres. Ils sont équivalents aux feuilles de graphite (graphène) roulées dans des tubes sans couture.

Structure chimique

Les NTC sont des structures polylaromatiques. Les liens entre les atomes de carbone sont covalents (c'est-à-dire qu'ils ne sont pas ioniques). Ces liens sont dans le même plan et sont très forts.

La force des liens C = C rend les CNT très rigides et résistants. En d'autres termes, les murs de ces tubes sont très forts.

Les syndicats à l'extérieur de l'avion sont très faibles, ce qui signifie qu'il n'y a pas de syndicats forts entre un tube et un autre. Cependant, ce sont des forces d'attraction qui permettent la formation de grappes ou de nanotubes.

Classification selon le nombre de tubes

Les nanotubes de carbone sont divisés en deux groupes: des nanotubes muraux simples, ou SWCNT (acronyme pour l'anglais Nanotube de carbone à paroi unique), Et plusieurs nanotubes muraux, ou mwcnt (acronyme pour l'anglais Nanotube de carbone à paroi multiples).

Types de nanotubes: (1) Image réelle de Nanotubus de plusieurs mures, (2) Dessin de nanotube de mur simple, (3) Dessin de feuille de graphite ou de graphène. W2RAPHAEL [CC BY-SA (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]]. Source: Wikimedia Commons.

Les nanotubes de carbone de mur simples (SWCNT) sont constitués d'une seule feuille de graphène roulé formant un cylindre, où les sommets des hexagons s'adaptent parfaitement pour former un tube sans couture.

Les nanotubes de carbone à paroi multiples (MWCNT) sont formés par des cylindres concentriques placés autour d'un centre creux commun, c'est-à-dire deux ou plusieurs cylindres creux placés l'un dans l'autre.

Plusieurs nanotubes muraux sont formés par deux ou plusieurs cylindres l'un à l'intérieur de l'autre. Eric Wieer [CC By-S (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.Image réelle d'un nanotube de carbone à paroi multiple obtenu avec un microscope électronique. Oxirane [cc by-sa (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Classification en fonction de la forme de roulement

Selon la manière dont la feuille de graphène est inscrite, la conception que les hexagones se forment dans les CNT peuvent être: sous la forme d'un fauteuil, sous la forme d'un zigzag et sous forme hélicoïdale ou chirale. Et cela influence ses propriétés.

Peut vous servir: règles de Hume-RotheryImage réelle de nanotubus en carbone hélicoïdal ou chiral. Terer Yildirim (l'Institut national des normes et de la technologie - nist) [domaine public]. Source: Wikimedia Commons.

Propriétés physiques

Les nanotubes de carbone sont solides. Ils se réunissent pour former des bouquets, des poutres, des grappes ou des «cordes» de plusieurs dizaines de nanotubes, se sont gênés en formant un réseau très dense et compliqué.

Image réelle de nanotubes de carbone obtenus avec un microscope électronique. On peut voir qu'ils forment des grappes qui sont enchevêtrées. MATÉRIALSCIENST AT ANGLAIS WIKIPEDIA [CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Ils ont une force de tension supérieure à celle de l'acier. Cela signifie qu'ils ont une forte résistance à se briser lorsqu'ils subissent une tension. En théorie, ils peuvent être cent fois plus forts que l'acier.

Ils sont très élastiques, ils peuvent se pencher, se tordre et se plier sans endommager puis revenir à leur forme initiale. Ils sont très légers.

Ce sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité. On dit qu'ils ont un comportement électronique très polyvalent ou qu'ils ont une conductivité électronique élevée.

Les tubes CNT dont les hexagones sont disposés sous la forme d'un fauteuil ont un comportement métallique similaire à celui des métaux.

Ceux disposés en zigzag et en hélicoïdal peuvent être métalliques et semi-conducteurs.

Propriétés chimiques

En raison de la force des liaisons entre leurs atomes de carbone, les NTC peuvent résister à des températures très élevées (750 ° C à la pression atmosphérique et 2800 ° C à vide).

Les fins nanotubes sont chimiquement plus réactives que la partie cylindrique. S'ils subissent une oxydation, les extrémités sont oxydées en premier. Si les tubes sont fermés, les extrémités s'ouvrent.

Lorsqu'il est traité avec de l'acide nitrique HNO₃ o h acide sulfurique₂Swin₄ Dans certaines conditions, les CNT peuvent former des groupes carboxyliques -coah ou quinone ou C -c₄H₄-C = O.

Les NTC avec des diamètres mineurs sont plus réactifs. Les nanotubes de carbone peuvent contenir des atomes ou des molécules d'autres espèces dans leurs canaux internes.

Solubilité

En raison du fait que les CNT n'ont pas de groupe fonctionnel à leur surface, c'est très hydrophobe, c'est-à-dire qu'il est extrêmement peu compatible avec l'eau et n'est pas soluble dans ceci ou dans les solvants organiques non polaires.

Cependant, s'ils réagissent avec certains composés, les NTC peuvent être solubles. Par exemple avec l'acide nitrique HNO₃ Ils peuvent être solubilisés dans certains solvants d'Amida dans certaines conditions.

Propriétés biochimiques

Les nanotubes de carbone purs sont Bioyouch, ce qui signifie qu'ils ne sont pas compatibles ou liés à la vie ou aux tissus vivants. Ils génèrent une réponse immunitaire de l'organisme, car ils sont considérés comme des éléments agressifs.

Pour cette raison, les scientifiques les modifient chimiquement afin qu'ils soient acceptés par les tissus du corps et peuvent être utilisés dans les applications médicales.

