Energija je pomembna industrija, ki igra veliko vlogo v človeškem življenju. Energetsko stanje države je odvisno od dela številnih znanstvenikov na tem področju. Danes iščejo alternativne vire energije. Za te namene so pripravljeni uporabiti karkoli, začenši s sončno svetlobo in vodo, konča z energijo zraka. Oprema, ki lahko proizvaja energijo iz okolja, je zelo cenjena.
Splošne informacije
Ogljikove nanocevke so podaljšane valjane grafitne ravnine, ki imajo cilindrično obliko. Praviloma njihova debelina doseže nekaj deset nanometrov z dolžino nekaj centimetrov. Na koncu nanocevk se oblikuje sferična glava, ki je eden od delov fulerena.
Obstajata dve vrsti ogljikovih nanocevk: kovinske in polprevodniške. Njihova glavna razlika je prevodnost toka. Prva vrsta lahko vodi tok pri temperaturi, ki je enaka 0ºС, druga pa samo pri povišanih temperaturah.
Ogljikove nanocevke: lastnosti
Večinasodobna področja, kot sta uporabna kemija ali nanotehnologija, so povezana z nanocevkami, ki imajo strukturo ogljikovega okvirja. kaj je to? Ta struktura se nanaša na velike molekule, ki so med seboj povezane samo z atomi ogljika. Ogljikove nanocevke, katerih lastnosti temeljijo na zaprti lupini, so zelo cenjene. Poleg tega imajo te formacije cilindrično obliko. Takšne cevi lahko dobimo z zlaganjem grafitne pločevine ali pa zrastemo iz določenega katalizatorja. Ogljikove nanocevke, katerih fotografije so predstavljene spodaj, imajo nenavadno strukturo.
Na voljo so v različnih oblikah in velikostih: enoslojni in večplastni, ravni in vijugasti. Kljub dejstvu, da so nanocevke videti precej krhke, so močan material. Kot rezultat številnih študij je bilo ugotovljeno, da imajo lastnosti, kot sta raztezanje in upogibanje. Pod vplivom resnih mehanskih obremenitev se elementi ne trgajo ali zlomijo, torej se lahko prilagajajo različnim napetostim.
strupenost
Kot rezultat več študij je bilo ugotovljeno, da lahko ogljikove nanocevke povzročajo enake težave kot azbestna vlakna, torej se pojavijo različni maligni tumorji, pa tudi pljučni rak. Stopnja negativnega vpliva azbesta je odvisna od vrste in debeline njegovih vlaken. Ker so ogljikove nanocevke majhne teže in velikosti, zlahka vstopijo v človeško telo z zrakom. Nadalje vstopijo v pleuro in vstopijo v prsni koš in sčasomapovzročajo različne zaplete. Znanstveniki so izvedli poskus in v hrano miši dodali delce nanocevk. Izdelki majhnega premera se praktično niso zadrževali v telesu, večji pa so se vkopavali v stene želodca in povzročali različne bolezni.
Način pridobivanja
Danes obstajajo naslednje metode za pridobivanje ogljikovih nanocevk: obločni naboj, ablacija, nanašanje hlapov.
Električna razelektritev. Pridobivanje (ogljikove nanocevke so opisane v tem članku) v plazmi električnega naboja, ki gori z uporabo helija. Takšen postopek je mogoče izvesti z uporabo posebne tehnične opreme za proizvodnjo fulerenov. Toda s to metodo se uporabljajo drugi načini gorenja loka. Na primer, gostota toka se zmanjša, uporabljajo pa se tudi katode ogromne debeline. Za ustvarjanje atmosfere helija je treba povečati tlak tega kemičnega elementa. Ogljikove nanocevke se pridobivajo z brizganjem. Za povečanje njihovega števila je treba v grafitno palico vnesti katalizator. Najpogosteje gre za mešanico različnih kovinskih skupin. Poleg tega pride do spremembe tlaka in načina škropljenja. Tako dobimo katodno usedlino, kjer nastanejo ogljikove nanocevke. Končni izdelki rastejo pravokotno na katodo in se zbirajo v snopih. Dolge so 40 µm.
Ablacija. To metodo je izumil Richard Smalley. Njegovo bistvo je izhlapevanje različnih grafitnih površin v reaktorju, ki deluje pri visokih temperaturah. Ogljikove nanocevke nastanejo kot posledica izhlapevanja grafita na dnudeli reaktorja.
Ohlajamo in zbiramo s pomočjo hladilne površine. Če je bilo v prvem primeru število elementov enako 60%, potem se je s to metodo številka povečala za 10%. Stroški metode laserske absolacije so dražji od vseh drugih. Enostenske nanocevke praviloma dobimo s spreminjanjem reakcijske temperature.
