Energia este o industrie importantă care joacă un rol imens în viața umană. Starea energetică a țării depinde de munca multor oameni de știință în acest domeniu. Astăzi ei caută surse alternative de energie. În aceste scopuri, sunt gata să folosească orice, începând cu lumina soarelui și apă, terminând cu energia aerului. Echipamentele care pot genera energie din mediu sunt foarte apreciate.
Informații generale
Nanotuburile de carbon sunt plane de grafit laminate extinse având o formă cilindrică. De regulă, grosimea lor ajunge la câteva zeci de nanometri, cu o lungime de câțiva centimetri. La capătul nanotuburilor se formează un cap sferic, care este una dintre părțile fullerenei.
Există două tipuri de nanotuburi de carbon: metal și semiconductor. Principala lor diferență este conductivitatea curentului. Primul tip poate conduce curentul la o temperatură egală cu 0ºС, iar al doilea - numai la temperaturi ridicate.
Nanotuburi de carbon: proprietăți
Cele mai multedomenii moderne, cum ar fi chimia aplicată sau nanotehnologia, sunt asociate cu nanotuburi, care au o structură de cadru de carbon. Ce este? Această structură se referă la molecule mari legate între ele doar prin atomi de carbon. Nanotuburile de carbon, ale căror proprietăți se bazează pe un înveliș închis, sunt foarte apreciate. În plus, aceste formațiuni au o formă cilindrică. Astfel de tuburi pot fi obținute prin plierea unei foi de grafit sau cresc dintr-un anumit catalizator. Nanotuburile de carbon, ale căror fotografii sunt prezentate mai jos, au o structură neobișnuită.
Vin în diferite forme și dimensiuni: cu un singur strat și cu mai multe straturi, drepte și sinuoase. În ciuda faptului că nanotuburile arată destul de fragile, acestea sunt un material puternic. În urma multor studii, s-a constatat că au proprietăți precum întinderea și îndoirea. Sub acțiunea unor sarcini mecanice grave, elementele nu se rupe sau nu se sparg, adică se pot adapta la diferite tensiuni.
Toxicitate
Ca urmare a mai multor studii, s-a constatat că nanotuburile de carbon pot provoca aceleași probleme ca fibrele de azbest, adică apar diverse tumori maligne, precum și cancer pulmonar. Gradul de impact negativ al azbestului depinde de tipul și grosimea fibrelor acestuia. Deoarece nanotuburile de carbon sunt mici ca greutate și dimensiune, ele intră cu ușurință în corpul uman cu aer. Mai departe, ei intră în pleura și intră în piept, iar în timpprovoacă diverse complicații. Oamenii de știință au efectuat un experiment și au adăugat particule de nanotuburi în hrana șoarecilor. Produsele cu diametru mic practic nu stăteau în organism, dar cele mai mari au săpat în pereții stomacului și au provocat diverse boli.
Obținerea metodelor
Astăzi, există următoarele metode pentru obținerea nanotuburilor de carbon: încărcare cu arc, ablație, depunere de vapori.
Descărcare cu arc electric. Obținerea (nanotuburile de carbon sunt descrise în acest articol) într-o plasmă de sarcină electrică, care arde cu ajutorul heliului. Un astfel de proces poate fi efectuat folosind echipamente tehnice speciale pentru producerea de fulerene. Dar cu această metodă, sunt utilizate și alte moduri de ardere a arcului. De exemplu, densitatea de curent este redusă și se folosesc și catozi de grosime enormă. Pentru a crea o atmosferă de heliu, este necesară creșterea presiunii acestui element chimic. Nanotuburile de carbon sunt obținute prin pulverizare. Pentru a crește numărul lor, este necesar să se introducă un catalizator în tija de grafit. Cel mai adesea este un amestec de diferite grupuri de metale. În plus, există o schimbare a presiunii și a metodei de pulverizare. Astfel, se obține un depozit catodic, unde se formează nanotuburi de carbon. Produsele finite cresc perpendicular pe catod și sunt colectate în mănunchiuri. Au 40 µm lungime.
Ablație. Această metodă a fost inventată de Richard Smalley. Esența sa este de a evapora diferite suprafețe de grafit într-un reactor care funcționează la temperaturi ridicate. Nanotuburile de carbon se formează ca urmare a evaporării grafitului de pe fundpărți ale reactorului.
Sunt răciți și colectați folosind o suprafață de răcire. Dacă în primul caz, numărul de elemente a fost egal cu 60%, atunci cu această metodă cifra a crescut cu 10%. Costul metodei de absorbție cu laser este mai scump decât toate celel alte. De regulă, nanotuburile cu un singur perete sunt obținute prin modificarea temperaturii de reacție.
