Energia to ważny przemysł, który odgrywa ogromną rolę w życiu człowieka. Stan energetyczny kraju zależy od pracy wielu naukowców w tej dziedzinie. Dziś szukają alternatywnych źródeł energii. Do tych celów są gotowe do użycia wszystkiego, począwszy od światła słonecznego i wody, a skończywszy na energii powietrza. Wysoko ceniony jest sprzęt, który może generować energię ze środowiska.
Informacje ogólne
Nanorurki węglowe to wydłużone, walcowane płaszczyzny grafitowe o cylindrycznym kształcie. Z reguły ich grubość sięga kilkudziesięciu nanometrów, przy długości kilku centymetrów. Na końcu nanorurek tworzy się kulista główka, która jest jedną z części fulerenu.
Istnieją dwa rodzaje nanorurek węglowych: metalowe i półprzewodnikowe. Ich główną różnicą jest przewodność prądu. Pierwszy typ może przewodzić prąd w temperaturze równej 0ºС, a drugi - tylko w podwyższonych temperaturach.
Nanorurki węglowe: właściwości
Większośćnowoczesne dziedziny, takie jak chemia stosowana czy nanotechnologia, kojarzą się z nanorurek, które mają strukturę karbonową. Co to jest? Ta struktura odnosi się do dużych cząsteczek połączonych ze sobą tylko atomami węgla. Wysoko cenione są nanorurki węglowe, których właściwości opierają się na zamkniętej powłoce. Ponadto formacje te mają kształt cylindryczny. Takie rurki można otrzymać przez złożenie arkusza grafitowego lub wyhodować z pewnego katalizatora. Nanorurki węglowe, których zdjęcia prezentujemy poniżej, mają niezwykłą strukturę.
Występują w różnych kształtach i rozmiarach: jednowarstwowe i wielowarstwowe, proste i kręte. Pomimo tego, że nanorurki wyglądają dość krucho, są mocnym materiałem. W wyniku wielu badań stwierdzono, że posiadają one właściwości takie jak rozciąganie i zginanie. Pod działaniem poważnych obciążeń mechanicznych elementy nie pękają ani nie pękają, to znaczy mogą dostosowywać się do różnych napięć.
Toksyczność
W wyniku wielu badań odkryto, że nanorurki węglowe mogą powodować te same problemy, co włókna azbestowe, to znaczy występują różne nowotwory złośliwe, a także rak płuc. Stopień negatywnego oddziaływania azbestu zależy od rodzaju i grubości jego włókien. Ponieważ nanorurki węglowe są niewielkie pod względem masy i rozmiarów, z łatwością dostają się do ludzkiego ciała z powietrzem. Dalej wchodzą do opłucnej i do klatki piersiowej, a z czasempowodować różne komplikacje. Naukowcy przeprowadzili eksperyment i dodali cząsteczki nanorurek do pokarmu myszy. Produkty o małej średnicy praktycznie nie zalegały w organizmie, natomiast większe wbijały się w ściany żołądka i powodowały różne choroby.
Pobieranie metod
Obecnie istnieją następujące metody otrzymywania nanorurek węglowych: ładowanie łukowe, ablacja, osadzanie par.
Wyładowanie łuku elektrycznego. Otrzymywanie (nanorurki węglowe są opisane w tym artykule) w plazmie ładunku elektrycznego, która spala się za pomocą helu. Taki proces można przeprowadzić przy użyciu specjalnego sprzętu technicznego do produkcji fulerenów. Ale w przypadku tej metody stosowane są inne tryby spalania łuku. Na przykład zmniejsza się gęstość prądu, stosuje się również katody o ogromnej grubości. Aby stworzyć atmosferę helu, konieczne jest zwiększenie ciśnienia tego pierwiastka chemicznego. Nanorurki węglowe otrzymuje się przez napylanie. W celu zwiększenia ich ilości konieczne jest wprowadzenie do pręta grafitowego katalizatora. Najczęściej jest to mieszanina różnych grup metali. Ponadto następuje zmiana ciśnienia i metody natryskiwania. W ten sposób uzyskuje się osad katodowy, w którym powstają nanorurki węglowe. Gotowe produkty rosną prostopadle do katody i są zbierane w wiązki. Mają długość 40 µm.
Ablacja. Ta metoda została wymyślona przez Richarda Smalleya. Jego istotą jest odparowanie różnych powierzchni grafitowych w reaktorze pracującym w wysokich temperaturach. Nanorurki węglowe powstają w wyniku odparowania grafitu na dnieczęści reaktora.
Są chłodzone i zbierane za pomocą powierzchni chłodzącej. Jeśli w pierwszym przypadku liczba elementów była równa 60%, to dzięki tej metodzie liczba wzrosła o 10%. Koszt metody izolacji laserowej jest droższy niż wszystkie inne. Z reguły nanorurki jednościenne uzyskuje się poprzez zmianę temperatury reakcji.
