Применение углеродных нанотрубок: Углеродные нанотрубки: виды и области применения. Cleandex

Углеродные нанотрубки: виды и области применения. Cleandex

Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру.

Классификация

Основная классификация нанотрубок проводится по количеству составляющих их слоев.

Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SNWTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как «обертывание» гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, в бесшовный цилиндр.

Верхние концы трубок закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половины молекулы фуллерена.

Рисунок 1. Графическое изображение однослойной нанотрубки

Чтобы быть в курсе последних новостей, событий и аналитических публикаций в области наноматериалов, оформите подписку на новости ИАА Cleandex.

Многослойные нанотрубки (multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.

Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая «матрешка»). В другом случае, один «лист» графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель «пергамента»).

Рисунок 2. Графическое изображение многослойной нанотрубки (модель «матрешка»)

 

Методы синтеза

Наиболее распространенными методами синтеза нанотрубок являются электродуговой метод, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы (CVD).

Дуговой разряд (Arc discharge) — сущность этого метода состоит в получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках для получения фуллеренов. Однако здесь используются другие режимы горения дуги: низкие плотности тока дугового разряда, более высокое давление гелия (~ 500 Торр), катоды большего диаметра.

Для увеличения выхода нанотрубок в продуктах распыления в графитовый стержень вводится катализатор (смеси металлов группы железа), изменяется давление инертного газа и режима распыления.

В катодном осадке содержание нанотрубок достигает 60%. Образующиеся нанотрубки длиной до 40 мкм растут от катода перпендикулярно его поверхности и объединяются в цилиндрические пучки диаметром около 50 км.

Лазерная абляция (Laser ablation)

Этот метод был изобретен Ричардом Смалли и сотрудниками Rice University» и основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературной реакторе. Нанотрубки появляются на охлажденной поверхности реактора как конденсат испарения графита. Водоохлаждаемая поверхность может быть включена в систему сбора нанотрубок.

Выход продукта в этом методе – около 70%. С его помощью получают преимущественно однослойные углеродные нанотрубки с контролируемым посредством температуры реакции диаметром. Однако стоимость данного метода намного дороже остальных.

Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD)

Метод каталитического осаждения паров углерода был выявлен еще в 1959 году, однако до 1993 года никто не предполагал, что в этом процессе можно получить нанотрубки.

В процессе этого метода готовится подложка со слоем катализатора – частиц металла (чаще всего никеля, кобальта, железа или их комбинаций). Диаметр нанотрубок, выращенных таким способом, зависит от размера металлических частиц.

Подложка нагревается примерно до 700 оС. Для инициации роста нанотрубок в реактор вводят два типа газов: технологический газ (например, аммиак, азот, водород и т. д. ) и углеродосодержащий газ (ацитилен, этилен, этанол, метан и т. д. ). Нанотрубки начинают расти на участках металлических катализаторов.

Этот механизм является наиболее распространенным коммерческим методом производства углеродных нанотрубок. Среди других методов получения нанотрубок CVD наиболее перспективен в промышленных масштабах благодаря наилучшему соотношению в плане цены на единицу продукции. Кроме того, он позволяет получать вертикально ориентированные нанотрубки на желаемом субстрате без дополнительного сбора, а также контролировать их рост посредством катализатора.

Области применения

Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз. Однако наиболее перспективными их них являются именно нанотрубки.

Интересуетесь бизнесом в области наноматериалов? Тогда Вас могут заинтересовать

Углеродные нанотрубки станут основой новой электроники

Нанотрубки имеют перспективы использования во многих областях современной техники, но их наиболее эффективное применение связано с разработками в различных разделах современной электроники. Так, на их основе собраны транзисторы, нанопровода, самый экономичный логический вентиль, самый плотный массив для создания радиаторов и производства электродов, нанторубки – эффективный термоустойчивый межфазный материал. Cенсацией последнего времени стало создание компьютера на основе углеродных нанотрубок. Похоже, они начинают вытеснять из электроники традиционный кремний…

Нанотрубки (НТ) имеют малые размеры (область нанометров), которые можно задавать в различных пределах, в зависимости от условий синтеза. Им свойственна электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность. Все эти свойства позволяют считать нанотрубки основой будущих элементов наноэлектроники.

