مقالات نانوفناوری پزشکی

درباره نانولوله های کربنی بیشتر بدانید: سنتز نانولوله های کربنی، کاربرد نانولوله های کربنی

در این سری از مقالات سعی می کنیم به اختصار روش های تولید و سنتز نانومواد را با هم مرور کنیم. در این مقاله هم به تعریف نانولوله های کربنی می پردازیم، روش های تولید و سنتز نانولوله های کربنی را با هم مرور می کنیم و در نهایت سری به کاربرد این مواد ارزشمند در صنایع مختلف می زنیم. پس همراه نانومدین باشید.

 نانولوله کربنی(CNT) چیست؟

نانولوله کربنی

نانولوله های کربنی(CNTs) مولکول های استوانه ای شکلی هستند که  از رول شدن ورقه های تک لایه اتم های کربن( گرافن) ساخته می شوند. این نانولوله ها ممکن است به شکل نانولوله های کربنی تک دیواره(SWCNT) با قطر کمتر از یک نانومتر یا نانولوله های کربنی چند دیواره(MWCNT) که از  نانولوله های به هم پیوسته متعدد با قطری بیش از 100 نانومتر ساخته شده اند، باشند.  طول این نانولوله ها می تواند به چند میکرومتر یا حتی چند میلی متر هم برسد. همانند بلوک های سازنده شان( یعنی گرافن)، این نانولوله ها از لحاظ شیمیایی با پیوندهای Sp2 به هم وصل هستند . به همین خاطر است که نانولوله های کربنی می توانند قدرت بسیار بالا و وزن اندکی داشته باشند و خصوصیت حرارتی و الکتریکی بسیار جذابی از خود نشان دهند. همین خصوصیات شگفت انگیز است که باعث شده نانولوله های کربنی برای کاربردهای مختلف جذاب باشند.

جهت خم شدن ورقه های گرافن، خاصیت الکتریکی نانولوله ها را تعیین می کند. کایرالیته، زاویه  شبکه اتم های کربن شش گوشه نانولوله ها را تعریف می کند. همانطور که بیان کردیم جهت خم شدن نانولوله ها می تواند اشکال آن را تعیین کند. اجازه دهید این اشکال را با جزییات بیشتری با هم بررسی کنیم.

 اشکال مختلف نانولوله های کربنی:

  • در مدل دسته صندلی ،صفحات گرافیت در عرض لوله می شوند و زاویه کایرال آن ها 30 درجه است.
  • مدل زیگزاگ نانولوله های کربنی: در این مدل صفحات گرافیت در طول لوله خواهند شد و زاویه کایرال آن ها صفر است.
  • حالت کایرالیتی هم وضعیتی است که در آن صفحات گرافیت از قطر لوله می شوند و زاویه کایرالشان بین 0 تا 30 درجه متغیر است.

با اینکه نانولوله های کربنی چند دیواره همیشه رسانا هستند و حداقل همان سطح رسانایی را که فلزات دارند، از خود نشان می دهند اما رسانایی نانولوله های کربنی تک دیواره به زاویه کایرالشان بستگی دارد.

این نوع نانولوله ها می توانند مثل فلز رسانای الکتریکی باشند، می توانند خواص نیمه رساناها را از خود نشان دهند یا اینکه اصلا رسانا نباشند. به عنوان مثال کمی تغییر در شیب مارپیچ می تواند لوله را از فلز به نیمه رسانایی با گپ بزرگ تبدیل کند.

نانولوله های کربنی علاوه بر خاصیت الکتریکی شان که از گرافن به ارث برده اند می توانند خواص مکانیکی و حراراتی منحصر به فردی هم داشته باشند و همین امر آن ها را برای توسعه مواد جدید جذاب می سازد:

  • مقاومت کششی مکانیکی آن ها 400 برابر بیشتر از فولاد است
  • نانولوله های کربنی بسیار سبک وزن هستند. چگالی آن ها یک ششم چگالی فولاد است
  • رسانایی حرارتی آن ها بهتر از رسانایی حرارتی الماس است.
  • این ها نسبت ابعادی بزرگی دارند.
  • همانند گرافیت، این ها از لحاظ شیمیایی بسیار پایدار هستند و تقریبا در برابر هر تاثیر شیمیایی مقاومت می کنند مگر اینکه به طور همزمان در معرض دمای بالا و اکسیژن قرار گیرند.
  • فضای داخلی توخالی این نانولوله ها را می توان با نانومواد مختلفی پر کرد. همین خاصیت باعث می شود نانولوله های کربنی برای کاربردهای نانوفناوری پزشکی همچون دارورسانی، بسیار مفید باشند.

