Uhlíková nanotrubice

(přesměrováno z Uhlíkové 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.

Typy uhlíkových nanotrubic – schémata

Historie nanotrubic editovat

Začátek vývoje nanotrubic není známý. 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.[1] 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.[2]

Ve 2. dekádě 21. století se platilo za jednostěnné trubice s čirostí nad 90 % cca 1000 USD/g.[3] V roce 2022 se udával celosvětový výnos z prodeje uhlíkových nanotrubic částkou 2 miliardy USD, z toho 22 % za jednostěnné a 78 % za vícestěnné trubice.[4] Výrobní kapacita se odhadovala na 500 ročních tun v Číně a v Japonsku, největší evropský výrobce firma OCSiAl (se sídlem v Lucembursku) plánovala 50 ročních tun.[5]

Vlastnosti a použití editovat

 
Disperze mikročástic, nanovláken a nanotrubic v omezeném objemu látky
 
Nanotrubice – mikrosnímek

Druhy nanotrubic editovat

  • Jednostěnné uhlíkové nanotrubky (SWCNT)
  • Dvoustěnné uhlíkové nanotrubky (DWCNT)
  • Vícestěnné uhlíkové nanotrubky (MWCNT)
  • Nekarbonové nanotrubky

Vlastnosti editovat

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 editovat

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 editovat

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

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 editovat

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 editovat

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 editovat

Reference editovat

  1. From the archives: carbon nanotube article [online]. Medium, 2017-10-01 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky) 
  2. Growth of Carbon Nanotubes Via Chemical Vapor Deposition [online]. Arizona State University, 2018 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. The Facts Behind Pricing Carbon Nanotues [online]. Team Trade, 2019-01-19 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky) 
  4. a b The global carbon nanotubes market [online]. Precedence Research, 2023-09-30 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. New perspectives in SWCNT applications [online]. Science Direct, 2022-07-31 [cit. 2023-11-08]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. a b Single-walled carbon nanotubes [online]. Tuball, 2021-05-13 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  7. Growth of half-meter long carbon nanotubes [online]. National Library of Medicine, 2014-03-25 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  8. Carbon nanotube and its applications in textile industry [online]. Taylor&Francis, 2018-02-01 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  9. a b Miroslav Šuta: Uhlíkové nanotrubice a jejich rizika, EKO - ekologie a společnost, 5-6/2009
  10. MIHULKA, Stanislav. První lidský enzym degradující nanotrubičky [online]. Osel.cz, 2010. Dostupné online. 
  11. http://monographs.iarc.fr/ENG/Classification/ClassificationsGroupOrder.pdf Archivováno 25. 10. 2011 na Wayback Machine. – Agents Classified by the IARC Monographs
  12. Miroslav Šuta: Nanotechnologie: Velké přísliby i značná rizika nanotrubic Archivováno 16. 10. 2009 na Wayback Machine., respekt.cz, 28. srpna 2007

Literatura editovat

  • Miroslav Šuta: Uhlíkové nanotrubice a jejich rizika, EKO - ekologie a společnost, 5–6/2009

Související články editovat

Externí odkazy editovat