Osadzanie z fazy gazowej. Metoda osadzania z fazy gazowej węgla została wynaleziona pod koniec lat 50-tych. Ale nikt nawet nie wyobrażał sobie, że można za jego pomocą uzyskać nanorurki węglowe. Więc najpierw musisz przygotować powierzchnię za pomocą katalizatora. Mogą służyć jako małe cząsteczki różnych metali, na przykład kob altu, niklu i wielu innych. Ze złoża katalizatora zaczynają wyłaniać się nanorurki. Ich grubość zależy bezpośrednio od wielkości metalu katalizującego. Powierzchnia jest podgrzewana do wysokich temperatur, a następnie dostarczany jest gaz zawierający węgiel. Wśród nich są metan, acetylen, etanol itp. Amoniak służy jako dodatkowy gaz techniczny. Ta metoda otrzymywania nanorurek jest najbardziej powszechna. Sam proces odbywa się w różnych przedsiębiorstwach przemysłowych, dzięki czemu na produkcję dużej liczby rur przeznacza się mniej środków finansowych. Kolejną zaletą tej metody jest to, że pionowe elementy można uzyskać z dowolnych cząstek metalu, które służą jako katalizator. Pozyskiwanie (nanorurki węglowe są opisane ze wszystkich stron) stało się możliwe dzięki badaniom Suomi Iijimy, któryobserwowane pod mikroskopem pod kątem ich wyglądu w wyniku syntezy węgla.
Główne gatunki
Elementy węglowe są klasyfikowane według liczby warstw. Najprostszym typem są jednościenne nanorurki węglowe. Każdy z nich ma grubość około 1 nm, a ich długość może być znacznie dłuższa. Jeśli weźmiemy pod uwagę strukturę, to produkt wygląda jak zawijanie grafitu z sześciokątną siatką. Na jego szczytach znajdują się atomy węgla. Tuba ma więc kształt walca, który nie ma szwów. Górna część urządzeń zamknięta jest osłonami składającymi się z cząsteczek fulerenów.
Następny widok to wielowarstwowe nanorurki węglowe. Składają się z kilku warstw grafitu, które są złożone w kształt walca. Zachowana jest między nimi odległość 0,34 nm. Konstrukcja tego typu jest opisana na dwa sposoby. Według pierwszego, wielowarstwowe rurki to kilka jednowarstwowych rurek zagnieżdżonych w sobie, które wyglądają jak gniazdująca lalka. Według drugiej, wielowarstwowe nanorurki to arkusz grafitu, który kilkakrotnie owija się wokół siebie, co wygląda jak złożona gazeta.
Nanorurki węglowe: zastosowania
Elements to absolutnie nowy przedstawiciel klasy nanomateriałów.
Jak wspomniano wcześniej, mają konstrukcję ramową, która różni się właściwościami od grafitu czy diamentu. Dlatego są używane znacznie częściej niż inne materiały.
Ze względu na swoje właściwości, takie jak wytrzymałość, zginanie, przewodnictwo, jest używany w wielu dziedzinach:
- jako dodatki do polimerów;
- katalizator do urządzeń oświetleniowych, a także płaskich wyświetlaczy i telefonów w sieciach telekomunikacyjnych;
- jako pochłaniacz fal elektromagnetycznych;
- do konwersji energii;
- produkcja anod w różnych typach baterii;
- magazynowanie wodoru;
- produkcja czujników i kondensatorów;
- produkcja kompozytów oraz wzmacnianie ich struktury i właściwości.
Od wielu lat w badaniach naukowych wykorzystuje się nanorurki węglowe, których zastosowanie nie ogranicza się do jednej konkretnej branży. Taki materiał ma słabą pozycję na rynku, ponieważ występują problemy z produkcją na dużą skalę. Kolejnym ważnym punktem jest wysoki koszt nanorurek węglowych, który wynosi około 120 USD za gram takiej substancji.
Są one wykorzystywane jako podstawowy element do produkcji wielu kompozytów, z których wykonuje się wiele artykułów sportowych. Kolejną branżą jest przemysł motoryzacyjny. Funkcjonalizacja nanorurek węglowych w tym obszarze sprowadza się do nadawania polimerom właściwości przewodzących.
Przewodność cieplna nanorurek jest na tyle wysoka, że mogą być używane jako urządzenie chłodzące dla różnych masywnych urządzeń. Są one również używane do tworzenia końcówek, które są mocowane do rurek sondy.
Najważniejszym obszarem zastosowań jest technologia komputerowa. Dzięki nanorurek powstają przede wszystkim płaskie wyświetlacze. Mogą być używane do znacznego zmniejszeniaogólne wymiary samego komputera, a także zwiększenie jego wydajności technicznej. Gotowy sprzęt będzie kilkakrotnie lepszy od obecnych technologii. Na podstawie tych badań można stworzyć kineskopy wysokonapięciowe.
Z biegiem czasu lampy będą wykorzystywane nie tylko w elektronice, ale także w medycynie i energetyce.
