NANOTUBE KARBON: STRUKTUR, SIFAT, APLIKASI, TOKSISITAS - KIMIA - 2024

The nanotube karbon adalah tabung atau silinder sangat kecil dan sangat tipis yang terbentuk hanya dengan atom karbon (C). Struktur tubularnya hanya terlihat melalui mikroskop elektron. Ini adalah bahan hitam pekat, terdiri dari bundel yang sangat kecil atau bundel dari beberapa lusin nanotube, terjalin bersama untuk membentuk jaringan yang rumit.

Awalan "nano" berarti "sangat kecil". Kata "nano" yang digunakan dalam pengukuran berarti bahwa itu adalah satu miliar pengukuran. Misalnya, nanometer (nm) adalah satu miliar meter, yaitu, 1 nm = 10 ^-9 m.

Sampel tabung nano karbon. Dapat dilihat bahwa itu adalah padatan hitam dengan penampilan seperti karbon. Shaddack. Sumber: Wikimedia Commons.

Setiap tabung nano karbon kecil terdiri dari satu atau lebih lembaran grafit yang membungkus dirinya sendiri. Mereka diklasifikasikan menjadi nanotube berdinding tunggal (lembaran digulung tunggal) dan nanotube multi-dinding (dua atau lebih silinder satu di dalam yang lain).

Tabung nano karbon sangat kuat, memiliki ketahanan tinggi terhadap kerusakan dan sangat fleksibel. Mereka menghantarkan panas dan listrik dengan sangat baik. Mereka juga membuat bahan yang sangat ringan.

Properti ini membuatnya berguna dalam berbagai bidang aplikasi, seperti otomotif, industri kedirgantaraan, dan elektronik. Mereka juga telah digunakan dalam pengobatan, misalnya untuk mengangkut dan mengirimkan obat antikanker, vaksin, protein, dll.

Namun penanganannya harus dilakukan dengan alat pelindung karena bila terhirup dapat menyebabkan kerusakan pada paru-paru.

Penemuan tabung nano karbon

Ada pendapat berbeda dalam komunitas ilmiah tentang siapa yang menemukan tabung nano karbon. Meskipun ada banyak makalah penelitian tentang bahan-bahan ini, hanya beberapa tanggal penting yang disebutkan di bawah ini.

- Pada tahun 1903, ilmuwan Prancis Pélabon mengamati filamen karbon dalam sampel (mikroskop elektron belum tersedia pada tanggal ini).

- Pada tahun 1950, fisikawan Roger Bacon dari perusahaan Union Carbide sedang mempelajari sampel serat karbon tertentu dan mengamati gambar dari serat karbon atau nanobigots (nanowhiskers) lurus dan berlubang.

- Pada tahun 1952, ilmuwan Rusia Radushkevich dan Lukyanovich menerbitkan foto-foto gambar tabung nano karbon yang disintesis sendiri dan diperoleh dengan mikroskop elektron, di mana secara jelas diamati bahwa mereka berlubang.

- Pada tahun 1973, ilmuwan Rusia Bochvar dan Gal'pern menyelesaikan serangkaian perhitungan tingkat energi orbital molekul yang menunjukkan bahwa lembaran grafit dapat berputar sendiri untuk membentuk "molekul berongga".

- Pada tahun 1976, Morinobu Endo mengamati serat karbon dengan bagian tengah berlubang yang dihasilkan oleh pirolisis benzena dan ferosen pada suhu 1000 ° C (pirolisis adalah jenis dekomposisi yang terjadi dengan pemanasan hingga suhu yang sangat tinggi tanpa adanya oksigen).

- Pada tahun 1991, antusiasme terhadap tabung nano karbon dipicu setelah Sumio Iijima mensintesis jarum karbon yang terbuat dari tabung berongga dengan menggunakan teknik busur listrik.

- Pada tahun 1993, Sumio Iijima dan Donald Bethune (bekerja secara independen satu sama lain) secara bersamaan menemukan tabung nano karbon berdinding tunggal.