Типичная структура одностенных углеродных нанотрубок (модель)

Важным для применения в электронике свойством НТ является то, что, согласно расчетам, электронные свойства, а также хиральность («скрученность» атомарной решетки) идеальной структуры НТ меняется при внедрении в однослойную нанотрубку в качестве дефекта пары пятиугольник–семиугольник. При рассмотрении структуры (8,0)/(7,1) расчеты показали, что трубка с хиральностью (8,0) – это полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, а трубка с хиральностью (7,1) является полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны.

Это позволяет создавать на базе НТ электронные приборы (диоды, транзисторы, резисторы), подобные традиционным кремниевым.

НТ с разной хиральностью могут выступать как полупроводники, полуметаллы и пр.

Гетеропереходы полупроводник–полупроводник с различными значениями ширины запрещенной зоны могут быть получены таким же образом посредством внедрения дефекта. Поэтому нанотрубку с внедренным в нее дефектом можно рассматривать в качестве гетероперехода металл-полупроводник. На основе этого гетероперехода можно реализовать полупроводниковый элемент очень малых размеров, меньше нынешних кремниевых.

Создание новых типов миниатюрных элементов электронных схем на основе нанотрубок – не единственное применение в электронике. На их основе можно создать тончайший измерительный инструмент, который используется, чтобы контролировать неоднородности поверхностей таких схем (при помощи сканирующей зондовой микроскопии или СТМ).

В одной из работ в данном направлении для исследования поверхности на нанометровом уровне в качестве зонда была использована многослойная нанотрубка. Использовать нанотрубки для этой цели позволяет их высокая механическая прочность. Это качество подтверждается результатами прямых измерений, согласно которым модуль Юнга в аксиальном направлении составляет порядка 7000 ГПа. В то же время сталь и иридий, которые обычно используются для изготовления таких зондов, имеют значение этого параметра в пределах 200 и 500 ГПа соответственно.

На основе нанотрубок собран самый экономичный переключатель

Исследователи из университета Иллинойса и университета Миннесоты в США представили прототип микроэлектронного логического устройства с рекордно низким уровнем энергопотребления. Использование углеродных нанотрубок в конструкции логического переключателя позволило довести необходимую для работы устройства мощность до нескольких десятых долей нВт. Подробности приведены в статье ученых для журнала Nano Letters.

Исследователи продемонстрировали небольшую интегральную, выполненную по КМОП-схеме, построив логический инвертор на двух транзисторах. Взяв изолирующую подложку из оксида кремния, ученые разместили на ней дорожки из золота и оксида алюминия, а затем поместили в промежутки между ними углеродные нанотрубки для создания транзисторных затворов. За исключением этих элементов весь остальной чип был изготовлен стандартными методами вроде послойного атомного осаждения, поэтому, как пишут авторы прототипа, речь идет не о совершенно новой элементной базе, а о расширении уже существующей технологии.

Измерения показали, что устройство в статичном режиме (то есть при нахождении в одном из двух состояний, «закрытом» или «открытом») потребляет около одной десятой доли нВт. Этот показатель подтвердился и при испытании более сложных логических устройств, сочетающих инвертор с логическими элементами «И» и «ИЛИ». В момент переключения, то есть на пике мощности, потребление энергии достигло десяти нВт. Чип с миллиардом таких элементов потратит около десяти ватт в предположении, что мощность тратится только на переключение логических элементов и не рассеивается за счет электрического сопротивления проводников. (Для сравнения, современные кремниевые процессоры с миллиардом транзисторов потребляют в активной работе от 10 до 100 Вт, в зависимости от рабочей частоты.)

По мнению исследователей, это позволяет говорить о практической реализуемости микроэлектроники с использованием нанотрубок, причем в рамках наиболее широко используемой схемотехники. КМОП-схемы получили широкое распространение в 90-е годы XX столетия и сейчас на их основе выполнена большая часть коммерческих устройств. Основными достоинствами КМОП является низкое энергопотребление и технологичность производства. Описанный в новой работе прототип позволяет еще больше снизить энергопотребление, сохранив при этом возможность массового производства.

Самый плотный массив из нанотрубок

Группа физиков из Кембриджского университета в Великобритании и лабораторий TASC в Италии вырастила на покрытой титаном медной подложке рекордно плотный «лес» из вертикально стоящих углеродных нанотрубок. Такие структуры, напоминающие плотные щетки, ученые предполагают использовать при производстве электродов, а также для изготовления радиаторов. Подробности со ссылкой на статью исследователей в журнале Applied Physics Letters приводит EurekAlert со ссылкой на материалы Американского физического института.

