Enerģētika ir svarīga nozare, kurai ir milzīga loma cilvēka dzīvē. Valsts enerģētiskais stāvoklis ir atkarīgs no daudzu zinātnieku darba šajā jomā. Šodien viņi meklē alternatīvus enerģijas avotus. Šiem nolūkiem viņi ir gatavi izmantot jebko, sākot ar saules gaismu un ūdeni, beidzot ar gaisa enerģiju. Iekārtas, kas var ražot enerģiju no vides, tiek augstu novērtētas.
Vispārīga informācija
Oglekļa nanocaurules ir pagarinātas velmētas grafīta plaknes, kurām ir cilindriska forma. Parasti to biezums sasniedz vairākus desmitus nanometru, un to garums ir vairāki centimetri. Nanocauruļu galā veidojas sfēriska galva, kas ir viena no fullerēna daļām.
Ir divu veidu oglekļa nanocaurules: metāla un pusvadītāju. To galvenā atšķirība ir strāvas vadītspēja. Pirmais veids var vadīt strāvu temperatūrā, kas vienāda ar 0ºС, bet otrais - tikai paaugstinātā temperatūrā.
Oglekļa nanocaurules: īpašības
Lielākā daļamūsdienu jomas, piemēram, lietišķā ķīmija vai nanotehnoloģijas, ir saistītas ar nanocaurulēm, kurām ir oglekļa karkasa struktūra. Kas tas ir? Šī struktūra attiecas uz lielām molekulām, kuras savieno tikai oglekļa atomi. Oglekļa nanocaurules, kuru īpašības balstās uz slēgtu apvalku, tiek augstu novērtētas. Turklāt šiem veidojumiem ir cilindriska forma. Šādas caurules var iegūt, salokot grafīta loksni vai audzēt no noteikta katalizatora. Oglekļa nanocaurulēm, kuru fotoattēli ir parādīti zemāk, ir neparasta struktūra.
Tiem ir dažādas formas un izmēri: vienslāņa un daudzslāņu, taisni un līkumoti. Neskatoties uz to, ka nanocaurules izskatās diezgan trauslas, tās ir izturīgs materiāls. Daudzu pētījumu rezultātā tika atklāts, ka tiem piemīt tādas īpašības kā stiepšanās un locīšana. Iedarbojoties nopietnai mehāniskai slodzei, elementi neplīst un neplīst, tas ir, tie var pielāgoties dažādiem spriegumiem.
Toksicitāte
Vairāku pētījumu rezultātā tika noskaidrots, ka oglekļa nanocaurules var radīt tādas pašas problēmas kā azbesta šķiedras, proti, rodas dažādi ļaundabīgi audzēji, kā arī plaušu vēzis. Azbesta negatīvās ietekmes pakāpe ir atkarīga no tā šķiedru veida un biezuma. Tā kā oglekļa nanocaurules ir mazas pēc svara un izmēra, tās viegli iekļūst cilvēka ķermenī ar gaisu. Tālāk tie iekļūst pleirā un iekļūst krūtīs, un laika gaitāizraisīt dažādas komplikācijas. Zinātnieki veica eksperimentu un pievienoja nanocauruļu daļiņas peļu ēdienam. Maza diametra izstrādājumi praktiski neuzkavējās organismā, bet lielāki ierakās kuņģa sieniņās un izraisīja dažādas slimības.
Metožu iegūšana
Mūsdienās ir šādas oglekļa nanocauruļu iegūšanas metodes: loka lādiņš, ablācija, tvaiku pārklāšana.