Ils peuvent interagir avec les macromolécules telles que les protéines et l'ADN, qui est la protéine qui forme les gènes des êtres vivants.

Obtention

Les nanotubes de carbone sont obtenus sur la base du graphite via diverses techniques telles que la vaporisation par des impulsions laser, une décharge à arc électrique et un dépôt chimique de vapeur.

Ils ont également été obtenus à partir d'un courant élevé de monoxyde de carbone élevé (CO) par croissance catalytique en phase gazeuse.

La présence de catalyseurs métalliques dans certaines méthodes d'obtention aide à l'alignement de plusieurs nanotubes muraux.

Cependant, une nanotube de carbone n'est pas une molécule qui est toujours la même. Selon la méthode de préparation et les conditions, sont obtenues avec une longueur, un diamètre, une structure, un poids différents et, par conséquent, ils présentent différentes propriétés.

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Applications de nanotubes de carbone

Les propriétés des CNT les rendent adaptées à une grande variété d'utilisations.

Ils ont été utilisés dans les matériaux structurels pour l'électronique, l'optique, les plastiques et autres produits dans le domaine de la nanotechnologie, de l'industrie aérospatiale et de la production automobile.

Les nanotubes de carbone ont des utilisations très diverses. Ceci est une véritable image de nanotubes de carbone obtenus avec un microscope électronique. Ilmar Kink [CC By-SA (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Compositions ou mélanges de matériaux avec des NTC

Les CNT se sont combinés avec des polymères pour fabriquer des fibres et des tissus de polymères renforcés pour les hautes performances. Par exemple, ont été utilisés pour renforcer les fibres de polyacrylonitrile à des fins de défense.

Les mélanges CNT avec des polymères peuvent également être conçus pour avoir différentes propriétés de conduite en électricité. Ils améliorent non seulement la résistance et la rigidité du polymère, mais ajoutent également des propriétés de la conductivité électrique.

Les fibres et les tissus des NTC sont également fabriqués avec des résistances similaires à celles de l'aluminium et de l'acier au carbone, mais qui sont beaucoup plus légers que ceux-ci. Avec de telles fibres, une armure corporelle a été conçue.

Ils ont également été utilisés pour obtenir des céramiques plus résistantes.

Appareils électroniques

Les nanotubes de carbone ont un grand potentiel dans l'électronique sous vide, le stockage nanodispositif et d'énergie.

Les CNT peuvent fonctionner comme des diodes, des transistors et des relais (dispositifs électromagnétiques qui permettent d'ouvrir et de fermer les circuits électriques).

Ils peuvent également émettre des électrons lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique ou si une tension est appliquée.

Capteurs de gaz

L'utilisation des NTC dans les capteurs de gaz leur permet d'être petits, compacts et légers et qui peuvent être combinés avec des applications électroniques.

La configuration électronique des CNT rend les capteurs très sensibles à des quantités extrêmement petites de gaz et, en outre, les CNT peuvent être adaptés chimiquement pour détecter les gaz spécifiques.

Applications médicales

En raison de sa surface élevée, une excellente stabilité chimique et une structure polylaromatique riche en électrons Les CNT peuvent adsorber ou se combiner avec une grande variété de molécules thérapeutiques, telles que les médicaments, les protéines, les anticorps, les enzymes, les vaccins, etc.

Ils se sont avérés être d'excellents véhicules pour le transport et la libération de médicaments, pénétrant directement les cellules et maintenant les médicaments intacts pendant leur transport par le corps.

Ce dernier permet de réduire la dose de médecine et sa toxicité, en particulier les médicaments anti-cancer.

Les NTC ont été utiles dans les thérapies contre le cancer, les infections, la régénération tissulaire, les maladies neurodégénératives et comme antioxydants.

Ils sont également utilisés dans le diagnostic de la maladie, dans certaines analyses, telles que les biocapteurs, la séparation des médicaments et l'extraction des composés biochimiques.

Ils sont également utilisés dans les prothèses orthopédiques et comme matériau de soutien à la croissance du tissu osseux.

Autres applications

Son utilisation a également été suggérée comme matériaux pour les batteries et les membranes à pile à combustible, les batteries au lithium-ion, les supercandes et les filtres chimiques.

Leur conductivité électrique et relative élevée les rend utiles comme électrodes dans les réactions électrochimiques.

Ils peuvent également adhérer aux particules de réactifs et pour leur grande zone superficielle, ils peuvent fonctionner comme des supports de catalyseur.

Ils ont également la capacité de stocker l'hydrogène, qui trouve un grand utilitaire dans les véhicules qui fonctionnent avec ce gaz, car avec les NTC, il pourrait être transporté en toute sécurité.

Toxicité des nanotubes de carbone

Des études ont révélé des difficultés pour évaluer la toxicité des NTC. Cela semble dépendre de caractéristiques telles que la longueur, la rigidité, la concentration et la durée d'exposition aux NTC. Cela dépend également de la méthode de production et de pureté des CNT.

Cependant, il est recommandé d'utiliser des équipements de protection pendant la manipulation du CNT car il existe des études qui indiquent leur similitude avec les fibres d'amiante et que l'inhalation de poussière du SNC peut endommager les poumons.

Technicien pesant des échantillons de nanotubes de carbone. Les outils de protection que vous utilisez peuvent être observés. OU.S. Institut national de sécurité et de santé au travail [domaine public]. Source: Wikimedia Commons.Image réelle de la façon dont un nanotube de carbone traverse une cellule d'un poumon. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, liying wang, lori a. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova et Dale W. Porter / Niosh [domaine public]. Source: Wikimedia Commons.

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