Ученые подчеркивают то, что нанотрубки, плотность которых достигает 1,6 грамм на кубический сантиметр, выращены при сравнительно низкой температуре — всего 450 С. Исследователи использовали медные пластины, которые покрыли слоем титана с небольшим добавлением кобальта и молибдена. Добавка этих двух элементов позволила ускорить рост углеродных нанотрубок без нагрева до высоких температур: с технологической точки зрения это приближает экспериментальную методику к промышленному производству микроэлектроники. Кроме того, особый интерес представляет выращивание именно на проводнике, а не на изоляторе, поскольку нанотрубки на поверхности металлов рассматриваются как перспективный материал для микроэлектронных устройств.

Авторы исследования считают, что со временем такие медные пластины, покрытые щеткой из нанотрубок, могут вытеснить обычные медные контакты. Кроме того, углеродные нанотрубки хорошо проводят тепло, поэтому материалы, подобные изготовленным в лаборатории физиков, могут найти применение при производстве радиаторов.

Плотность нанотрубок в чистом виде обычно не указывается, так как этот параметр очень сильно зависит от толщины стенок (бывают как одно-, так и многослойные нанотрубки) и соотношения длины и диаметра нанотрубок. Применение на практике нанотрубок пока что ограничено некоторыми композитными материалами, а также использованием их в роли игл для сканирующих атомно-силовых микроскопов, но сочетание высокой теплопроводности, прочности на разрыв и малой массы делают их перспективным материалом сразу в нескольких отраслях.

Термоустойчивый межфазный материал

Использование углеродных нанотрубок в качестве термоустойчивого межфазного материала, а также их применение в прозрачных проводниках считается наиболее перспективным. Хотя исследователи и специалисты считают, что имеется большое количество способов применения углеродных нанотрубок в электронике. Жаль, что реализовать эти технологии на практике пока что не всегда возможно.

Необходимость использования углеродных нанотрубок в электронике объясняется ростом цены на индий и снижением его запасов. Этот металл используется в теплоотводах центральных процессоров, графических процессоров и в (автомобильных) транзисторах большой мощности. Интересны также использования углеродных нанотрубок в качестве термоустойчивого межфазного материала для изготовления сверхъярких светодиодов. Углеродные нанотрубки по своим уникальным качествам превосходят и серебросодержащий клей, и другие соединения на основе металлов. Пленки из углеродных нанотрубок более прочны к механическим повреждениям чем пленки из индий-оловянного оксида, что является дополнительных преимуществом их применения.

Основным применением углеродных нанотрубок в электронике является создание полевых транзисторов с нижним затвором на основе отдельных однослойных углеродных нанотрубок (SWNT-FET). Высокая подвижность носителей зарядов в углеродных нанотрубках  делает возможными их широкое применение в высокочастотных транзисторах.

IBM изготовила транзистор на основе углеродных нанотрубок

Дальнейшие задачи по совершенствованию данной технологии включают контроль хиральности и диаметра, повышение выхода работающих устройств, повышение воспроизводимости контакта, обеспечение полупроводящих свойств углеродных НТ, улучшение однородности устройств, контроль за их позиционированием и разработку процесса, который может быть расширен до массового производства.

Несмотря на возможность достижения высоких рабочих частот, использование полевых транзисторов на основе углеродных НТ в обычных интегральных схемах остается маловероятным в ближайшем будущем. Действительно, потенциальные улучшения в характеристиках по сравнению с обычными полупроводниками не компенсируют необходимые огромные усилия на уровне используемых материалов для решения проблем селективного размещения и изменчивости НТ. С другой стороны, когда углеродные НТ сравнивают с органическими материалами в области гибкой электроники, преимущества первых по всем характеристикам огромны. Низкая подвижность носителей заряда в органических веществах (как правило, в диапазоне 10-3–10 см2/В·с) препятствует их использованию при высоких частотах.

Создание сенсоров

Использование углеродных НТ для сенсоров является одним из наиболее интересных их применений в электронике. И одностенные, и многостенные НТ (как модифицированные под конкретные применения, так и универсальные) были исследованы как отдельные объекты и как часть функциональных систем. В литературе представлено описание большого количества прототипов и способов создания газовых, электрохимических и биологических сенсоров и даже приборов, основанных на полевом эффекте, позволяющих детектировать экстремально малые концентрации NO2. Ультратонкие пленки из одностенных НТ на сегодняшний момент могут стать наиболее подходящей основой для электронных сенсоров с точки зрения широты шкалы и могут быть изготовлены на основе различных подходов, включая диэлектрофорез, прямое выращивание методом CVD и передачу через раствор, например, введение в полимерное покрытие.

