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.

Typy uhlíkových nanotrubic – schémata

Historie nanotrubic

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

Disperze mikročástic, nanovláken a nanotrubic v omezeném objemu látky

Nanotrubice – mikrosnímek

Druhy nanotrubic

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

Vlastnosti

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

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

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

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

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

Uhlíkové nanotrubice jsou v životním prostředí biologicky dostupné pro živé organismy, mají schopnost dlouhodobě přetrvávat v prostředí a hromadit se v potravních řetězcích.^[13]