Odlaganje iz plinske faze. Metoda nanašanja ogljikovih hlapov je bila izumljena v poznih 50. letih. A nihče si ni niti predstavljal, da bi z njim lahko dobili ogljikove nanocevke. Torej, najprej morate pripraviti površino s katalizatorjem. Kot to lahko služijo majhni delci različnih kovin, na primer kob alt, nikelj in mnogi drugi. Nanocevke začnejo izhajati iz ležišča katalizatorja. Njihova debelina je neposredno odvisna od velikosti katalizacijske kovine. Površina se segreje na visoke temperature, nato pa se dovaja plin, ki vsebuje ogljik. Med njimi so metan, acetilen, etanol itd. Amoniak služi kot dodaten tehnični plin. Ta metoda pridobivanja nanocevk je najpogostejša. Sam proces poteka v različnih industrijskih podjetjih, zaradi česar se porabi manj finančnih sredstev za izdelavo velikega števila cevi. Druga prednost te metode je, da lahko navpične elemente pridobimo iz poljubnih kovinskih delcev, ki služijo kot katalizator. Pridobivanje (ogljikove nanocevke so opisane z vseh strani) je postalo mogoče zahvaljujoč raziskavam Suomija Iijime, ki jepod mikroskopom opazovali njihov videz kot rezultat sinteze ogljika.
Glavne vrste
Ogljikovi elementi so razvrščeni po številu plasti. Najpreprostejša vrsta so enostenske ogljikove nanocevke. Vsak od njih ima debelino približno 1 nm, njihova dolžina pa je lahko veliko daljša. Če upoštevamo strukturo, potem je izdelek videti kot ovojni grafit s šesterokotno mrežo. Na njegovih vrhovih so ogljikovi atomi. Tako ima cev obliko valja, ki nima šivov. Zgornji del naprav je zaprt s pokrovi, sestavljenimi iz molekul fulerena.
Naslednji pogled so večplastne ogljikove nanocevke. Sestavljeni so iz več plasti grafita, ki so zloženi v obliko valja. Med njima se vzdržuje razdalja 0,34 nm. Struktura te vrste je opisana na dva načina. Po prvem so večplastne cevi več enoslojnih cevi, ugnezdenih ena v drugo, ki je videti kot gnezdilka. Po drugem so večplastne nanocevke list grafita, ki se večkrat ovije okoli sebe in je videti kot zložen časopis.
Ogljikove nanocevke: aplikacije
Elementi so absolutno nov predstavnik razreda nanomaterialov.
Kot že omenjeno, imajo strukturo okvirja, ki se po lastnostih razlikuje od grafita ali diamanta. Zato se uporabljajo veliko pogosteje kot drugi materiali.
Zaradi svojih lastnosti, kot so trdnost, upogibanje, prevodnost, se uporablja na številnih področjih:
- kot dodatki polimerom;
- katalizator za svetlobne naprave, pa tudi ploske zaslone in slušalke v telekomunikacijskih omrežjih;
- kot absorber elektromagnetnih valov;
- za pretvorbo energije;
- proizvodnja anod v različnih vrstah baterij;
- skladiščenje vodika;
- proizvodnja senzorjev in kondenzatorjev;
- proizvodnja kompozitov in krepitev njihove strukture in lastnosti.
Več let se v znanstvenih raziskavah uporabljajo ogljikove nanocevke, katerih uporaba ni omejena na posamezno industrijo. Tak material ima šibek položaj na trgu, saj obstajajo težave z obsežno proizvodnjo. Druga pomembna točka so visoki stroški ogljikovih nanocevk, ki znašajo približno 120 $ na gram takšne snovi.
Uporabljajo se kot osnovni element za proizvodnjo številnih kompozitov, ki se uporabljajo za izdelavo številnih športnih izdelkov. Druga panoga je avtomobilska industrija. Funkcionalizacija ogljikovih nanocevk na tem področju je zmanjšana na obdarovanje polimerov s prevodnimi lastnostmi.
Toplotna prevodnost nanocevk je dovolj visoka, da se lahko uporabljajo kot hladilna naprava za različno masivno opremo. Uporabljajo se tudi za izdelavo konic, ki so pritrjene na cevi sonde.
Najpomembnejše področje uporabe je računalniška tehnologija. Zahvaljujoč nanocevkam nastajajo predvsem ploski zasloni. Uporabljajo se lahko za znatno zmanjšanjecelotne dimenzije samega računalnika, pa tudi povečanje njegove tehnične zmogljivosti. Končna oprema bo nekajkrat boljša od trenutnih tehnologij. Na podlagi teh študij je mogoče ustvariti visokonapetostne kineskope.
Sčasoma se bodo cevi uporabljale ne samo v elektroniki, ampak tudi na medicinskem in energetskem področju.
Proizvodnja
Ogljikove cevi, katerih proizvodnja je porazdeljena med obema vrstama, je neenakomerno porazdeljena.