Ученые из Технологического института Джорджии создали бумажный беспроводной сенсор на основе углеродных нанотрубок

Что касается применений углеродных нанотрубок в биотехнологической отрасли, то большинство сосредоточено в области биосенсоров, биочипов, контроля действия и адресной доставки лекарств. В ближайшие десять лет развитие биосенсоров и применения в них нанотехнологий позволит осуществлять проектирование и изготовление миниатюрных анализаторов для клинических применений, позволяющих анализировать несколько параметров, не заставляя больного вставать с постели, с использованием всего 3 мкл крови. Использование квантовых точек, самосборки, многофункциональных наночастиц, наношаблонов и работа на наноуровне, включая наноимпринтинг, будут оказывать наибольшее влияние на развитие более чувствительных и быстрых методов диагностики, что позволит улучшить точность адресной доставки лекарств. Высокопроизводительный анализ, проводимый с использованием нанотехнологий, позволит также уменьшить время, необходимое для вывода новой технологии доставки лекарств на рынок.

Создан первый компьютер на основе углеродных нанотрубок

Группе ученых из Стэнфордского университета удалось сделать крупный шаг на пути к применению углеродных НТ в электронике и вычислительной технике, шаг, который поможет вытеснить кремний с господствующих позиций в этих областях. Этим шагом стало создание первого функционирующего вычислительного устройства с процессором, все элементы которого изготовлены из углеродных НТ.

По сравнению с современными процессорами и компьютерами, новый компьютер выглядит совсем простым. Его процессор состоит из 178 транзисторов, в то время как кристаллы современных процессоров содержат миллиарды транзисторов. Новый процессор может обрабатывать один бит информации, современные же процессоры являются в большинстве 32- и 64-разрядными, а работает новый процессор на частоте в 1 КГц, что приблизительно в миллион раз меньше частоты работы процессоров современных смартфонов.

Схема компьютера на углеродных нанотрубках. Изображение: Max M. Shulaker et al., Nature, 2013

Однако, и электроника на кремниевых транзисторах проходила по такому пути развития, поэтому достижение стенфордских ученых является важной вехой на пути дальнейшего развития современной электроники, которая в будущем уйдет от использования кремния. «Впервые в истории науки и техники людям удалось создать работающий компьютер, основанный на технологии, отличной от традиционной КМОП-технологии», – рассказывает Нэреш Шэнбхэг (Naresh Shanbhag), ученый из университета Иллинойса, который вместе со стэндфордскими коллегами принимает участие в работе исследовательского консорциума SONIC.

Ученым пришлось преодолеть две ключевые проблемы. Углеродные НТ, которые являются основой нового процессора, могут быть выращены с помощью достаточно простого метода химического осаждения углерода из паровой фазы. Но в ходе такого процесса могут быть получены углеродные НТ, обладающие металлическими или полупроводниковыми свойствами. «Металлические» токопроводящие НТ являются нежелательными, поскольку они действуют как микропроводники, которые могут произвести короткие замыкания в электронной схеме.

Другим камнем преткновения является упорядочивание выращенных углеродных НТ. Используя специальные «шаблонные» подложки можно добиться роста параллельных НТ, выровненных в одном определенном направлении. Но, некоторая часть из них обязательно отклонится от общего направления и соединится с соседними НТ, замкнув их электрические цепи.

Первая проблем была решена учеными следующим образом. Через «лес» выращенных НТ был пропущен электрический ток достаточно сильной величины. Токопроводящие металлические углеродные НТ разогрелись, окислились и сгорели, превратившись в углекислый газ, а полупроводниковые НТ, через которые не проходил электрический ток, остались в целости и сохранности.

Вторая проблема была решена более сложным путем. Для создания микропроцессора была выращена заготовка из НТ, в несколько раз превышающая по размерам будущую электронную схему. Используя метод лазерной микрогравировки и микрорезки, управляемый с помощью сложного алгоритма, основанного на теории графов, исследователи просто «вырезали» дефектные участки заготовки, одновременно формируя структуру будущей электронной схемы.

В результате всех усилий у ученых получился микропроцессор, кардинально отличающийся от современных процессоров, как по структуре, организации, так и по принципам его работы. Транзисторы нового процессора обеспечивают его работу по принципам архаичной ныне PMOS-логики, в которой транзистор управляется подачей отрицательного напряжения на управляющий электрод, а его активным состоянием является закрытое состояние.