Interpretasi dari beberapa sumber yang dikonsultasikan

Menurut beberapa sumber informasi, mungkin penghargaan atas penemuan tabung nano karbon harus diberikan kepada ilmuwan Rusia Radushkevich dan Lukyanovich pada tahun 1952.

Diperkirakan bahwa mereka tidak diberi penghargaan yang layak karena pada saat itu yang disebut "perang dingin" ada dan ilmuwan Barat tidak memiliki akses ke artikel Rusia. Selain itu, tidak banyak yang bisa menerjemahkan dari bahasa Rusia, yang selanjutnya menunda penelitian mereka untuk dianalisis di luar negeri.

Dalam banyak artikel dikatakan bahwa Iijima adalah orang yang menemukan tabung nano karbon pada tahun 1991. Namun, beberapa peneliti memperkirakan bahwa dampak dari karya Iijima adalah karena ilmu pengetahuan telah mencapai tingkat kematangan yang cukup untuk menghargai pentingnya tabung nano karbon. nanomaterial.

Beberapa orang mengatakan bahwa dalam dekade tersebut fisikawan umumnya tidak membaca artikel di majalah kimia, di mana tabung nano karbon telah dibahas, dan karena alasan ini mereka "terkejut" dengan artikel Iijima.

Namun semua itu tidak mengurangi kualitas karya Iijima dari tahun 1991. Dan perbedaan pendapat tetap ada.

Tata nama

- Carbon nanotubes, atau CNT (Carbon NanoTubes).

- Tabung nano karbon berdinding tunggal, atau SWCNT (Tabung Nano Karbon Berdinding Tunggal).

- nanotube karbon multi-dinding, atau MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Struktur

Struktur fisik

Tabung nano karbon adalah tabung atau silinder yang sangat halus dan kecil yang strukturnya hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron. Mereka terdiri dari selembar grafit (graphene) yang digulung menjadi tabung.

Carbon nanotube adalah lembaran grafit atau graphene yang digulung: (a) gambar teoritis dari lembaran grafit, (b) gambar teoritis dari lembaran yang digulung atau nanotube karbon. OpenStax. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka adalah molekul silinder berlubang yang hanya terdiri dari atom karbon. Atom karbon tersusun dalam bentuk segi enam kecil (poligon bersisi 6) mirip dengan benzena dan dihubungkan bersama (cincin benzen terkondensasi).

Gambar tabung nano karbon di mana Anda dapat melihat segi enam kecil dari 6 atom karbon. Pengguna: Gmdm. Sumber: Wikimedia Commons.

Tabung mungkin dicolokkan atau tidak pada bukaannya dan bisa sangat panjang dibandingkan dengan diameternya. Mereka setara dengan lembaran grafit (graphene) yang digulung menjadi tabung mulus.

Struktur kimia

CNT adalah struktur polyaromatik. Ikatan antar atom karbon bersifat kovalen (yaitu, tidak ionik). Tautan ini berada dalam bidang yang sama dan sangat kuat.

Kekuatan ikatan C = C membuat CNT sangat kaku dan kuat. Dengan kata lain, dinding tabung ini sangat kuat.

Sambungan di luar bidang sangat lemah, yang berarti tidak ada sambungan yang kuat antara satu tabung dan tabung lainnya. Namun, mereka adalah gaya menarik yang memungkinkan pembentukan bundel atau bundel nanotube.

Klasifikasi menurut jumlah tabung

Karbon nanotube dibagi menjadi dua kelompok: tabungnano dinding tunggal, atau SWCNT (Tabung Karbon Dinding Tunggal), dan tabungnano multi-dinding, atau MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Jenis nanotube: (1) citra nyata nanotube multi-dinding, (2) gambar nanotube berdinding tunggal, (3) gambar lembaran grafit atau graphene. W2raphael. Sumber: Wikimedia Commons.

Karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNT) terdiri dari lembaran graphene tunggal yang digulung menjadi silinder, di mana simpul segi enam cocok bersama-sama dengan sempurna untuk membentuk tabung mulus.

Nanotube karbon multi-dinding (MWCNTs) terdiri dari silinder konsentris yang ditempatkan di sekitar pusat berongga umum, yaitu dua atau lebih silinder berlubang yang ditempatkan di dalam satu sama lain.

Nanotube multi-dinding terdiri dari dua atau lebih silinder satu di dalam yang lain. Eric Wieser. Sumber: Wikimedia Commons.

Citra nyata dari nanotube karbon berdinding banyak diperoleh dengan mikroskop elektron. Oxirane. Sumber: Wikimedia Commons.

Klasifikasi menurut bentuk lilitan

Bergantung pada cara lembaran graphene digulung, pola yang dibentuk oleh segi enam di CNT dapat berupa: berbentuk kursi, berbentuk zigzag, dan heliks atau kiral. Dan ini memengaruhi propertinya.

Citra nyata dari nanotube karbon kiral atau heliks. Taner Yildirim (Institut Standar dan Teknologi Nasional - NIST). Sumber: Wikimedia Commons.

Properti fisik

Nanotube karbon berbentuk padat. Mereka berkumpul untuk membentuk karangan bunga, bundel, bundel atau "string" dari beberapa lusin nanotube, terjalin bersama untuk membentuk jaringan yang sangat padat dan rumit.

Citra nyata nanotube karbon diperoleh dengan mikroskop elektron. Terlihat bahwa mereka membentuk ikatan yang terjerat satu sama lain. Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris. Sumber: Wikimedia Commons.

Mereka memiliki kekuatan tarik lebih besar dari baja. Artinya mereka memiliki daya tahan yang tinggi terhadap pecah saat mengalami stres. Secara teori, mereka bisa ratusan kali lebih kuat dari baja.

Mereka sangat elastis, bisa ditekuk, diputar dan dilipat tanpa kerusakan dan kemudian kembali ke bentuk awalnya. Mereka sangat ringan.

Mereka adalah konduktor panas dan listrik yang baik. Mereka dikatakan memiliki perilaku elektronik yang sangat serbaguna atau memiliki konduktivitas elektronik yang tinggi.

Tabung CNT yang segi enamnya tersusun dalam bentuk kursi berlengan memiliki sifat logam atau mirip dengan logam.

Yang tersusun dalam pola zig-zag dan heliks dapat berupa logam dan semikonduktor.

Sifat kimiawi

Karena kekuatan ikatan antara atom karbonnya, CNT dapat menahan suhu yang sangat tinggi (750 ° C pada tekanan atmosfer dan 2800 ° C dalam kondisi vakum).

Ujung nanotube secara kimiawi lebih reaktif daripada bagian silinder. Jika mereka mengalami oksidasi, ujungnya dioksidasi terlebih dahulu. Jika tabung ditutup ujungnya terbuka.

Ketika diolah dengan asam nitrat HNO ₃ atau asam sulfat H ₂ SO ₄ dalam kondisi tertentu CNT dapat membentuk gugus tipe karboksilat -COOH atau gugus tipe kuinon O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT dengan diameter lebih kecil lebih reaktif. Nanotube karbon dapat mengandung atom atau molekul spesies lain di saluran internal mereka.

Kelarutan

Karena fakta bahwa CNT tidak memiliki gugus fungsi pada permukaannya, ia sangat hidrofobik, yaitu sangat kurang kompatibel dengan air dan tidak larut di dalamnya atau dalam pelarut organik nonpolar.

Namun, jika mereka direaksikan dengan beberapa senyawa, CNT dapat larut. Misalnya dengan asam nitrat HNO ₃ dapat dilarutkan dalam beberapa pelarut jenis amida dalam kondisi tertentu.

