Uhlíková nanotrubice
Uhlíkové nanotrubice (anglicky carbon nanotubes, zkratka CNTs) jsou podlouhlé útvary, jejichž stěny jsou tvořeny atomy uhlíku (podobné kulovitým fullerenům) o průměru 1 až 100 nanometrů a o délce do 100 µm. Mohou být jedno- či vícestěnné a vyznačují se vysokou pevností a výbornou elektrickou vodivostí. Výroba uhlíkových nanotrubic je významným výsledkem výzkumu v oblasti nanotechnologií.
Historie nanotrubic
Začátek vývoje nanotrubic není známý. Podle některých nálezů z 21. století měly existovat nanotrubice už v 6. století před n. l. jako povrstvení keramických výrobků v Indii aj.[1] Uhlík jako chemický prvek byl definován v 18. století, uhlíková vlákna (obsahující pravděpodobně tehdy neznámé nanotrubice) byla navrhována koncem 80. let 19. století k použití do Edisonovy lampy.[2] O stavu dalšího vývoje byla poprvé informována širší veřejnost v roce 1952, když sovětští vědci Raduškjevič a Lukjanovič publikovali mikroskopické snímky "svých" dutých uhlíkových nanovláken (Ø 50 nm). 1991 definoval Japonec Iijima syntézu a mimořádné vlastnosti trubic a dal tím podnět k intenzivnímu výzkumu technologie jejich výroby. První gram komerčně vyrobené jednostěnné trubice z roku 1993 stál 2000 USD.[3]
Průmyslová produkce nanotrubic začala v roce 2004, v roce 2014 bylo celosvětově vyrobeno 5 kilotun. V roce 2022 se očekávalo zvýšení na 20 kilotun,[1] celkový výnos z prodeje měl dosáhnout 2 miliardy USD, z toho 22 % za jednostěnné a 78 % za vícestěnné trubice.[4]
Ve 2. dekádě 21. století se platilo za jednostěnné trubice s čirostí nad 90 % až 1000 USD/g.[5] V roce 2022 se udávaly ceny za jednostěnné od 1 do 100 €/g, za vícestěnné trubice 25–500 €/g. Za jednostěnné trubice s určitou speciální funkcí se platilo až 1000 €/g, za vícestěnné do 300 €/g.[1]
Vlastnosti a použití
Druhy nanotrubic
- Jednostěnné uhlíkové nanotrubky (SWCNT)
- Dvoustěnné uhlíkové nanotrubky (DWCNT)
- Vícestěnné uhlíkové nanotrubky (MWCNT)
- Nekarbonové nanotrubky
Vlastnosti
Když jsou vloženy do matrice materiálu, dobře rozptýlené nanotrubičky vytvářejí 3D zesílenou a vodivou síť, přičemž výrazně sníží dopad na originální barvu a další klíčové vlastnosti materiálu. Díky svým malým rozměrům, nanotrubice mají velmi velký specifický povrch (Plocha povrchu pevné látky, vztažená na jednotku hmotnosti (obvykle m2 g−1).
Struktura trubic | Průměr (nm) | Délka (mm) | Poměr délka/průměr | Taž.pevnost (GPa) | term. vodivost (W/m.K) |
---|---|---|---|---|---|
jednostěnné | 0,6-2 | <1 | <10 000 | 50-100 | 3000-6000 |
vícestěnné | 7-100 | <1 | 50-4 000 | 10-50 | 2000-3000 |
[6]
Způsoby výroby
Metoda | Výtěžek | Výhody | Nevýhody |
---|---|---|---|
Obloukový výboj | 30–90 % | jednoduchý, nenákladný proces, vysoký výtěžek, vysoká čirost, průměr trubic = 1–20 nm | krátké trubice s náhodnými délkami, dávkovaný proces |
Laserové vypařování | 70 % | vysoká čirost, dobrá regulace stejnoměrnosti průměru | vysoké náklady na zařízení, dávkovaný proces |
Nános chemickým vypařováním | 95 % | vysoká čirost, dlouhé trubice, nepřetržitý proces, průměr t. = 0,8–2 nm | mnoho závad ve výsledných trubicích |
Solární pec | 60 % | průměr trubic = 1,2–1,6 nm | velmi pomalý proces, náhodné délky trubic |
[6]
Hlavní sektory použití
Elektronika a polovodiče, akumulátory, kompozity pro mechanické konstrukce, astronautika a vojenství, chemické přípravky, zdravotnictví a lékárenství.[4]
Pokusy s použitím nanotrubic k výrobě textilních vláken
S cílem zvýšení pevnosti textilních vláken byly prováděny pokusy s kompozity z různých polymerů s příměsí uhlíkových nanotrubic. Výsledky pokusů s polyamidem, polypropylenem, UHMWPE a dalšími zůstaly však daleko za teoretickými předpoklady.
