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
[editovat | editovat zdroj]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
[editovat | editovat zdroj]
Druhy nanotrubic
[editovat | editovat zdroj]- Jednostěnné uhlíkové nanotrubky (SWCNT)
- Dvoustěnné uhlíkové nanotrubky (DWCNT)
- Vícestěnné uhlíkové nanotrubky (MWCNT)
- Nekarbonové nanotrubky
Vlastnosti
[editovat | editovat zdroj]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).
Porovnání některých vlastností uhlíkových trubic a nanovláken:
| Struktura trubic/vláken |
Průměr (nm) |
Délka (mm) |
Poměr délka/průměr |
Taž.pevnost (GPa) |
term. vodivost (W/m.K) |
|---|---|---|---|---|---|
| jednostěnné t. | 0,6-2 | <1 | <10 000 | 50-100 | 3000-6000 |
| vícestěnné t. | 7-10 | <1 | 50-4000 | 10-50 | 2000-3000[6] |
| nanovlákna | 50-200 | 0,1 | 250-2000 | 2,92 | 1950[7] |
Způsoby výroby
[editovat | editovat zdroj]| 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 |
Hlavní sektory použití
[editovat | editovat zdroj]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
[editovat | editovat zdroj]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.[8]
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.[9]
Zdravotní rizika
[editovat | editovat zdroj]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.[10]
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.[10] Některé jiné studie však strach z použití uhlíkových trubic zmírňují.[11] 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) .[12]
Ekologická rizika
[editovat | editovat zdroj]Uhlíkové nanotrubice jsou v životním prostředí biologicky dostupné pro živé organismy, mají schopnost dlouhodobě přetrvávat v prostředí a hromadit se v potravních řetězcích.[13]
Odkazy
[editovat | editovat zdroj]Reference
[editovat | editovat zdroj]- ↑ 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)
- ↑ Bhat: Structure and Properties of High-Performance Fibers, Woodhead Publishing 2017, ISBN 9780081005514, str. 80-106
- ↑ 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
[editovat | editovat zdroj]- Morris: Graphene, Carbon Nanotubes, and Nanostructures, CRC Press 2017, ISBN 9781466560574
- Bhat: Structure and Properties of High-Performance Fibers, Woodhead Publishing 2017, ISBN 9780081005514, str. 80-106
- Qing: Carbon Nanotubes and Their Application, Pan Stanford Publishing 2012, ISBN 978-981-4303-18-7
- Miroslav Šuta: Uhlíkové nanotrubice a jejich rizika, EKO - ekologie a společnost, 5–6/2009
Související články
[editovat | editovat zdroj]Externí odkazy
[editovat | editovat zdroj]
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.