Sifat biokimia

Nanotube karbon murni bersifat bio-kompatibel, artinya tidak kompatibel atau terkait dengan kehidupan atau jaringan hidup. Mereka menghasilkan respon imun dari tubuh, karena dianggap sebagai elemen agresif.

Untuk alasan ini, para ilmuwan secara kimiawi memodifikasinya sedemikian rupa sehingga dapat diterima oleh jaringan tubuh dan dapat digunakan dalam aplikasi medis.

Mereka dapat berinteraksi dengan makromolekul seperti protein dan DNA, yang merupakan protein penyusun gen makhluk hidup.

Memperoleh

Nanotube karbon dibuat dari grafit dengan berbagai teknik seperti penguapan pulsa laser, pelepasan busur listrik, dan deposisi uap kimia.

Mereka juga telah diperoleh dari aliran karbon monoksida (CO) bertekanan tinggi melalui pertumbuhan katalitik dalam fase gas.

Kehadiran katalis logam dalam beberapa metode produksi membantu penyelarasan tabung nano multi-dinding.

Namun, tabung nano karbon bukanlah molekul yang selalu sama. Berdasarkan metode preparasi dan kondisinya, diperoleh dengan panjang, diameter, struktur, berat yang berbeda, dan akibatnya memiliki sifat yang berbeda.

Aplikasi tabung nano karbon

Sifat CNT membuatnya cocok untuk berbagai macam kegunaan.

Mereka telah digunakan dalam bahan struktural untuk elektronik, optik, plastik, dan produk lainnya di bidang nanoteknologi, industri dirgantara, dan produksi otomotif.

Tabung nano karbon memiliki banyak kegunaan yang berbeda. Ini adalah gambar nyata dari tabung nano karbon yang diperoleh dengan mikroskop elektron. Ilmar Kink. Sumber: Wikimedia Commons.

Komposisi atau campuran bahan dengan CNT

CNT telah digabungkan dengan polimer untuk membuat serat dan kain polimer yang diperkuat dengan kinerja tinggi. Misalnya mereka telah digunakan untuk memperkuat serat poliakrilonitril untuk tujuan pertahanan.

Campuran CNT dengan polimer juga dapat dirancang untuk memiliki sifat konduktif listrik yang berbeda. Mereka meningkatkan tidak hanya kekuatan dan kekakuan polimer tetapi juga menambah sifat konduktivitas listrik.

Serat dan kain CNT juga diproduksi dengan kekuatan yang mirip dengan aluminium dan baja karbon, tetapi jauh lebih ringan dari ini. Pelindung tubuh telah dirancang dengan serat seperti itu.

Mereka juga telah digunakan untuk mendapatkan keramik yang lebih tahan.

Perangkat elektronik

Tabung nano karbon memiliki potensi besar dalam elektronik vakum, perangkat nano, dan penyimpanan energi.

CNT dapat berfungsi sebagai dioda, transistor dan relai (perangkat elektromagnetik yang memungkinkan membuka dan menutup rangkaian listrik).

Mereka juga dapat memancarkan elektron saat terkena medan listrik atau jika tegangan diterapkan.

Sensor gas

Penggunaan CNT dalam sensor gas memungkinkannya menjadi kecil, kompak, dan ringan dan dapat dikombinasikan dengan aplikasi elektronik.

Konfigurasi elektronik CNT membuat sensor menjadi sangat sensitif terhadap jumlah gas yang sangat kecil dan, selanjutnya, CNT dapat diadaptasi secara kimiawi untuk mendeteksi gas tertentu.

Aplikasi medis

Karena luas permukaannya yang tinggi, stabilitas kimiawi yang sangat baik, dan struktur polyaromatik yang kaya elektron, CNT dapat menyerap atau berkonjugasi dengan berbagai macam molekul terapeutik, seperti obat-obatan, protein, antibodi, enzim, vaksin, dll.

