탄소 나노 튜브 : 구조, 특성, 응용, 독성 - 화학

카본 나노 튜브는 탄소원 자만 (C)에 의해 형성된 튜브 또는 매우 작고 매우 얇은 실린더이다. 관형 구조는 전자 현미경을 통해서만 볼 수 있습니다. 그것은 복잡한 네트워크를 형성하기 위해 서로 얽힌 매우 작은 묶음 또는 수십 개의 나노 튜브 묶음으로 구성된 단단한 검은 색 물질입니다.

접두사 "nano"는 "매우 작음"을 의미합니다. 측정에 사용 된 "나노"라는 단어는 측정 값의 10 억분의 1을 의미합니다. 예를 들어, 나노 미터 (nm)는 미터의 10 억분의 1, 즉 1nm = ^10-9m 입니다.

탄소 나노 튜브 샘플. 탄소와 같은 외관의 검은 색 고체임을 알 수 있습니다. Shaddack. 출처 : Wikimedia Commons.

각각의 작은 탄소 나노 튜브는 하나 이상의 흑연 시트로 구성되어 있습니다. 이들은 단일 벽 나노 튜브 (단일 롤링 시트)와 다중 벽 나노 튜브 (2 개 이상의 실린더가 서로 내부에 있음)로 분류됩니다.

탄소 나노 튜브는 매우 강하고 파손에 대한 저항력이 높으며 매우 유연합니다. 그들은 열과 전기를 아주 잘 전달합니다. 그들은 또한 매우 가벼운 재료를 구성합니다.

이러한 특성으로 인해 자동차, 항공 우주 및 전자 산업과 같은 다양한 응용 분야에서 유용합니다. 그들은 또한 예를 들어 항암제, 백신, 단백질 등을 수송하고 전달하기 위해 의학에서 사용되었습니다.

그러나 흡입하면 폐에 손상을 줄 수 있으므로 보호 장비를 사용하여 취급해야합니다.

탄소 나노 튜브 발견

누가 탄소 나노 튜브를 발견했는지에 대한 과학계의 의견이 다릅니다. 이러한 자료에 대한 많은 연구 논문이 있지만 아래에 몇 가지 중요한 날짜 만 언급되어 있습니다.

-1903 년 프랑스 과학자 Pélabon은 샘플에서 탄소 필라멘트를 관찰했습니다 (현재 전자 현미경은 아직 제공되지 않았습니다).

-1950 년 유니온 카바이드 (Union Carbide)의 물리학 자 로저 베이컨 (Roger Bacon)은 탄소 섬유의 특정 샘플을 연구하고 직선 및 속이 빈 나노 플러 프 또는 나노 비고 트 (nanowhiskers)의 이미지를 관찰했습니다.

-1952 년 러시아 과학자 Radushkevich와 Lukyanovich는 스스로 합성하여 전자 현미경으로 얻은 탄소 나노 튜브의 이미지 사진을 발표했는데, 그 사진은 속이 비어 있음이 분명하게 관찰되었습니다.

-1973 년 러시아 과학자 Bochvar와 Gal'pern은 분자 궤도의 에너지 수준에 대한 일련의 계산을 완료하여 흑연 시트가 스스로 뒤틀려 "중공 분자"를 형성 할 수 있음을 보여줍니다.

-1976 년 Morinobu Endo는 1000 ° C에서 벤젠과 페로센의 열분해에 의해 생성 된 중심이 속이 빈 탄소 섬유를 관찰했습니다 (열분해는 산소가없는 상태에서 매우 높은 온도로 가열 할 때 발생하는 일종의 분해입니다).

-1991 년, Sumio Iijima가 전기 아크 기술을 사용하여 중공 튜브로 만든 탄소 바늘을 합성 한 후 탄소 나노 튜브에 대한 열광이 촉발되었습니다.

-1993 년 Sumio Iijima와 Donald Bethune (서로 독립적으로 작업)은 동시에 단일 벽 탄소 나노 튜브를 발견했습니다.

참조 된 일부 출처의 해석

일부 정보 출처에 따르면, 탄소 나노 튜브 발견에 대한 공로는 1952 년 러시아 과학자 인 Radushkevich와 Lukyanovich에게 돌아갈 것이라고합니다.

당시 소위“냉전”이 존재했고 서양 과학자들은 러시아 기사에 접근 할 수 없었기 때문에 그들이 정당한 크레딧을받지 못했다고 생각됩니다. 또한 러시아어로 번역 할 수있는 사람이 많지 않아 해외에서 연구를 분석하는 것이 더 지연되었습니다.