Но, такой микропроцессор способен выполнить все то, что можно ожидать от обычного процессора. Он может работать под управлением операционной системы и обеспечивать многозадачную среду. А в набор его команд входят все 20 основных команд из достаточно распространенного набора инструкций MIPS-архитектуры. Тем не менее, такой процессор на самом низком уровне способен выполнить одну единственную команду SUBNEG (вычитание и переход по указанному адресу, если результат вычитания отрицательный). Несмотря на это, имея в распоряжении достаточно большое количество памяти, из последовательности команд SUBNEG можно составить алгоритмы вычисления любой сложности.

Конечно, существует еще масса нерешенных вопросов. В своей работе стэндфордская команда использовала метод оптической литографии, обеспечивающий разрешающую способность в 1 мкм, что обусловило большие размеры транзисторов из углеродных нанотрубок, которых поместилось всего 5 экземпляров на одном квадратном микрометре площади.

Электронная цепь, построенная из нанотрубок (изображение с микроскопа)

Эта плотность должна быть увеличена в 100-200 раз и более для того, чтобы можно было увеличить скорость работы электронных схем и сделать весь процесс производства эффективным с экономической точки зрения. Еще одним вопросом, который предстоит решить ученым, является равномерность расположения транзисторов из углеродных нанотрубок, что позволит производить чипы, имеющие одинаковую структуру и характеристики.

Углеродные нанотрубки имеют множество уникальных полезных свойств, позволяющих эффективно использовать их в области электроники. Фундаментальные исследования будут продолжаться, по крайней мере, в ближайшее десятилетие.

Читайте также:
Углеродные транзисторы IBM перешагнули барьер производительности
ISSCC выдвигает на передний план электроники нанотрубки и беспроводные коммуникации
Нанотрубки против лазера: начинают и выигрывают
Нанотрубки стали основой нового типа солнечных батарей
Углеродные нанотрубки превратили паутину в сверхпрочные провода
Углеродные нанотрубки для энергоэффективных вычислений
Углеродные нанотрубки стали основой голограммы
Физики создали сверхпрочные нанопровода из углеродных нанотрубок
Углеродные транзисторы вырастили на нитях ДНК
Создан полностью углеродный фотоэлемент

Углеродные нанотрубки: применение в фармации и медицине

Обзор

. 2013;2013:578290.

дои: 10.1155/2013/578290. Epub 2013 30 сентября.

Хуа Хэ ¹ , Лиен Ай Фам-Хуи, Пьер Драму, Дели Сяо, Пэнли Зуо, Чуонг Фам-Хуи

принадлежность

• ¹ Китайский фармацевтический университет, Нанкин 210009, Китай; Ключевая лаборатория контроля качества лекарственных средств и фармаконадзора, Министерство образования, Китайский фармацевтический университет, Нанкин 210009, Китай.

• PMID: 24195076
• PMCID: PMC3806157
• DOI: 10. 1155/2013/578290

Бесплатная статья ЧВК

Обзор

Hua He et al. Биомед Рез Инт. 2013.

Бесплатная статья ЧВК

. 2013;2013:578290.

дои: 10.1155/2013/578290. Epub 2013 30 сентября.

Авторы

Хуа Хэ ¹ , Лиен Ай Фам-Хуи, Пьер Драму, Дели Сяо, Пэнли Цзо, Чуонг Фам-Хуи

принадлежность

• ¹ Китайский фармацевтический университет, Нанкин 210009, Китай; Ключевая лаборатория контроля качества лекарственных средств и фармаконадзора, Министерство образования, Китайский фармацевтический университет, Нанкин 210009, Китай.

