6. Podaj rodzaje i właściwości nanostruktur węglowych oraz obszary ich obecnych i perspetywistycznych zastosowań
Nanostruktury węglowe
Węgiel występuje w przyrodzie w postaci kilku odmian alotropowych: grafitu, diamentu, węgla amorficznego, fulerenów oraz rurek węglowych.
1)Grafit i sadza
Właściwości
Te dwie odmiany alotropowe węgla znalazły największe zastosowanie w przemyśle.
Wszystkie wiązania w graficie mają charakter wiązania amorficznego. Grafit, podobnie jak metale, charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym w obrębie warstwy, jednak o wiele gorszym w kierunku prostopadłym do warstw. Warstwy grafitu oddziałują ze sobą słabymi wiązaniami van der Waalsa. Grafit wykazuje anizotropię właściwości fizycznych (w tym przewodnictwa elektrycznego i cieplnego). Można go łatwo rozłupywać wzdłuż warstw, co daje mu wysokie właściwości smarne.
Zastosowanie
Grafit jest wykorzystywany do
wyrobu suchych smarów,
płyt i tygli ogniotrwałych,
grafitu do ołówków,
elektrod,
części poślizgowych kontaktów elektrycznych,
materiałów polerskich,
wypełniaczy kompozytów,
moderatorów w reaktorach jądrowych,
czarnych farb absorbujących promieniowanie o dużej energii
lakierów chroniących przed korozją.
Sadza jest bezpostaciową odmianą grafitu, znalazła zastosowanie w przemyśle gumowym i tworzyw sztucznych jako wypełniacz oraz do produkcji farb i tuszu.
2) Diament
Właściwości
Jest alotropową odmianą węgla o strukturze regularnej. Przeźroczysty, wykazuje izotropię właściwości we wszystkich kierunkach, jest jednym z najtwardszych materiałów, charakteryzuje się dużą gęstością, brakiem przewodnictwa elektrycznego oraz doskonałym przewodnictwem cieplnym.
Zastosowanie
Ma duży współczynnik załamania światła, dzięki czemu znalazł zastosowanie w
jubilerstwie - brylant to oszlifowany diament.
Proszek diamentowy (z diamentów syntetycznych) stosuje się do produkcji materiałów ściernych oraz narzędzi tnących i skrawających.
Służy również do wyrobu ciągadeł drutów i włókien sztucznych oraz
do wyrobu twardościomierzy.
Cienkie warstwy diamentopodobne DLC (diamond- like carbon) są materiałem inżynierskim o dużej twardości, jednak znacznie mniejszej niż twardość czystego diamentu. Są stosowane w mikroelektronice, inżynierii biomedycznej, do utwardzania powierzchni oraz wszędzie tam, gdzie istotne jest efektywne odprowadzanie ciepła.
Przyszłość: Szersze zastosowanie w aparaturze naukowej i medycznej
3)Fulereny
Właściwości
Są to przestrzennie zamknięte, puste wewnątrz cząsteczki czystego węgla typu sp2, w skład których wchodzi od kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Najbardziej trwałe i dostępne handlowo odmiany to C60 i C70, składające się ze sprzężonych pierścieni pięcio- i sześcioatomowych. W przyrodzie występuje znikoma ilość fulerenów. Dobrze sublimują i rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych.
Zastosowanie
Stosuje się już dziś, m.in. w
produkcji naciągów do rakiet tenisowych i samych rakiet,
fotoogniw polimerowych,
systemów klimatyzacyjnych samochodów,
oprawek okularów,
kijów do gry w golfa,
układów mikroelektronicznych,
smarów do ślizgów desek snoboardowych,
płytek półprzewodnikowych,
kul do gry w kręgle i innych.
Fulereny nie znalazły szerszego zastosowania, jednak przewiduje się, że znajdą zastosowanie w katalizie, biochemii, optoelektronice jako półprzewodniki i nadprzewodniki oraz jako dodatki smarów, włókien i niektórych farmaceutyków (no przy leczeniu choroby Alzheimera).