많은 기사에서 Iijima는 1991 년에 탄소 나노 튜브를 발견 한 사람이라고합니다. 그러나 일부 연구자들은 Iijima의 연구가 탄소 나노 튜브의 중요성을 인식 할 수있을만큼 과학이 이미 충분한 성숙도에 도달했기 때문이라고 추정합니다. 나노 물질.

어떤 사람들은 그 수십 년 동안 물리학 자들은 일반적으로 탄소 나노 튜브가 이미 논의되고있는 화학 잡지의 기사를 읽지 않았고 이러한 이유로 Iijima의 기사에 "놀랐습니다"라고 말합니다.

그러나이 모든 것이 1991 년부터 이지마 작업의 질을 떨어 뜨리지는 않는다. 그리고 의견의 차이는 여전히 남아있다.

명명법

-탄소 나노 튜브 또는 CNT (Carbon NanoTubes).

-단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 SWCNT (단일 벽 탄소 나노 튜브).

-다중 벽 탄소 나노 튜브 또는 MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

구조

물리적 구조

탄소 나노 튜브는 전자 현미경으로 만 볼 수있는 매우 미세하고 작은 튜브 또는 실린더입니다. 그들은 튜브에 감긴 흑연 (그래 핀) 시트로 구성됩니다.

탄소 나노 튜브는 흑연 또는 그래 핀의 압연 시트입니다 : (a) 흑연 시트의 이론적 이미지, (b) 탄소의 압연 시트 또는 나노 튜브의 이론적 이미지. OpenStax. 출처 : Wikimedia Commons.

그들은 탄소 원자로 만 구성된 속이 빈 원통형 분자입니다. 탄소 원자는 벤젠과 유사한 작은 육각형 (6면 다각형) 형태로 배열되고 서로 연결되어 있습니다 (응축 벤젠 고리).

6 개의 탄소 원자로 이루어진 작은 육각형을 볼 수있는 탄소 나노 튜브 그림. 사용자 : Gmdm. 출처 : Wikimedia Commons.

튜브는 구멍에 막히거나 막히지 않을 수 있으며 직경에 비해 매우 길 수 있습니다. 이는 이음매없는 튜브에 감겨 진 흑연 (그래 핀) 시트와 동일합니다.

화학 구조

CNT는 다 방향족 구조입니다. 탄소 원자 사이의 결합은 공유 결합 (즉, 이온이 아님)입니다. 이러한 링크는 동일한 평면 내에 있으며 매우 강력합니다.

C = C 결합의 강도는 CNT를 매우 단단하고 강하게 만듭니다. 즉,이 튜브의 벽은 매우 튼튼합니다.

면외 조인트는 매우 약하므로 한 튜브와 다른 튜브 사이에 강한 조인트가 없습니다. 그러나, 이들은 나노 튜브 다발 또는 다발의 형성을 허용하는 인력입니다.

튜브 수에 따른 분류

탄소 나노 튜브는 단일 벽 나노 튜브 또는 SWCNT (단일 벽 탄소 나노 튜브)와 다중 벽 나노 튜브 또는 MWCNT (다중 벽 탄소 나노 튜브)의 두 그룹으로 나뉩니다.

나노 튜브 유형 : (1) 다중 벽 나노 튜브 실제 이미지, (2) 단일 벽 나노 튜브 도면, (3) 흑연 또는 그래 핀 시트 도면. W2raphael. 출처 : Wikimedia Commons.

단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT)는 단일 그래 핀 시트로 구성되어 실린더에 감겨 있으며 육각형의 꼭지점이 완벽하게 맞춰져 완벽한 튜브를 형성합니다.

다중 벽 탄소 나노 튜브 (MWCNT)는 공통의 중공 중심, 즉 서로 내부에 배치 된 두 개 이상의 중공 원통 주위에 배치 된 동심원 실린더로 구성됩니다.

다중 벽 나노 튜브는 두 개 이상의 실린더로 구성되어 있습니다. 에릭 위저. 출처 : Wikimedia Commons.

전자 현미경으로 얻은 다중 벽 탄소 나노 튜브의 실제 이미지. 옥시 란. 출처 : Wikimedia Commons.

권선 형태에 따른 분류

그래 핀 시트가 롤링되는 방식에 따라 CNT의 육각형에 의해 형성되는 패턴은 안락 의자 모양, 지그재그 모양 및 나선형 또는 키 랄일 수 있습니다. 그리고 이것은 그 속성에 영향을 미칩니다.