Torej MWNT naredijo veliko več kot SWNT. Druga vrsta se izvaja v primeru nujne potrebe. Različna podjetja nenehno proizvajajo ogljikove nanocevke. Toda po njih praktično ni povpraševanja, saj so njihovi stroški previsoki.
Vodje proizvodnje
Danes vodilno mesto v proizvodnji ogljikovih nanocevk zasedajo azijske države, katerih proizvodne zmogljivosti so 3-krat večje kot v drugih državah Evrope in Amerike. Zlasti Japonska se ukvarja s proizvodnjo MWNT. Toda druge države, kot sta Koreja in Kitajska, v tem kazalniku niso slabše.
Proizvodnja v Rusiji
Domača proizvodnja ogljikovih nanocevk močno zaostaja za drugimi državami. Pravzaprav je vse odvisno od kakovosti raziskav na tem področju. Ne namenja dovolj finančnih sredstev za ustvarjanje znanstvenih in tehnoloških centrov v državi. Marsikdo ne sprejema razvoja na področju nanotehnologije, ker ne vedo, kako se lahko uporablja v industriji. Zato tranzicija gospodarstvanova pot je precej težka.
Zato je predsednik Rusije izdal odlok, ki kaže na razvoj različnih področij nanotehnologije, vključno z ogljikovimi elementi. V te namene je bil ustvarjen poseben program za razvoj in proizvodnjo lastnih tehnologij.
Za izpolnitev vseh točk naročila je bilo ustanovljeno podjetje Rosnanotech. Za njegovo delovanje je bilo iz državnega proračuna dodeljenih precejšen znesek. Prav ona bi morala nadzorovati proces razvoja, proizvodnje in uvajanja ogljikovih nanocevk v industrijsko sfero. Dodeljeni znesek bo porabljen za ustvarjanje različnih raziskovalnih inštitutov in laboratorijev, okrepil pa bo tudi obstoječe dosežke domačih znanstvenikov. Prav tako bodo ta sredstva namenjena nakupu visokokakovostne opreme za proizvodnjo ogljikovih nanocevk. Prav tako je vredno poskrbeti za tiste naprave, ki bodo varovale zdravje ljudi, saj ta material povzroča številne bolezni.
Kot že omenjeno, je celoten problem zbiranje sredstev. Večina vlagateljev ne želi vlagati v raziskave in razvoj, še posebej dolgo časa. Vsi poslovneži si želijo dobička, toda razvoj nanodeja lahko traja leta. To je tisto, kar odganja predstavnike malih in srednje velikih podjetij. Poleg tega brez državnih naložb ne bo mogoče v celoti zagnati proizvodnje nanomaterialov.
Še ena težavaje pomanjkanje pravnega okvira, saj ni vmesne povezave med različnimi stopnjami poslovanja. Zato ogljikove nanocevke, katerih proizvodnja v Rusiji ni povpraševana, zahtevajo ne le finančne, temveč tudi miselne naložbe. Zaenkrat je Ruska federacija daleč od azijskih držav, ki so vodilne v razvoju nanotehnologije.
Danes se razvoj te industrije izvaja na kemijskih oddelkih različnih univerz v Moskvi, Tambovu, Sankt Peterburgu, Novosibirsku in Kazanu. Vodilna proizvajalca ogljikovih nanocevk sta podjetje Granat in tovarna Komsomolets v Tambovu.
Dobre in slabe strani
Med prednostmi so posebne lastnosti ogljikovih nanocevk. So trpežen material, ki se pod vplivom mehanskih vplivov ne poruši. Poleg tega se dobro obnesejo pri upogibanju in raztezanju. To omogoča zaprta konstrukcija okvirja. Njihova uporaba ni omejena na eno industrijo. Cevi se uporabljajo v avtomobilski industriji, elektroniki, medicini in energetiki.
Velika pomanjkljivost je negativen vpliv na zdravje ljudi.
Delci nanocevk, ki vstopijo v človeško telo, vodijo v nastanek malignih tumorjev in raka.
Bistvena stran je financiranje te industrije. Marsikdo ne želi vlagati v znanost, saj je za ustvarjanje dobička potrebno veliko časa. In brez delovanja raziskovalnih laboratorijev, razvoja nanotehnologijenemogoče.
Sklep
Ogljikove nanocevke igrajo pomembno vlogo pri inovativnih tehnologijah. Številni strokovnjaki napovedujejo rast te panoge v prihodnjih letih. Znatno se bodo povečale proizvodne zmogljivosti, kar bo povzročilo znižanje stroškov blaga. Z nižanjem cene bodo cevi zelo povprašene in bodo postale nepogrešljiv material za številne naprave in opremo.
Torej smo ugotovili, kaj so ti izdelki.