Elektriskā loka izlāde. Iegūšana (šajā rakstā ir aprakstītas oglekļa nanocaurules) elektriskā lādiņa plazmā, kas sadedzina, izmantojot hēliju. Šādu procesu var veikt, izmantojot īpašu tehnisko aprīkojumu fullerēnu ražošanai. Bet ar šo metodi tiek izmantoti citi loka dedzināšanas režīmi. Piemēram, tiek samazināts strāvas blīvums, tiek izmantoti arī milzīga biezuma katodi. Lai izveidotu hēlija atmosfēru, ir jāpalielina šī ķīmiskā elementa spiediens. Oglekļa nanocaurules iegūst, izsmidzinot. Lai palielinātu to skaitu, grafīta stienī ir jāievada katalizators. Visbiežāk tas ir dažādu metālu grupu maisījums. Turklāt mainās spiediens un izsmidzināšanas metode. Tādējādi tiek iegūta katoda nogulsne, kurā veidojas oglekļa nanocaurules. Gatavie izstrādājumi aug perpendikulāri katodam un tiek savākti saišķos. Tie ir 40 µm gari.
Ablācija. Šo metodi izgudroja Ričards Smolijs. Tās būtība ir dažādu grafīta virsmu iztvaicēšana reaktorā, kas darbojas augstā temperatūrā. Oglekļa nanocaurules veidojas grafīta iztvaikošanas rezultātā apakšāreaktora daļas.
Tos atdzesē un savāc, izmantojot dzesēšanas virsmu. Ja pirmajā gadījumā elementu skaits bija vienāds ar 60%, tad ar šo metodi skaitlis palielinājās par 10%. Lāzera absolācijas metodes izmaksas ir dārgākas nekā visas pārējās. Parasti vienas sienas nanocaurules iegūst, mainot reakcijas temperatūru.
Nogulsnēšanās no gāzes fāzes. Oglekļa tvaiku pārklāšanas metode tika izgudrota 50. gadu beigās. Bet neviens pat neiedomājās, ka ar to varētu iegūt oglekļa nanocaurules. Tātad, vispirms jums ir jāsagatavo virsma ar katalizatoru. Par to var kalpot sīkas dažādu metālu daļiņas, piemēram, kob alts, niķelis un daudzi citi. No katalizatora slāņa sāk parādīties nanocaurules. To biezums ir tieši atkarīgs no katalizētā metāla izmēra. Virsma tiek uzkarsēta līdz augstām temperatūrām, un pēc tam tiek piegādāta oglekli saturoša gāze. Starp tiem ir metāns, acetilēns, etanols uc Amonjaks kalpo kā papildu tehniskā gāze. Šī nanocauruļu iegūšanas metode ir visizplatītākā. Pats process notiek dažādos rūpniecības uzņēmumos, kā dēļ liela skaita cauruļu ražošanai tiek tērēti mazāki finanšu līdzekļi. Vēl viena šīs metodes priekšrocība ir tā, ka vertikālos elementus var iegūt no jebkuras metāla daļiņas, kas kalpo kā katalizators. Iegūšana (oglekļa nanocaurules aprakstītas no visām pusēm) kļuva iespējama, pateicoties Suomi Iijima pētījumiem, kasmikroskopā novēroti, lai noteiktu to izskatu oglekļa sintēzes rezultātā.
Galvenās sugas
Oglekļa elementi tiek klasificēti pēc slāņu skaita. Vienkāršākais veids ir vienas sienas oglekļa nanocaurules. Katras no tām biezums ir aptuveni 1 nm, un to garums var būt daudz garāks. Ja ņemam vērā struktūru, tad izstrādājums izskatās kā grafīta ietīšana ar sešstūra režģi. Tās augšdaļās atrodas oglekļa atomi. Tādējādi caurulei ir cilindra forma, kurai nav šuvju. Ierīču augšdaļa ir aizvērta ar vāciņiem, kas sastāv no fullerēna molekulām.
Nākamais skats ir daudzslāņu oglekļa nanocaurules. Tie sastāv no vairākiem grafīta slāņiem, kas ir salocīti cilindra formā. Starp tiem tiek uzturēts 0,34 nm attālums. Šāda veida struktūra ir aprakstīta divos veidos. Saskaņā ar pirmo, daudzslāņu caurules ir vairākas viena slāņa caurules, kas ligzdotas viena otrā, kas izskatās kā ligzdojoša lelle. Saskaņā ar otro, daudzslāņu nanocaurules ir grafīta loksne, kas vairākas reizes aptin sevi un izskatās kā salocīts laikraksts.