4) Nanorurki węglowe CNTs (Carbon Nanotubes)
Właściwości
Wiele różnych struktur nanorurek węglowych otrzymuje się przez dowolne zwinięcie struktury grafenu (grafen jest to pojedyncza płaszczyzna grafitu, składająca się wyłącznie z atomów węgla p hybrydyzacji sp2 o strukturze podobnej do plastra miodu). Najczęściej spotykana średnica jednościennych nanorurek węglowych zawiera się w przedziale 0,8- 1,6nm. Podobnie jak grafit charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Mają względnie dużą stabilność termiczną w szerokim zakresie temperatury (do kilkuset°C). Duży moduł Younga sprawia, że są jednymi z najbardziej wytrzymałych materiałów. Są odporne na deformacje: wyginanie, wybrzuszanie, a przy tym są bardzo lekkie (gęstość około 1,3- 1,4 g/cm3). Dużą wytrzymałość i elastyczność zawdzięczają występowaniu wiązań aromatycznych typu sp2 między sąsiednimi atomami węgla. Oprócz tego nie można zapomnieć o doskonałym przewodnictwie cieplnym nanorurek. Właściwości optyczne nanorurek wynikają z ich specyficznej elektronowej struktury pasmowej oraz innych cech struktury: defektów, domieszek, dyslokacji oraz od obecności pola elektrycznego i magnetycznego.
Zastosowanie
dzięki dobrym zdolnościom sorpcyjnym są wykorzystywane do wychwytu różnych związków występujących w śladowych ilościach w fazie ciekłej i gazowej.
nośniki katalizatorów (przemysł chemiczny) i elektrokatalizatorów (ogniwa paliwowe),
fotoogniwa (dotyczy ogniw słonecznych)
membrany filtracyjne (ochrona środowiska)
materiały elektrodowe (baterie litowe)
markery (w biomedycynie)
wypełniacze materiałów kompozytowych
ekrany pola elektromagnetycznego
emitery emisji polowej
nanowłókniny, nanoprzędza
sztuczne muskuły
nośniki leków i genów
Obszary potencjalnych zastosowań nanorurek to m.in. technologia elektronowa (komputery nowej generacji) telekomunikacja (m.in. telefonia komórkowa) wielofunkcyjne materiały
kompozytowe, doładowywane baterie litowe, medyczna inżynieria materiałowa i technologie
obrazujące i wiele innych.
5) Nanokapsułki węglowe
Właściwości
Węglowa otoczka stanowi doskonałe zabezpieczenie zakapsułkowanego indywiduum przed wpływem zewnętrznych czynników, które jednocześnie w pełni zachowuje swoje właściwości fizykochemiczne. Jest to szczególnie istotne w przypadku nanoproszków, których wysoka aktywność chemiczna i powierzchniowa utrudnia bezpośrednie zastosowanie, mogą one bowiem ulegać samorzutnemu utlenianiu lub procesowi aglomeracji.
Nanokapsułki zawierające fazy ferromagnetyczne (Fe, Co, Ni i ich węgliki, NdFeB i inne)
mają dużą szansę praktycznego wykorzystania w produktach komercyjnych.
Zastosowanie
Unikatowe własności nanokapsulek magnetycznych sprawiają, że można je stosować do
zapisu informacji (ang. data storage), uzyskując wysoką gęstość zapisu danych.
powielanie dokumentów (atramenty magnetyczne),
diagnostyka medyczna (czynniki kontrastowe),
elektrotechnika i mechanika precyzyjna (magnesy trwałe),
kataliza heterogenna,
przemysł maszynowy i samochodowy (dodatki do smarów i olejów)
składniki ferrofluidów..
obiecujące perspektywy zastosowań mają
magnetyczne kapsułki węglowe w medycynie.( Są sytuacje, gdy lek o dobrym składzie nie jest skuteczny, gdyż z różnych powodów nie dociera do odpowiedniego miejsca w organizmie. Wyobrażmy sobie kapsułkę wypełnioną magnetykiem (np. FeNdB), do której powierzch. „doczepiamy” odpowiedni lek (lub przeciwciało, ligand, peptyd, czy receptor), wstrzykujemy to pacjentowi, a nastepnie polem magnetycznym przemieszczamy w odpowiednie miejsce.