Depunerea din faza gazoasă. Metoda de depunere a vaporilor de carbon a fost inventată la sfârșitul anilor 50. Dar nimeni nici măcar nu și-a imaginat că s-ar putea obține nanotuburi de carbon cu el. Deci, mai întâi trebuie să pregătiți suprafața cu un catalizator. Particulele mici de diferite metale, de exemplu, cob alt, nichel și multe altele, pot servi drept ele. Nanotuburile încep să iasă din patul de catalizator. Grosimea lor depinde direct de dimensiunea metalului catalizator. Suprafața este încălzită la temperaturi ridicate și apoi este furnizat un gaz care conține carbon. Printre acestea se numără metanul, acetilena, etanolul etc. Amoniacul servește ca gaz tehnic suplimentar. Această metodă de obținere a nanotuburilor este cea mai comună. Procesul în sine are loc în diferite întreprinderi industriale, datorită cărora sunt cheltuite mai puține resurse financiare pentru fabricarea unui număr mare de tuburi. Un alt avantaj al acestei metode este că elementele verticale pot fi obținute din orice particule de metal care servesc drept catalizator. Obținerea (nanotuburile de carbon sunt descrise din toate părțile) a devenit posibilă datorită cercetării lui Suomi Iijima, careobservate la microscop pentru aspectul lor ca rezultat al sintezei carbonului.
Specia principală
Elementele de carbon sunt clasificate după numărul de straturi. Cel mai simplu tip sunt nanotuburile de carbon cu un singur perete. Fiecare dintre ele are o grosime de aproximativ 1 nm, iar lungimea lor poate fi mult mai mare. Dacă luăm în considerare structura, atunci produsul arată ca grafitul învelit cu o rețea hexagonală. În vârful ei sunt atomi de carbon. Astfel, tubul are forma unui cilindru, care nu are cusături. Partea superioară a dispozitivelor este închisă cu capace constând din molecule de fuleren.
Următoarea vedere este nanotuburi de carbon multistrat. Ele constau din mai multe straturi de grafit, care sunt pliate într-o formă de cilindru. Între ele se menține o distanță de 0,34 nm. O structură de acest tip este descrisă în două moduri. Potrivit primei, tuburile multistrat sunt mai multe tuburi cu un singur strat imbricate unul în celăl alt, care arată ca o păpușă de cuib. Potrivit celui de-al doilea, nanotuburile multistrat sunt o foaie de grafit care se înfășoară de mai multe ori, care arată ca un ziar îndoit.
Nanotuburi de carbon: aplicații
Elementele sunt un reprezentant absolut nou al clasei de nanomateriale.
Așa cum am menționat mai devreme, au o structură de cadru, care diferă ca proprietăți de grafit sau diamant. De aceea sunt folosite mult mai des decât alte materiale.
Datorita caracteristicilor sale precum rezistenta, incovoiere, conductivitate, este folosit in multe domenii:
- ca aditivi la polimeri;
- catalizator pentru dispozitive de iluminat, precum și pentru afișaje cu ecran plat și telefoane în rețelele de telecomunicații;
- ca absorbant de unde electromagnetice;
- pentru conversia energiei;
- fabricarea de anozi în diferite tipuri de baterii;
- stocare hidrogen;
- fabricarea de senzori și condensatori;
- producția de compozite și consolidarea structurii și proprietăților acestora.
De mulți ani, nanotuburile de carbon, a căror aplicare nu se limitează la o anumită industrie, au fost folosite în cercetarea științifică. Un astfel de material are o poziție slabă pe piață, deoarece există probleme cu producția la scară largă. Un alt punct important este costul ridicat al nanotuburilor de carbon, care este de aproximativ 120 USD per gram de astfel de substanță.
Sunt folosite ca element de bază pentru producerea multor compozite, care sunt folosite pentru a face multe articole sportive. O altă industrie este industria auto. Funcționalizarea nanotuburilor de carbon în acest domeniu se reduce la dotarea polimerilor cu proprietăți conductoare.
Conductivitatea termică a nanotuburilor este suficient de mare pentru a putea fi folosite ca dispozitiv de răcire pentru diferite echipamente masive. De asemenea, sunt folosite pentru a face vârfuri care sunt atașate la tuburile sondei.
Cea mai importantă zonă de aplicație este tehnologia computerelor. Datorită nanotuburilor, sunt create în special afișaje plate. Ele pot fi folosite pentru a reduce semnificativdimensiunile generale ale computerului în sine, precum și creșterea performanței sale tehnice. Echipamentul finit va fi de câteva ori superior tehnologiilor actuale. Pe baza acestor studii, pot fi create kinescoape de în altă tensiune.
De-a lungul timpului, tuburile vor fi folosite nu numai în electronică, ci și în domeniul medical și energetic.