Mereka telah terbukti menjadi sarana yang sangat baik untuk pengiriman dan pengiriman obat, menembus langsung ke dalam sel dan menjaga obat tetap utuh selama pengangkutannya ke seluruh tubuh.

Yang terakhir memungkinkan untuk mengurangi dosis obat dan toksisitasnya, terutama obat antikanker.

CNT telah terbukti bermanfaat dalam terapi melawan kanker, infeksi, regenerasi jaringan, penyakit neurodegeneratif, dan sebagai antioksidan.

Mereka juga digunakan dalam diagnosis penyakit, dalam analisis tertentu, seperti biosensor, pemisahan obat dan ekstraksi senyawa biokimia.

Mereka juga digunakan dalam prostesis ortopedi dan sebagai bahan pendukung untuk pertumbuhan jaringan tulang.

Aplikasi lain

Mereka juga telah diusulkan sebagai bahan untuk baterai dan membran sel bahan bakar, anoda untuk baterai lithium ion, superkapasitor, dan filter kimia.

Konduktivitas listriknya yang tinggi dan kelembaman kimiawinya yang relatif membuatnya berguna sebagai elektroda dalam reaksi elektrokimia.

Mereka juga dapat melekat pada partikel reaktan dan, karena luas permukaannya yang besar, dapat berfungsi sebagai pendukung katalis.

Mereka juga memiliki kapasitas untuk menyimpan hidrogen, yang sangat berguna dalam kendaraan yang menggunakan gas tersebut, karena dengan CNT dapat diangkut dengan aman.

Toksisitas tabung nano karbon

Penelitian telah mengungkapkan kesulitan dalam mengevaluasi toksisitas CNT. Ini tampaknya tergantung pada karakteristik seperti panjang, kekakuan, konsentrasi, dan durasi paparan CNT. Itu juga tergantung pada metode produksi dan kemurnian CNT.

Namun, disarankan untuk menggunakan alat pelindung saat menangani CNT karena ada penelitian yang menunjukkan kesamaannya dengan serat asbes dan menghirup debu CNT dapat menyebabkan kerusakan pada paru-paru.

Teknisi menimbang sampel tabung nano karbon. Anda dapat melihat alat pelindung yang digunakannya. Institut Nasional AS untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja. Sumber: Wikimedia Commons.

Gambaran nyata tentang bagaimana tabung nano karbon melewati sel di paru-paru. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova dan Dale W. Porter / NIOSH. Sumber: Wikimedia Commons.

Referensi

1. Basu-Dutt, S. dkk. (2012). Kimia Nanotube Karbon untuk Semua Orang. J. Chem. Educ.2012, 89, 221-229. Dipulihkan dari pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. dan Kuznetsov, VL (editor). (2006). Siapa yang harus diberi penghargaan atas penemuan tabung nano karbon? Karbon 44 (2006) 1621-1623. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Nanotube karbon: properti, sintesis, pemurnian, dan aplikasi medis. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI dkk. (2016) nanotube karbon dari sintesis ke aplikasi biomedis in vivo. Jurnal Internasional Farmasi 501 (2016) 278-299. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanotube dari Karbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Dipulihkan dari pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. dkk. (2002). Kimia Nanotube Karbon Berdinding Tunggal. Acc. Chem. Res.2002, 35, 1105-1113. Dipulihkan dari pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Sintesis Nanotube Karbon. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Nanotube karbon - menjadi bersih. Materialstoday Volume 10, Masalah 1-2, halaman 28-35. Dipulihkan dari reader.elsevier.com.
9. Dia, H. et al. (2013). Nanotube Karbon: Aplikasi di Farmasi dan Kedokteran. Biomed Res Int.2013; 2013: 578290. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP dan Devasena, T. (2018). Toksisitas tabung nano karbon: Tinjauan. Toksikologi dan Kesehatan Industri (2018) 34, 3. Diperoleh dari journal.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometri Karbon Nanotubes dan Mekanisme Fagositosis dan Efek Beracun. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.