키랄 또는 헬리컬 탄소 나노 튜브의 실제 이미지. Taner Yildirim (NIST (National Institute of Standards and Technology-NIST)). 출처 : Wikimedia Commons.

물리적 특성

탄소 나노 튜브는 단단합니다. 그들은 함께 모여 꽃다발, 묶음, 묶음 또는 수십 개의 나노 튜브의 "끈"을 형성하고, 서로 얽혀 매우 조밀하고 복잡한 네트워크를 형성합니다.

전자 현미경으로 얻은 탄소 나노 튜브의 실제 이미지. 그들은 서로 얽혀있는 묶음을 형성하는 것을 볼 수 있습니다. English Wikipedia의 재료 과학자. 출처 : Wikimedia Commons.

그들은 강철보다 인장 강도가 더 큽니다. 즉, 스트레스를받을 때 파손에 대한 저항력이 높습니다. 이론적으로는 강철보다 수백 배 더 강할 수 있습니다.

그들은 매우 탄력적이며 손상없이 구부리고 비 틀리고 접힌 다음 초기 모양으로 돌아갈 수 있습니다. 그들은 매우 가볍습니다.

그들은 열과 전기의 좋은 전도체입니다. 그들은 매우 다양한 전자적 거동을 가지고 있거나 높은 전기 전도성을 가지고 있다고합니다.

육각형이 안락 의자 모양으로 배열 된 CNT 튜브는 금속성 거동 또는 금속성 거동이 있습니다.

지그재그 및 나선형 패턴으로 배열 된 것은 금속 및 반도체 일 수 있습니다.

화학적 특성

탄소 원자 사이의 결합 강도로 인해 CNT는 매우 높은 온도 (대기압에서 750 ° C, 진공에서 2800 ° C)를 견딜 수 있습니다.

나노 튜브의 끝은 원통형 부분보다 화학적으로 더 반응합니다. 그들이 산화되면 끝이 먼저 산화됩니다. 튜브가 닫히면 끝이 열립니다.

특정 조건에서 질산 HNO ₃ 또는 황산 H ₂ SO ₄ 로 처리하면 CNT는 카르 복실 유형 기 -COOH 또는 퀴논 유형 기 O = CC ₄ H ₄ -C = O를 형성 할 수 있습니다 .

직경이 작은 CNT는 반응성이 더 높습니다. 탄소 나노 튜브는 내부 채널에 다른 종의 원자 또는 분자를 포함 할 수 있습니다.

용해도

CNT는 표면에 작용기가 없기 때문에 매우 소수성입니다.

그러나 일부 화합물과 반응하면 CNT가 용해 될 수 있습니다. 예를 들어, 질산 HNO ₃ 은 특정 조건에서 일부 아미드 유형 용매에 용해 될 수 있습니다.

생화학 적 특성

순수 탄소 나노 튜브는 생물학적으로 호환되지 않습니다. 즉, 생명체 또는 살아있는 조직과 호환되지 않거나 관련이 없습니다. 그들은 공격적인 요소로 간주되기 때문에 신체에서 면역 반응을 생성합니다.

이러한 이유로 과학자들은 신체 조직에 수용되고 의료 용도로 사용될 수 있도록 화학적으로 변형합니다.

그들은 생명체의 유전자를 구성하는 단백질 인 단백질 및 DNA와 같은 거대 분자와 상호 작용할 수 있습니다.

구하기

탄소 나노 튜브는 레이저 펄스 기화, 전기 아크 방전 및 화학 기상 증착과 같은 다양한 기술을 통해 흑연으로 만들어집니다.

그들은 또한 가스상에서 촉매 성장에 의해 일산화탄소 (CO)의 고압 흐름으로부터 얻어졌습니다.

일부 생산 방법에서 금속 촉매의 존재는 다중 벽 나노 튜브의 정렬을 돕습니다.

그러나 탄소 나노 튜브는 항상 똑같은 분자가 아닙니다. 준비 방법과 조건에 따라 길이, 직경, 구조, 무게가 다르며 결과적으로 다른 특성을 나타냅니다.

탄소 나노 튜브의 응용

CNT의 특성으로 인해 다양한 용도에 적합합니다.

나노 기술, 항공 우주 산업 및 자동차 생산 분야에서 전자, 광학, 플라스틱 및 기타 제품의 구조 재료에 사용되었습니다.