همین خواص موجب می شود نانولوله های کربنی برای تولید دستگاه های الکترونیکی، بیوسنسورها، ترانزیستورها، گسیل میدان الکترونی، باطری های لیتیم-یون، منابع نور سفید، سلول های ذخیره سازی هیدروژن، لامپ پرتوی کاتدی ، تخلیه الکتروستاتیک و کاربردهای حفاظت الکتریکی جذاب باشد.

لطفا به خاطر داشته باشید که نانولوله های کربنی از نانوفیبرهای کربنی که با علامت CNF نشان داده می شود متفاوت است. نانوفیبرهای کربنی معمولا چند میکرومتر طول  دارند و قطر آن ها به 200 نانومتر می رسد. فیبرهای کربنی قرن هاست که برای قوی تر کردن ترکیبات مختلف مورد استفاده قرار می گیرد اما ساختار شبکه ای یکسانی با نانولوله ها ندارد. در عوض این مواد در برگیرنده ترکیبی از اشکال مختلف کربن و/یا لایه های متعددی از گرافیت هستند که در زوایای مختلفی بر روی کربن آمورف انباشته شده اند.

در چنین شرایطی اتم ها ساختار منظمی نخواهند داشت. نانوفیبرهای کربنی خواص مشابهی با نانولوله ها دارند اما قدرت و مقاومت کششی آن ها به خاطر ساختار متغیری که دارند پایین تر از نانولوله هاست و داخلشان توخالی نیست.

 روش های تولید نانولوله های کربنی :

روش های تولید نانولوله های کربنی

برای تولید نانولوله های کربنی می توان از سه روش اصلی بهره برد. از جمله این روش ها می توان به قوس الکتریکی، سایش لیزری گرافیت و رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (Chemical Vapor Deposition) اشاره کرد.

در دو فرآیند اول، گرافیت به شیوه الکتریکی یا به کمک لیزر برانگیخته می شود و نانولوله های کربنی تشکیل شده در فاز گازی، جدا می گردد. همه سه روش بیان شده نیازمند استفاده از فلزهایی همچون آهن، کبالت، نیکل به عنوان کاتالیست هستند.

 رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار(تولید نانولوله های کربنی به روش CVD):

فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار در حال حاضر امیدوارکننده ترین روش برای تولید نانولوله هاست چون به شرکت ها اجازه می دهد نانولوله های کمّی زیادی را با شرایط قابل کنترل و هزینه های اندک تولید کنند. در فرآیند CVD، تولیدکنندگان می توانند کاتالیزور فلزی همچون آهن را با گاز واکنشگر حاوی کربن همچون هیدروژن یا کربن مونوکسید ترکیب کنند تا نانولوله کربنی بر روی کاتالیزور داخل کوره با دمای بالا تشکیل شود. فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار می تواند به کمک کاتالیزور یا با پشتیبانی پلاسما انجام شود.  در شرایطی که پلاسما به کار می رود دمای پایین تری برای تولید نانولوله ها نیاز خواهد بود.

تولید نانولوله های کربنی به روش قوس الکتریکی:

نانولوله ها در سال 1991 در دوده کربنی الکترودهای گرافیت در طول تخلیه قوس با استفاده از یک جریان 100 آمپر که برای تولید فولرن طراحی شده بود مشاهده شد.با اینحال اولین تولید ماکروسکوپی نانولوله های کربنی به سال 1992 بر می گرددد. روش استفاده شده در این سال با روشی که در سال 1991 مورد استفاده قرار گرفته بود یکسان بود. در طول فرآیند قوس الکتریکی، کربن موجود در الکترود منفی به دلایل دمای بالا تصعید می شود. حاصل این روش تا 30 درصد وزن است و می تواند نانولوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره را با طولی که به 50 میکرومتر هم می رسد تولید نماید.

البته برخی از این نانولوله ها ممکن است نقصی هم داشته باشند. فرآیند قوس الکتریکی از دماهای بسیار بالا ( بالای 1700 درجه سانتیگراد) برای سنتز نانولوله های کربنی استفاده می کند. همین امر موجب می شود CNT ها با نقص ساختاری کمتری نسبت به روش های دیگر تولید گردد.