Produkcja
Rurki węglowe, których produkcja jest rozłożona na oba typy, jest nierównomiernie rozłożona.
Więc MWNT zarabiają znacznie więcej niż SWNT. Drugi typ jest wykonywany w przypadku pilnej potrzeby. Różne firmy stale produkują nanorurki węglowe. Ale praktycznie nie jest na nie popyt, ponieważ ich koszt jest zbyt wysoki.
Liderzy produkcji
Dziś czołowe miejsce w produkcji nanorurek węglowych zajmują kraje azjatyckie, których możliwości produkcyjne są 3 razy większe niż w innych krajach Europy i Ameryki. W szczególności Japonia zajmuje się produkcją MWNT. Ale inne kraje, takie jak Korea i Chiny, nie są gorsze pod tym względem.
Produkcja w Rosji
Krajowa produkcja nanorurek węglowych pozostaje daleko w tyle za innymi krajami. Tak naprawdę wszystko zależy od jakości badań w tym obszarze. Nie przeznacza wystarczających środków finansowych na tworzenie w kraju ośrodków naukowych i technologicznych. Wiele osób nie akceptuje osiągnięć w dziedzinie nanotechnologii, ponieważ nie wiedzą, jak można ją wykorzystać w przemyśle. Dlatego transformacja gospodarkinowa ścieżka jest dość trudna.
Dlatego prezydent Rosji wydał dekret, który wskazuje na rozwój różnych dziedzin nanotechnologii, w tym pierwiastków węglowych. W tym celu stworzono specjalny program rozwoju i produkcji własnych technologii.
W celu realizacji wszystkich punktów zamówienia powstała firma Rosnanotech. Na jego funkcjonowanie przeznaczono znaczną kwotę z budżetu państwa. To ona powinna kontrolować proces rozwoju, produkcji i wprowadzania nanorurek węglowych do sfery przemysłowej. Przyznana kwota zostanie przeznaczona na tworzenie różnych instytutów badawczych i laboratoriów, a także wzmocni dotychczasowe osiągnięcia krajowych naukowców. Środki te zostaną również przeznaczone na zakup wysokiej jakości sprzętu do produkcji nanorurek węglowych. Warto też zadbać o te urządzenia, które ochronią zdrowie człowieka, gdyż materiał ten powoduje wiele chorób.
Jak wspomniano wcześniej, cały problem polega na zebraniu funduszy. Większość inwestorów nie chce inwestować w badania i rozwój, zwłaszcza przez długi czas. Wszyscy biznesmeni chcą widzieć zysk, ale nanorozwój może trwać latami. To odpycha przedstawicieli małych i średnich przedsiębiorstw. Ponadto bez inwestycji rządowych nie będzie możliwe pełne uruchomienie produkcji nanomateriałów.
Kolejny problemjest brak ram prawnych, ponieważ nie ma pośredniego powiązania między różnymi etapami działalności. Dlatego nanorurki węglowe, których produkcja nie jest potrzebna w Rosji, wymagają nie tylko inwestycji finansowych, ale także umysłowych. Jak dotąd Federacja Rosyjska jest daleko od krajów azjatyckich, które przodują w rozwoju nanotechnologii.
Dziś rozwój w tej branży odbywa się na wydziałach chemicznych różnych uniwersytetów w Moskwie, Tambowie, Petersburgu, Nowosybirsku i Kazaniu. Wiodącymi producentami nanorurek węglowych są firma Granat oraz zakład Komsomolec w Tambow.
Dobre i złe strony
Wśród zalet są szczególne właściwości nanorurek węglowych. Są trwałym materiałem, który nie zapada się pod wpływem wpływów mechanicznych. Ponadto dobrze sprawdzają się przy zginaniu i rozciąganiu. Jest to możliwe dzięki zamkniętej konstrukcji ramy. Ich zastosowanie nie ogranicza się do jednej branży. Lampy znajdują zastosowanie w motoryzacji, elektronice, medycynie i energetyce.
Ogromną wadą jest negatywny wpływ na zdrowie człowieka.
Cząstki nanorurek dostające się do ludzkiego ciała prowadzą do powstania nowotworów złośliwych i raka.
Podstawową stroną jest finansowanie tej branży. Wiele osób nie chce inwestować w naukę, ponieważ zarobienie zajmuje dużo czasu. A bez funkcjonowania laboratoriów badawczych rozwój nanotechnologiiniemożliwe.
Wniosek
Nanorurki węglowe odgrywają ważną rolę w innowacyjnych technologiach. Wielu ekspertów przewiduje rozwój tej branży w najbliższych latach. Nastąpi znaczny wzrost możliwości produkcyjnych, co doprowadzi do obniżenia kosztów towarów. Wraz ze spadkiem ceny, rury będą cieszyły się dużym zainteresowaniem i staną się niezbędnym materiałem dla wielu urządzeń i sprzętu.
Więc dowiedzieliśmy się, czym są te produkty.