• PMID: 24195076
• PMCID: PMC3806157
• DOI: 10.1155/2013/578290

Абстрактный

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой аллотропы углерода, изготовленные из графита и сконструированные в виде цилиндрических трубок нанометрового диаметра и нескольких миллиметров в длину. Их впечатляющие структурные, механические и электронные свойства обусловлены небольшими размерами и массой, сильным механическим потенциалом и высокой электропроводностью и теплопроводностью. УНТ успешно применяются в фармации и медицине благодаря большой площади поверхности, способной адсорбировать или конъюгировать с широким спектром терапевтических и диагностических средств (лекарства, гены, вакцины, антитела, биосенсоры и т. д.). Впервые было доказано, что они являются отличным средством доставки лекарств непосредственно в клетки без метаболизма в организме. Затем широко применялись другие применения УНТ не только для лекарственной и генной терапии, но и для регенерации тканей, биосенсорной диагностики, разделения энантиомеров хиральных лекарств, экстракции и анализа лекарств и загрязняющих веществ. Кроме того, недавно было обнаружено, что УНТ являются многообещающими антиоксидантами. В этом мини-обзоре основное внимание уделяется применению УНТ во всех областях фармации и медицины, от терапии до анализа и диагностики, как указано выше. В нем также рассматриваются фармакокинетика, метаболизм и токсичность различных форм УНТ и обсуждаются перспективы, преимущества и препятствия этой многообещающей бионанотехнологии в будущем.

Цифры

Рисунок 1

Концептуальные схемы одностенных карбоновых…

Рисунок 1

Концептуальные схемы одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) (а) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ)…

фигура 1

Концептуальные схемы одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) (а) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) (б). Изображение из свободного доступа в Интернете.

Рисунок 2

Углеродная нанотрубка с закрытым…

Рисунок 2

Углеродная нанотрубка с закрытыми концами.

фигура 2

Углеродная нанотрубка с закрытыми концами.

Рисунок 3

Конструкции кресел из углеродных нанотрубок,…

Рисунок 3

Структуры из углеродных нанотрубок типа кресло, зигзаг и хиральная конфигурация. Отличаются хиральностью…

Рисунок 3

Структуры из углеродных нанотрубок типа кресло, зигзаг и хиральная конфигурация. Они различаются по хиральному углу и диаметру: углеродные нанотрубки кресла имеют общие электрические свойства, аналогичные металлам. Зигзагообразные и хиральные углеродные нанотрубки обладают электрическими свойствами, подобными полупроводникам.

Рисунок 4

Ковалентная функционализация УНТ с помощью…

Рисунок 4

Ковалентная функционализация УНТ путем (а) реакции окисления сильной кислотой и (б)…

Рисунок 4

Ковалентная функционализация УНТ путем (а) реакции окисления сильной кислотой и (б) дальнейшего присоединения гидрофильных молекул посредством реакций амидирования.

Рисунок 5

Нековалентная функционализация УНТ с…

Рисунок 5

Нековалентная функционализация УНТ с помощью (а) поверхностно-активных веществ, таких как адсорбция белка и (б)…

Рисунок 5

Нековалентная функционализация УНТ с помощью (а) поверхностно-активных веществ, таких как адсорбция белка, и (б) полимеров, таких как обертывание ДНК.

Рисунок 6

Схема применения углеродных нанотрубок…

Рисунок 6

Схема применения углеродных нанотрубок в терапии и биомедицинской диагностике и анализе.

Рисунок 6

Схема применения углеродных нанотрубок в терапии и биомедицинской диагностике и анализе.

Рисунок 7

Схематическое изображение препарата…

Рисунок 7

Схематическое изображение процесса доставки лекарств. (а) Поверхность УНТ связана с…

Рисунок 7

Схематическое изображение процесса доставки лекарств. (а) поверхность УНТ связана с химическим рецептором (Y) и лекарство (●) загружается внутрь, (б) открытый конец УНТ закрывается колпачком, (в) носитель лекарство-УНТ вводится в организм и достигает клеток-мишеней из-за химического рецептора на поверхности УНТ, (d) клетка интернализует УНТ с помощью клеточных рецепторов (V) по пути эндоцитоза, например, (e) удаляется колпачок или происходит биодеградация внутри клетки, затем высвобождаются лекарства.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Последние достижения в использовании углеродных нанотрубок в качестве интеллектуальных биоматериалов.

  Menezes BRC, Rodrigues KF, Fonseca BCDS, Ribas RG, Montanheiro TLDA, Thim GP. Менезес БРК и др. J Mater Chem B. 7 марта 2019 г.; 7 (9): 1343-1360. дои: 10.1039/c8tb02419g. Epub 2019 5 февраля. J Mater Chem B. 2019. PMID: 32255006 Обзор.

• Оптимизация энтропии в потоке наноматериалов на основе УНТ, вызванном вращающимися дисками: исследование точности статистической декларации и вероятной ошибки.