V roce 2013 bylo v Číně z uhlíkových nanotrubic získaných (pravděpodobně) pyrolýzou celulózy při teplotách 1500 až 2200 °C laboratorně vyrobeno textilní vlákno o délce 550 mm s tažnou pevností 120 GPa. Filamenty z uhlíkových nanotrubic zpracovaných gelovým zvlákňováním byly pokusně vyrobeny s průměrem 46 nm. Maximální tažná pevnost dosáhla cca 270 MPa s modulem do 10 GPa.[7]
V roce 2018 bylo použití nanotrubic pro textilie ve stádiu výzkumu. Výzkum se zaměřuje na úpravu textilií nanotrubicemi, která má přinést širokou škálu výrobků s různou elektrickou vodivostí a výrobu kompozitních materiálů pro technické i oděvní účely.[8]
Zdravotní rizika
Američtí vědci prokázali mnohé toxické a rakovinotvorné zplodiny z výroby uhlíkových nanotrubic, například 15 aromatických uhlovodíků jako benzo(a)pyren nebo benzen, ale i další látky jako 1,3-butadien.[9]
V květnu 2008 zveřejnil britsko-americký výzkumný tým studii, podle které uhlíkové nanotrubice v dutině břišní pokusných zvířat způsobují podobné patologické změny jako např. vlákna azbestu. Švédský výzkum zase ukázal, že u myší způsobuje vdechování jednostěnných uhlíkových nanotrubic plicní zánět a fibrózu. Zjištěny byly i genotoxické účinky uhlíkových nanotrubic.[9] Některé jiné studie však strach z použití uhlíkových trubic zmírňují.[10] Podle IARC nebyla provedena žádná epidemiologická studie na CNT. Pokud jde o karcinogenitu u experimentálních zvířat, byly informace pro MWCNT-7 dostatečné, ale pro dva typy MWCNT s rozměry podobnými MWCNT-7 byly informace nedostatečné. Rovněž byly nedostatečné informace i pro SWCNT. MWCNT-7 byla klasifikována jako možná karcinogenní látka pro člověka (skupina 2B). SWCNT a MWCNT, s výjimkou MWCNT-7, byly kategorizovány jako neklasifikovatelné, pokud jde o jejich karcinogenitu pro lidskou populaci(skupina 3) .[11]
Ekologická rizika
Uhlíkové nanotrubice jsou v životním prostředí biologicky dostupné pro živé organismy, mají schopnost dlouhodobě přetrvávat v prostředí a hromadit se v potravních řetězcích.[12]
Odkazy
Reference
- ↑ a b c Veit: Fibers, Springer Nature 2022, ISBN 978-3-031-15309-9, str. 776–798
- ↑ From the archives: carbon nanotube article [online]. Medium, 2017-10-01 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Growth of Carbon Nanotubes Via Chemical Vapor Deposition [online]. Arizona State University, 2018 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ a b The global carbon nanotubes market [online]. Precedence Research, 2023-09-30 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ The Facts Behind Pricing Carbon Nanotues [online]. Team Trade, 2019-01-19 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ a b Single-walled carbon nanotubes [online]. Tuball, 2021-05-13 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Growth of half-meter long carbon nanotubes [online]. National Library of Medicine, 2014-03-25 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Carbon nanotube and its applications in textile industry [online]. Taylor&Francis, 2018-02-01 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ a b Miroslav Šuta: Uhlíkové nanotrubice a jejich rizika, EKO - ekologie a společnost, 5-6/2009
- ↑ MIHULKA, Stanislav. První lidský enzym degradující nanotrubičky [online]. Osel.cz, 2010. Dostupné online.
- ↑ http://monographs.iarc.fr/ENG/Classification/ClassificationsGroupOrder.pdf Archivováno 25. 10. 2011 na Wayback Machine. – Agents Classified by the IARC Monographs
- ↑ Miroslav Šuta: Nanotechnologie: Velké přísliby i značná rizika nanotrubic Archivováno 16. 10. 2009 na Wayback Machine., respekt.cz, 28. srpna 2007
Literatura
- Miroslav Šuta: Uhlíkové nanotrubice a jejich rizika, EKO - ekologie a společnost, 5–6/2009
Související články
- Vantablack
Externí odkazy
- Obrázky, zvuky či videa k tématu uhlíková nanotrubice na Wikimedia Commons
- Galerie uhlíková nanotrubice na Wikimedia Commons
- (anglicky) Nanohedron.com image gallery with carbon nanotubes
- (anglicky) New Scientist Special Report: a collection of nanotechnology articles, most on nanotubes
- (anglicky) Applications and Markets of Carbon Nanotubes: from issue 6 of Nano Magazine which focused solely on Carbon Nanotubes
- (anglicky) Risk management of carbon nanotubes, Health and Safety Executive.
Tento článek je příliš stručný nebo postrádá důležité informace. Pomozte Wikipedii tím, že jej vhodně rozšíříte. Nevkládejte však bez oprávnění cizí texty. |