Oglekļa nanocaurules: lietojumi
Elements ir absolūti jauns nanomateriālu klases pārstāvis.
Kā minēts iepriekš, tiem ir rāmja struktūra, kas pēc īpašībām atšķiras no grafīta vai dimanta. Tāpēc tos izmanto daudz biežāk nekā citus materiālus.
Tādu īpašību dēļ kā izturība, liece, vadītspēja, to izmanto daudzās jomās:
- kā piedevas polimēriem;
- katalizators apgaismes ierīcēm, kā arī plakano paneļu displejiem un klausulēm telekomunikāciju tīklos;
- kā elektromagnētisko viļņu absorbētājs;
- enerģijas pārveidei;
- anodu ražošana dažāda veida akumulatoros;
- ūdeņraža uzglabāšana;
- sensoru un kondensatoru ražošana;
- kompozītu ražošana un to struktūras un īpašību nostiprināšana.
Daudzus gadus oglekļa nanocaurules, kuru pielietojums neaprobežojas tikai ar vienu konkrētu nozari, ir izmantotas zinātniskos pētījumos. Šādam materiālam ir vājas pozīcijas tirgū, jo ir problēmas ar liela apjoma ražošanu. Vēl viens svarīgs aspekts ir oglekļa nanocauruļu augstās izmaksas, kas ir aptuveni 120 USD par gramu šādas vielas.
Tos izmanto kā pamatelementu daudzu kompozītmateriālu ražošanai, ko izmanto daudzu sporta preču ražošanā. Vēl viena nozare ir automobiļu rūpniecība. Oglekļa nanocauruļu funkcionalizācija šajā jomā ir samazināta līdz polimēru piešķiršanai ar vadošām īpašībām.
Nanocauruļu siltumvadītspēja ir pietiekami augsta, lai tās varētu izmantot kā dzesēšanas ierīci dažādām masīvām iekārtām. Tos izmanto arī, lai izgatavotu uzgaļus, kas ir pievienoti zondes caurulēm.
Svarīgākā pielietojuma joma ir datortehnoloģijas. Pateicoties nanocaurulēm, tiek izveidoti īpaši plakani displeji. Tos var izmantot, lai ievērojami samazinātupaša datora kopējos izmērus, kā arī paaugstināt tā tehniskos rādītājus. Gatavās iekārtas būs vairākas reizes pārākas par pašreizējām tehnoloģijām. Pamatojoties uz šiem pētījumiem, var izveidot augstsprieguma kineskopus.
Ar laiku lampas tiks izmantotas ne tikai elektronikā, bet arī medicīnas un enerģētikas jomās.
Ražošana
Oglekļa caurules, kuru produkcija ir sadalīta starp diviem veidiem, ir nevienmērīgi sadalītas.
Tātad MWNT rada daudz vairāk nekā SWNT. Otrais veids tiek veikts steidzamas nepieciešamības gadījumā. Dažādi uzņēmumi pastāvīgi ražo oglekļa nanocaurules. Bet tie praktiski nav pieprasīti, jo to izmaksas ir pārāk augstas.
Ražošanas līderi
Šodien vadošo vietu oglekļa nanocauruļu ražošanā ieņem Āzijas valstis, kuru ražošanas iespējas ir 3 reizes lielākas nekā citās Eiropas un Amerikas valstīs. Jo īpaši Japāna nodarbojas ar MWNT ražošanu. Taču citas valstis, piemēram, Koreja un Ķīna, šajā rādītājā nav zemākas.
Ražošana Krievijā
Oglekļa nanocauruļu vietējā ražošana ievērojami atpaliek no citām valstīm. Patiesībā viss ir atkarīgs no pētījumu kvalitātes šajā jomā. Tā neatvēl pietiekami daudz finanšu līdzekļu, lai valstī izveidotu zinātniskos un tehnoloģiskos centrus. Daudzi cilvēki neakceptē attīstību nanotehnoloģiju jomā, jo nezina, kā tās var izmantot rūpniecībā. Tāpēc ekonomikas pārejajaunais ceļš ir diezgan grūts.