  Хаят Т., Вакар Ахмад М., Иджаз Хан М., Алсаеди А. Хаят Т. и др. Вычислительные методы Программы Биомед. 2020 февраль; 184:105105. doi: 10.1016/j.cmpb.2019.105105. Epub 2019 3 октября. Вычислительные методы Программы Биомед. 2020. PMID: 31627151

• Углеродные нанотрубки в биомедицинских применениях: факторы, механизмы и средства защиты от токсичности.

  Альшехри Р., Ильяс А.М., Хасан А., Арнаут А., Ахмед Ф., Мемик А. Альшехри Р. и соавт. J Med Chem. 2016 Сентябрь 22; 59 (18): 8149-67. doi: 10.1021/acs.jmedchem. 5b01770. Эпаб 2016 27 мая. J Med Chem. 2016. PMID: 27142556 Обзор.

• Применение биоматериалов на основе углеродных нанотрубок в биомедицинских нанотехнологиях.

  Полизу С., Савадого О., Пулин П., Яхия Л. Полизу С. и соавт. J Nanosci Нанотехнологии. 2006 г., июль; 6 (7): 1883-904. doi: 10.1166/jnn.2006.197. J Nanosci Нанотехнологии. 2006. PMID: 17025102 Обзор.

• Специализированные углеродные нанотрубки для применения в тканевой инженерии.

  СП Veetil, Е.К. Veetil JV и др. Биотехнологическая прог. 2009 г., май-июнь; 25(3):709-21. doi: 10.1002/btpr.165. Биотехнологическая прог. 2009. PMID: 19496152 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Углеродные нанотрубки как носители для доставки лекарств при немелкоклеточном раке легкого, механистический анализ их канцерогенного потенциала, профилирование безопасности и идентификация биомаркеров.

  Pu Z, Wei Y, Sun Y, Wang Y, Zhu S. Пу Зи и др. Int J Наномедицина. 2022, 8 декабря; 17:6157-6180. doi: 10.2147/IJN.S384592. Электронная коллекция 2022. Int J Наномедицина. 2022. PMID: 36523423 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Недавнее развитие наноуглеродного материала в фармацевтике: обзор.

  Jiwanti PK, Wardhana BY, Sutanto LG, Dewi DMM, Putri IZD, Savitri INI. Дживанти П.К. и др. Молекулы. 2022 4 ноября; 27 (21): 7578. дои: 10.3390/молекулы 27217578. Молекулы. 2022. PMID: 36364403 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Обзор антимикробных свойств нанокомпозитов на основе углеродных нанотрубок.

  Saleemi MA, Kong YL, Yong PVC, Wong EH. Салеми М.А. и соавт. Ад Фарм Булл. 2022 май; 12 (3): 449-465. doi: 10.34172/apb.2022.049. Epub 2021 3 июля. Ад Фарм Булл. 2022. PMID: 35935059 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Прогресс исследований фототермических наноматериалов в мультимодальной терапии опухолей.

  Ши С., Тянь Ю., Лю Ю., Сюн З., Чжай С., Чу С., Гао Ф. Ши X и др. Фронт Онкол. 2022 6 июля; 12:939365. doi: 10.3389/fonc.2022.939365. Электронная коллекция 2022. Фронт Онкол. 2022. PMID: 35898892 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Расширение фармакологических и нанотехнологических аспектов алкалоидного препарата берберина: текущие и будущие тенденции.

  Бел Т., Сингх С., Шарма Н., Захур И., Альбаррати А., Альбрати М., Мерая А. М., Наджми А., Бунгау С. Бел Т. и др. Молекулы. 2022 9 июня; 27 (12): 3705. doi: 10,3390/молекулы27123705. Молекулы. 2022. PMID: 35744831 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

использованная литература

1. 1. Иидзима С. Спиральные микротрубочки графитового углерода. Природа. 1991;354(6348):56–58.
2. 1. Хирлекар Р., Ямагар М., Гарс Х., Видж М., Кадам В. Углеродные нанотрубки и их применение: обзор. Азиатский журнал фармацевтических и клинических исследований. 2009;2(4):17–27.
3. 1. Сингх БГП, Бабурао С., Писпати В. и др. Углеродные нанотрубки. Новая система доставки лекарств. Международный журнал исследований в области фармации и химии. 2012;2(2):523–532.
4. 1. Usui Y, Haniu H, Tsuruoka S, Saito N. Углеродные нанотрубки — инновации в медицинских технологиях. Медицинская химия. 2012;2(1):1–6.
5. 1. Zhang Y, Bai Y, Yan B. Функционализированные углеродные нанотрубки для потенциальных медицинских применений. Открытие наркотиков сегодня. 2010;15(11-12):428–435. — ЧВК — пабмед

Типы публикаций

термины MeSH

вещества

Текущие и потенциальные применения углеродных нанотрубок — PreScouter

Поскольку нанотехнологии продолжают превращаться в научный маяк будущего, углеродные нанотрубки (УНТ) не являются исключением. Углеродные нанотрубки в 100 раз прочнее стали, но в 6 раз легче стали. Они также проводят тепло и электричество лучше, чем медь. При правильном использовании применение УНТ революционизирует науку о материалах и технологии.