تولید نانولوله های کربنی به روش سایش لیزری:

در روش سایش لیزری، لیزر پالس دار هدف گرافیتی را در راکتوری با دمای بالا تبخیر می کند. در چنین شرایطی نانولوله های کربنی در سطح خنک تر راکتور به عنوان کربن تبخیر شده توسعه می یابد.  سطحی که با آب خنک شده است می تواند در برگیرنده سیستمی برای جمع آوری نانولوله ها باشد. چنین فرایندی توسط دکتر ریچارد اسمالی و همکارانش در دانشگاه رایس توسعه پیدا کرده است. روش سایش لیزری  نتیجه 70 درصدی دارد و می تواند نانولوله های تک دیواره ای را با  قطر قابل کنترل توسط دمای واکنش تولید نماید. با اینحال نکته مهمی که در این روش دیده می شود این است که سایش لیزری  گران قیمت تر از روش هایی همچون CVD و قوس الکتریکی است.

بیشتر بخوانید: هر آنچه که باید درباره سایش لیزری بدانید

 خالص سازی:

اگرچه روش ها و تکنیک های سنتز این نانومواد به گونه ای بهبود یافته اند که به محققان و تولید کنندگان کمک می کنند نانولوله های کربنی خالصی داشته باشند اما تشکیل محصولات جانبی که در برگیرنده مواد ناخالص همچون نانوذرات کپسوله با فلزات، ذرات فلز در نوک نانولوله ها و کربن آمورف است را نمی توان نادیده گرفت.

این نانوذرات خارجی و نیز نقص های ساختاری که در طول فرآیند سنتز نانولوله های کربنی رخ می دهد تاثیر بدی بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی نانولوله ها خواهند داشت. به همین خاطر است که باید نانولوله های تولید شده را به کمک روش های متعددی همچون اولتراسوند در انتهای فرآیند تولید، خالص کنند.

 کاربرد نانولوله های کربنی:

کاربرد نانولوله های کربنی

CNT ها برای همه مقاصدی که نیازمند قدرت بالا، دوام بالا، رسانایی الکتریکی، رسانایی حرارتی و سبک وزن بودن هستند می توانند مورد استفاده قرار گیرند. اخیرا نانولوله های کربنی به عنوان نگهدارنده در مواد سنتزی استفاده شده اند. شما می توانید نانولوله ها را به صورت پودر هم پیدا کنید.  نانولوله های کربنی را می توان در فیبرها هم به کار برد. اینکار نه تنها باعث بهینه سازی خواص و ویژگی های منسوجات می شود بلکه به افراد کمک می کند بافت های قدرتمندتری داشته باشند.

کامپوزیت هایی که توسط نانولوله های کربنی فعال شده اند توجه بسیار زیادی را به خود جلب کرده اند. این مواد نسبت به کامپوزیت های معمولی، خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و شیمیایی بهتری دارند.

چنین کامپوزیت هایی دارای قدرت کششی بیشتری هستند، دمای خمش گرمایی یا دمای اعوجاج گرمایی آن ها بهبود یافته است و کارکرد بهتری دارند. چنین موادی می توانند مقاومت بیشتری در برابر سایش داشته باشند، خاصیت ضدعفونی کننده داشته باشند و در عین حال وزنشان کمتر از کامپوزیت های معمولی باشد.

به عنوان مثال، تخمین زده شده است که کامپوزیت های نانولوله های کربنی می توانند وزن هواپیماها و فضاپیماها را تا 30 درصد کاهش دهند. این مواد کامپوزیتی  کاربردهای مختلفی دارند. از جمله این کاربردها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • کالاهای ورزشی( چارچوب دوچرخه ها، راکت تنیس، توپ گلف، وسایل ورزشی)
  • منسوجات( منسوجاتی که خاصیت ضد عفونی کنندگی دارند و هوشمند هستند) این منسوجات می توانند در برابر آب مقاوم باشند.
  • خودروها، فضاپیماها
  • مهندسی صنایع

کاربرد نانولوله های کربنی در حوزه کاتالیزورها:

تا به حال به این موضوع فکر کرده اید که چه چیزی باعث جذاب شدن نانولوله های کربنی در حوزه کاتالیزورها شده است؟  در حال حاضر CNT ها به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای شیمیایی متعددی مورد استفاده قرار گرفته اند با اینحال کنترل فعالیت کاتالیستی آنقدرها هم که فکر می کنید ساده نیست.