Tādēļ Krievijas prezidents izdeva dekrētu, kurā norādīts uz dažādu nanotehnoloģiju jomu attīstību, tajā skaitā oglekļa elementiem. Šiem nolūkiem tika izveidota īpaša programma mūsu pašu tehnoloģiju izstrādei un ražošanai.
Lai izpildītu visus pasūtījuma punktus, tika izveidots uzņēmums Rosnanotech. Tās funkcionēšanai no valsts budžeta tika atvēlēta ievērojama summa. Tieši viņai būtu jākontrolē oglekļa nanocauruļu izstrādes, ražošanas un ieviešanas process rūpnieciskajā sfērā. Piešķirtā summa tiks tērēta dažādu pētniecības institūtu un laboratoriju izveidei, kā arī stiprinās pašmāju zinātnieku līdzšinējos sasniegumus. Tāpat par šiem līdzekļiem tiks iegādātas kvalitatīvas iekārtas oglekļa nanocauruļu ražošanai. Ir vērts parūpēties arī par tām ierīcēm, kas pasargās cilvēku veselību, jo šis materiāls izraisa daudzas slimības.
Kā minēts iepriekš, visa problēma ir piesaistīt līdzekļus. Lielākā daļa investoru nevēlas investēt pētniecībā un attīstībā, it īpaši uz ilgu laiku. Visi uzņēmēji vēlas redzēt peļņu, bet nanoattīstība var ilgt gadiem. Tieši tas atbaida mazā un vidējā biznesa pārstāvjus. Turklāt bez valsts ieguldījumiem nebūs iespējams pilnībā uzsākt nanomateriālu ražošanu.
Vēl viena problēmair tiesiskā regulējuma trūkums, jo nav starpposma saiknes starp dažādiem uzņēmējdarbības posmiem. Tāpēc oglekļa nanocaurules, kuru ražošana Krievijā nav pieprasīta, prasa ne tikai finansiālus, bet arī garīgus ieguldījumus. Līdz šim Krievijas Federācija ir tālu no Āzijas valstīm, kuras ir vadošās nanotehnoloģiju attīstībā.
Šodien attīstība šajā nozarē tiek veikta dažādu Maskavas, Tambovas, Sanktpēterburgas, Novosibirskas un Kazaņas universitāšu ķīmijas nodaļās. Vadošie oglekļa nanocauruļu ražotāji ir uzņēmums Granat un Komsomolets rūpnīca Tambovā.
Labās un sliktās puses
Starp priekšrocībām ir oglekļa nanocauruļu īpašās īpašības. Tie ir izturīgs materiāls, kas nesabrūk mehāniskas ietekmes ietekmē. Turklāt tie labi darbojas saliekšanā un stiepšanā. To nodrošina slēgtā rāmja konstrukcija. To pielietojums neaprobežojas tikai ar vienu nozari. Caurules izmanto automobiļu rūpniecībā, elektronikā, medicīnā un enerģētikā.
Liels trūkums ir negatīvā ietekme uz cilvēka veselību.
Nanocauruļu daļiņas, nonākot cilvēka ķermenī, izraisa ļaundabīgu audzēju un vēža rašanos.
Būtiskā puse ir šīs nozares finansēšana. Daudzi cilvēki nevēlas investēt zinātnē, jo ir nepieciešams ilgs laiks, lai gūtu peļņu. Un bez pētniecības laboratoriju funkcionēšanas, nanotehnoloģiju attīstībasneiespējami.
Secinājums
Oglekļa nanocaurulēm ir svarīga loma inovatīvās tehnoloģijās. Daudzi eksperti prognozē šīs nozares izaugsmi tuvākajos gados. Būs ievērojams ražošanas jaudas pieaugums, kas novedīs pie preču pašizmaksas samazināšanās. Cenām samazinoties, caurules būs ļoti pieprasītas, un tās kļūs par neaizstājamu materiālu daudzām ierīcēm un iekārtām.
Tātad, mēs uzzinājām, kas ir šie produkti.