Современные применения углеродных нанотрубок

УНТ

уже некоторое время производят сильное впечатление на коммерческие продукты. Углеродные нанотрубки уже используются для контроля или повышения проводимости полимеров и добавляются в антистатическую упаковку. В настоящее время наиболее популярным применением УНТ является армирование конструкций. Их добавляют к другим материалам, таким как арматура к бетону, из-за их высокой прочности, малого веса и гибкости. Производство УНТ также используется в объемных композитных материалах и тонких пленках.

Многослойные нанотрубки (МУНТ) впервые были использованы в качестве электропроводящих наполнителей в пластмассах. Сегодня они также используются для улучшения волокнистых композитов. Примеры включают лопасти ветряных турбин и корпуса катеров морской безопасности. К 2005 году 50% литиевых батарей включали углеродные нановолокна, которые представляют собой провода, сплетенные из УНТ. Углеродные нанотрубки даже используются для улучшения спортивных товаров, таких как теннисные ракетки, бейсбольные биты и велосипедные рамы.

Возможные применения углеродных нанотрубок

Поскольку углеродные нанотрубки обладают высокой электропроводностью, они могут стать экономичной заменой металлических проводов. Их полупроводниковые свойства делают их кандидатами на замену существующих компьютерных микросхем. В будущем УНТ, вероятно, будут конкурировать с углеродным волокном в высокотехнологичных областях применения, особенно в чувствительных к весу приложениях, таких как кевлар. Кроме того, было обнаружено, что УНТ являются более экологически чистой и огнестойкой добавкой к пластмассам. Также было обнаружено, что краски, содержащие MWNT, уменьшают биообрастание корпусов кораблей, препятствуя прикреплению водорослей и ракушек, что делает их экологической альтернативой опасным краскам, содержащим биоциды.

Исследователи из Университета Северной Каролины говорят, что их система визуализации на основе нанотрубок может делать более четкие и быстрые снимки, чем современные рентгеновские снимки или компьютерная томография. Другие исследователи обнаружили, что пучки УНТ, легированные азотом, образуют более эффективный и компактный катализатор для водородных автомобилей, чем платиновый. Китайские исследователи создали гибкие динамики толщиной с бумагу из листов нанотрубок. В отличие от обычных динамиков, которые создают шум, вибрируя окружающие молекулы воздуха, эти динамики CNT используют термоакустический эффект (аналогичный тому, как молния производит гром), когда электрический ток проходит через листы нанотрубок, нагревая и расширяя воздух рядом с ними, создавая звуковые волны. . Эти динамики — не единственная гибкая электроника, которую можно изготовить из УНТ. Исследователи из Токийского университета сконструировали дисплей из органических светоизлучающих диодов (OLED) в сочетании с резиновым проводником на основе нанотрубок.

УНТ в медицине

Углеродные нанотрубки появляются даже в области медицины. Испанские исследователи создали биосенсор, который может диагностировать дрожжевые инфекции быстрее, чем текущий метод. Когда транзистор, содержащий УНТ и антитела, запрограммированные на атаку дрожжевых клеток Candida, контактирует с образцом клетки, взаимодействие между дрожжами и антителами изменяет электрический ток устройства.

Другим потенциальным медицинским применением УНТ является помощь в воздействии на опухоли. Исследователи вводили УНТ в опухоли почек у мышей и направляли на опухоли лазер ближнего инфракрасного диапазона. Трубки ответили вибрацией, создавшей достаточно тепла, чтобы убить окружающие опухолевые клетки.

Самым большим препятствием для расширения коммерческого использования УНТ является стоимость производства, но, по прогнозам, она изменится. С 2006 года производственные мощности CNT увеличились в десять раз. В 2009 году исследователи из Дейтонского университета, штат Огайо, отметили, что затраты на производство нанотрубок упали в 100 раз с 1990 года.