탄소 나노 튜브는 다양한 용도로 사용됩니다. 전자 현미경으로 얻은 탄소 나노 튜브의 실제 이미지입니다. Ilmar Kink. 출처 : Wikimedia Commons.

CNT와 재료의 구성 또는 혼합물

CNT는 고분자와 결합되어 고성능 강화 고분자 섬유와 직물을 만듭니다. 예를 들어, 그들은 방어 목적으로 폴리 아크릴로 니트릴 섬유를 강화하는 데 사용되었습니다.

CNT와 폴리머의 블렌드는 또한 다른 전기 전도성 특성을 갖도록 설계 할 수 있습니다. 폴리머의 강도와 강성을 향상시킬뿐만 아니라 전기 전도도 특성을 추가합니다.

CNT 섬유 및 직물은 알루미늄 및 탄소강과 유사한 강도로 제조되지만 이보다 훨씬 가볍습니다. 방탄복은 그러한 섬유로 설계되었습니다.

그들은 또한 더 저항력이 강한 세라믹을 얻기 위해 사용되었습니다.

전자 장치

탄소 나노 튜브는 진공 전자 장치, 나노 장치 및 에너지 저장 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

CNT는 다이오드, 트랜지스터 및 릴레이 (전기 회로를 열고 닫을 수있는 전자기 장치)로 작동 할 수 있습니다.

전기장을 받거나 전압이 가해지면 전자를 방출 할 수도 있습니다.

가스 센서

가스 센서에 CNT를 사용하면 소형, 소형 및 가볍고 전자 응용 분야와 결합 할 수 있습니다.

CNT의 전자 구성은 센서를 극히 소량의 가스에 매우 민감하게 만들고 또한 CNT를 화학적으로 특정 가스를 감지하도록 조정할 수 있습니다.

의료 응용

높은 표면적, 우수한 화학적 안정성 및 전자가 풍부한 다 방향족 구조로 인해 CNT는 약물, 단백질, 항체, 효소, 백신 등과 같은 다양한 치료 분자와 흡착 또는 접합 될 수 있습니다.

그들은 약물의 수송 및 전달을위한 우수한 매개체로 입증되었으며, 세포에 직접 침투하여 신체를 통한 수송 중에 약물을 그대로 유지합니다.

후자는 약물의 복용량과 독성, 특히 항암제를 줄일 수 있습니다.

CNT는 암, 감염, 조직 재생, 신경 퇴행성 질환 및 항산화 제에 대한 치료에 유용한 것으로 입증되었습니다.

또한 바이오 센서, 약물 분리 및 생화학 적 화합물 추출과 같은 특정 분석에서 질병 진단에 사용됩니다.

그들은 또한 정형 외과 보철물과 뼈 조직의 성장을위한지지 물질로 사용됩니다.

기타 앱

그들은 또한 배터리 및 연료 전지 막의 재료, 리튬 이온 배터리의 양극, 슈퍼 커패시터 및 화학 필터로 제안되었습니다.

높은 전기 전도성과 상대적인 화학적 불활성으로 인해 전기 화학 반응에서 전극으로 유용합니다.

또한 반응 입자에 부착 할 수 있으며 표면적이 넓기 때문에 촉매 지지체로 기능 할 수 있습니다.

그들은 또한 수소를 저장할 수있는 능력을 가지고 있는데, 이는 CNT를 사용하면 안전하게 운송 될 수 있기 때문에 상기 가스로 운행되는 차량에 매우 유용합니다.

탄소 나노 튜브 독성

연구에 따르면 CNT의 독성을 평가하는 데 어려움이 있음이 밝혀졌습니다. 이것은 길이, 강성, 농도 및 CNT 노출 기간과 같은 특성에 따라 달라지는 것으로 보입니다. 또한 CNT의 생산 방법과 순도에 따라 다릅니다.

그러나 석면 섬유와 유사하고 CNT 먼지를 흡입하면 폐에 손상을 줄 수 있다는 연구가 있기 때문에 CNT를 취급 할 때 보호 장비를 사용하는 것이 좋습니다.

기술자는 탄소 나노 튜브 샘플을 계량합니다. 사용하는 보호 도구를 볼 수 있습니다. 미국 산업 안전 보건 연구소. 출처 : Wikimedia Commons.

탄소 나노 튜브가 폐의 세포를 통과하는 실제 이미지. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova 및 Dale W. Porter / NIOSH. 출처 : Wikimedia Commons.

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탄소 나노 튜브 : 구조, 특성, 응용, 독성 - 화학 - 2025