Producție
Tuburile de carbon, a căror producție este distribuită între cele două tipuri, este distribuită inegal.
Deci MWNT-urile fac mult mai mult decât SWNT-urile. Al doilea tip se face în caz de nevoie urgentă. Diverse companii produc în mod constant nanotuburi de carbon. Dar practic nu sunt solicitate, deoarece costul lor este prea mare.
Lideri de producție
Astăzi, locul lider în producția de nanotuburi de carbon este ocupat de țările asiatice, ale căror capacități de producție sunt de 3 ori mai mari decât în alte țări din Europa și America. În special, Japonia este angajată în fabricarea MWNT. Dar alte țări, cum ar fi Coreea și China, nu sunt inferioare în acest indicator.
Producție în Rusia
Producția internă de nanotuburi de carbon rămâne cu mult în urma altor țări. De fapt, totul depinde de calitatea cercetării în acest domeniu. Nu alocă suficiente resurse financiare pentru a crea centre științifice și tehnologice în țară. Mulți oameni nu acceptă evoluțiile în domeniul nanotehnologiei, deoarece nu știu cum poate fi utilizat în industrie. Prin urmare, tranziția economieinoua cale este destul de dificilă.
Prin urmare, președintele Rusiei a emis un decret, care indică dezvoltarea diferitelor domenii ale nanotehnologiei, inclusiv elementele de carbon. În aceste scopuri, a fost creat un program special pentru dezvoltarea și producerea de tehnologii proprii.
Pentru a îndeplini toate punctele comenzii a fost creată compania Rosnanotech. O sumă importantă a fost alocată de la bugetul de stat pentru funcționarea acestuia. Ea este cea care ar trebui să controleze procesul de dezvoltare, producție și introducere a nanotuburilor de carbon în sfera industrială. Suma alocată va fi cheltuită pentru crearea diferitelor institute și laboratoare de cercetare și va consolida, de asemenea, realizările existente ale oamenilor de știință autohtoni. De asemenea, aceste fonduri vor fi folosite pentru achiziționarea de echipamente de în altă calitate pentru producția de nanotuburi de carbon. De asemenea, merită să aveți grijă de acele dispozitive care vor proteja sănătatea umană, deoarece acest material provoacă multe boli.
După cum am menționat mai devreme, întreaga problemă este strângerea de fonduri. Majoritatea investitorilor nu doresc să investească în cercetare și dezvoltare, mai ales pentru o perioadă lungă de timp. Toți oamenii de afaceri vor să vadă profit, dar nanodezvoltarea poate dura ani. Acesta este ceea ce respinge reprezentanții întreprinderilor mici și mijlocii. În plus, fără investiții guvernamentale, nu va fi posibilă lansarea completă a producției de nanomateriale.
O altă problemăeste lipsa unui cadru legal, deoarece nu există o legătură intermediară între diferitele etape ale afacerii. Prin urmare, nanotuburile de carbon, a căror producție nu este solicitată în Rusia, necesită investiții nu numai financiare, ci și mentale. Până acum, Federația Rusă este departe de țările asiatice, care sunt lider în dezvoltarea nanotehnologiei.
Astăzi, evoluțiile în această industrie au loc la departamentele de chimie ale diferitelor universități din Moscova, Tambov, Sankt Petersburg, Novosibirsk și Kazan. Principalii producători de nanotuburi de carbon sunt compania Granat și uzina Komsomolets din Tambov.
Parturi bune și rele
Printre avantaje se numără proprietățile speciale ale nanotuburilor de carbon. Sunt un material durabil care nu se prăbușește sub influența influențelor mecanice. În plus, funcționează bine pentru îndoire și întindere. Acest lucru este posibil datorită structurii cadru închis. Aplicarea lor nu se limitează la o singură industrie. Tuburile sunt folosite în industria auto, electronică, medicină și energie.
Un mare dezavantaj este impactul negativ asupra sănătății umane.
Particulele de nanotuburi, care intră în corpul uman, duc la apariția tumorilor maligne și a cancerului.
Latura esențială este finanțarea acestei industrii. Mulți oameni nu vor să investească în știință, deoarece este nevoie de mult timp pentru a obține profit. Și fără funcționarea laboratoarelor de cercetare, dezvoltarea nanotehnologieiimposibil.
Concluzie
Nanotuburile de carbon joacă un rol important în tehnologiile inovatoare. Mulți experți prevăd creșterea acestei industrii în următorii ani. Va exista o creștere semnificativă a capacităților de producție, ceea ce va duce la o scădere a costului mărfurilor. Odată cu scăderea prețului, tuburile vor fi la mare căutare și vor deveni un material indispensabil pentru multe dispozitive și echipamente.
Așadar, am aflat care sunt aceste produse.