در ابتدا نانولوله های کربنی از طریق پیوندهای قوی با مولکول ها ترکیب می شوند. با اینحال چنین پیوندی باعث تغییر در ساختار نانوله ها می شود و خاصیت آن ها را نیز تغییر می دهد. پیوندهای غیر کوالانس ضعیف هم مورد استفاده قرار گرفته و باعث شده ساختار نانولوله ها دست نخورده باقی بماند اما چنین شرایطی هم باعث شده ترکیباتی ایجاد شود که از لحاظ سینتیکی ناپایدار است.

برای مقابله با چنین مشکلاتی، محققان در حال توسعه روش هایی برای اصلاح شیمیایی نانولوله های کربنی توسط پیوند مکانیکی هستند.  این نوع ترکیبات به اندازه ترکیبات کوالانس پایدارند اما ساختار اولیه را همانند ترکیبات غیر کوالانس حفظ می نمایند.

کاربرد نانولوله های کربنی در پزشکی و داروسازی:

اصلی ترین کاربرد این نانولوله ها در پزشکی و داروسازی شامل دارورسانی، ژن رسانی به سلول ها یا اندام ها، رسانش بیومولکول ها، بازسازی بافت ها و بیوسنسورهای تشخیصی و آنالیزی است.  برای دارورسانی، در ابتدا دارو بر روی سطح یا داخل نانولوله کربنی عامل دار شده قرار می گیرد. سپس این کونژوگه توسط مسیرهای کلاسیک همچون مسیرهای دهانی یا تزریق یا به طور مستقیم به بدن نمونه وارد می شود.  سلول مدنظر کپسول نانولوله که حاوی داروست را می بلعد و در نهایت نانولوله محتوایش که همان داروست را در سلول آزاد می کند.

بیشتر مطالعه کنید: انواع نانوذرات که باید بشناسید

 استفاده از نانولوله کربنی برای درمان سرطان:

همانطور که قبلا نیز بیان کردیم نانولوله های کربنی به عنوان دارورسان هم عمل می کنند. این نانولوله ها می توانند داروهای درمانی را به تومورها برسانند. بهره وری و کارایی داروهای ضد سرطانی که به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرند محدود است.

از آنجایی که CNT ها می توانند از غشای سیتوپلاسمی و غشای هسته به راحتی عبور کنند، داروهای ضد سرطانی که توسط این ها حمل می شوند می توانند با همان غلظت اولیه وارد سلول هدف شوند و تومورها را با نرخ بالاتری از بین ببرند. داروهای ضد سرطانی زیادی هستند که با نانولوله های کربنی عامل دار شده کونژوگه شده اند.

 استفاده از نانولوله های کربنی برای درمان عفونت:

به خاطر مقاومتی که عوامل عفونی به داروهای ضد ویروسی ، انتی باکتریایی و سایر موارد دارند،مشکلاتی را برای بدن ایجاد می کنند. نانولوله های کربنی می توانند چنین مشکلاتی را حل کنند. CNT های عامل دار شده می توانند به عنوان حامل هایی برای عوامل ضد میکروبی عمل کنند.

 سایر کاربردهای نانولوله های کربنی :

  • استفاده از CNT ها برای ژن درمانی
  • استفاده از نانولوله ها برای بازسازی بافت ها و ایمپلنت های مصنوعی
  • استفاده از نانولوله های کربنی برای بیماری های تخریب کننده اعصاب و سندرم آلزایمر
  • استفاده از CNT ها به عنوان آنتی اکسیدان ها
  • کاربرد نانولوله های کربنی به عنوان بیوسنسور تشخصی و آنالیزی
  • کاربرد CNT ها در ترانزیستورها
  • استفاده از نانولوله های کربنی در تولید جوهر
  • استفاده از CNT ها در صفحات نمایش

سخن نهایی:

نانولوله ها دارای حجم داخلی زیاد و سطح خارجی وسیعی هستند و همین امر موجب می شود به راحتی عامل دار گردند. این نانوماده اگرچه دارای خصوصیت بالقوه ای در زمینه کاربردهای درمانی همچون ژن رسانی است اما واکنش بدن نسبت به چنین ساختارهایی نسبتا ناشناخته است. در حال حاضر تحقیقات زیادی بر روی سمیت و زیست سازگاری نانولوله های کربنی در حال انجام است .

منابع:

  • nanowerk
  • hindawi
  • نانوفناوری پزشکی نوشته دکتر رضایت، سعید سرکار، امیر امانی ، رضا فریدی مجیدی
  • ویکی پدیا
برچسب ها

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن