Energia on tärkeä toimiala, jolla on v altava rooli ihmisten elämässä. Maan energiatila riippuu monien tämän alan tutkijoiden työstä. Nykyään he etsivät vaihtoehtoisia energialähteitä. Näihin tarkoituksiin he ovat valmiita käyttämään mitä tahansa, alkaen auringonvalosta ja vedestä ja päättyen ilman energiaan. Laitteet, jotka voivat tuottaa energiaa ympäristöstä, ovat erittäin arvostettuja.
Yleistä tietoa
Hiilinanoputket ovat pidennettyjä valssattuja grafiittitasoja, joilla on lieriömäinen muoto. Yleensä niiden paksuus saavuttaa useita kymmeniä nanometrejä, joiden pituus on useita senttimetrejä. Nanoputkien päähän muodostuu pallomainen pää, joka on yksi fullereenin osista.
Hiilinanoputkia on kahdenlaisia: metalli- ja puolijohdeputkia. Niiden tärkein ero on virran johtavuus. Ensimmäinen tyyppi voi johtaa virtaa lämpötilassa, joka on yhtä suuri kuin 0ºС, ja toinen - vain korkeissa lämpötiloissa.
Hiilinanoputket: ominaisuudet
Useimmatnykyaikaiset alueet, kuten sovellettu kemia tai nanoteknologia, liittyvät nanoputkiin, joissa on hiilirunkorakenne. Mikä se on? Tämä rakenne viittaa suuriin molekyyleihin, jotka ovat liittyneet toisiinsa vain hiiliatomien avulla. Hiilinanoputket, joiden ominaisuudet perustuvat suljettuun kuoreen, ovat erittäin arvostettuja. Lisäksi näillä muodostelmilla on lieriömäinen muoto. Tällaisia putkia voidaan saada taittamalla grafiittilevy tai kasvattaa tietystä katalyytistä. Hiilinanoputkilla, joista on kuvattu alla, on epätavallinen rakenne.
Ne ovat erimuotoisia ja -kokoisia: yksikerroksisia ja monikerroksisia, suoria ja mutkaisia. Huolimatta siitä, että nanoputket näyttävät melko haurailta, ne ovat vahvaa materiaalia. Monien tutkimusten tuloksena havaittiin, että niillä on ominaisuuksia, kuten venytys ja taivutus. Vakavan mekaanisen kuormituksen vaikutuksesta elementit eivät repeydy tai murtu, eli ne voivat mukautua erilaisiin jännitteisiin.
Myrkyllisyys
Useiden tutkimusten tuloksena havaittiin, että hiilinanoputket voivat aiheuttaa samoja ongelmia kuin asbestikuidut, eli esiintyy erilaisia pahanlaatuisia kasvaimia sekä keuhkosyöpää. Asbestin negatiivisen vaikutuksen aste riippuu sen kuitujen tyypistä ja paksuudesta. Koska hiilinanoputket ovat painoltaan ja kooltaan pieniä, ne pääsevät helposti ihmiskehoon ilman mukana. Lisäksi ne menevät keuhkopussiin ja rintakehään, ja ajan myötäaiheuttaa erilaisia komplikaatioita. Tutkijat suorittivat kokeen ja lisäsivät nanoputkien hiukkasia hiirten ruokaan. Halkaisij altaan pienet tuotteet eivät käytännössä viipyneet elimistössä, vaan suuremmat kaivoivat mahan seinämiin ja aiheuttivat erilaisia sairauksia.
Menetelmien hankkiminen
Nykyään on olemassa seuraavat menetelmät hiilinanoputkien saamiseksi: kaarivaraus, ablaatio, höyrypinnoitus.
Sähkökaaripurkaus. Saadaan (hiilinanoputkia kuvataan tässä artikkelissa) sähkövarauksen plasmassa, joka palaa heliumin avulla. Tällainen prosessi voidaan suorittaa käyttämällä erityisiä teknisiä laitteita fullereenien valmistamiseksi. Mutta tällä menetelmällä käytetään muita kaaripolttomuotoja. Esimerkiksi virrantiheys pienenee ja käytetään myös v altavan paksuisia katodeja. Helium-ilmakehän luomiseksi on tarpeen lisätä tämän kemiallisen alkuaineen painetta. Hiilinanoputkia saadaan sputteroimalla. Niiden lukumäärän lisäämiseksi on tarpeen lisätä katalyytti grafiittisauvaan. Useimmiten se on sekoitus erilaisia metalliryhmiä. Lisäksi paine ja ruiskutusmenetelmä muuttuvat. Näin saadaan katodinen kerros, jossa muodostuu hiilinanoputkia. Valmiit tuotteet kasvavat kohtisuoraan katodiin nähden ja kerätään nippuihin. Ne ovat 40 µm pitkiä.
Ablaatio. Tämän menetelmän keksi Richard Smalley. Sen ydin on haihduttaa erilaisia grafiittipintoja korkeissa lämpötiloissa toimivassa reaktorissa. Hiilinanoputkia muodostuu pohjassa olevan grafiitin haihtumisen seurauksenareaktorin osat.
Ne jäähdytetään ja kerätään jäähdytyspinnan avulla. Jos ensimmäisessä tapauksessa elementtien lukumäärä oli 60%, niin tällä menetelmällä luku kasvoi 10%. Laserabsolaatiomenetelmän kustannukset ovat kalliimpia kuin kaikki muut. Yksiseinäisiä nanoputkia saadaan pääsääntöisesti muuttamalla reaktiolämpötilaa.
Laskeuma kaasufaasista. Hiilihöyrypinnoitusmenetelmä keksittiin 50-luvun lopulla. Mutta kukaan ei edes kuvitellut, että sillä voitaisiin saada hiilinanoputkia. Joten ensin sinun on valmisteltava pinta katalyytillä. Eri metallien pienet hiukkaset, kuten koboltti, nikkeli ja monet muut, voivat toimia sena. Nanoputket alkavat nousta katalyyttipedistä. Niiden paksuus riippuu suoraan katalysoivan metallin koosta. Pinta kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin ja sitten syötetään hiiltä sisältävää kaasua. Niitä ovat metaani, asetyleeni, etanoli jne. Ammoniakki toimii teknisenä lisäkaasuna. Tämä menetelmä nanoputkien saamiseksi on yleisin. Itse prosessi tapahtuu erilaisissa teollisuusyrityksissä, minkä vuoksi useiden putkien valmistukseen käytetään vähemmän taloudellisia resursseja. Toinen tämän menetelmän etu on, että pystysuorat elementit voidaan saada mistä tahansa katalyyttinä toimivista metallihiukkasista. Hankinta (hiilinanoputkia kuvataan joka puolelta) tuli mahdolliseksi Suomi Iijiman tutkimuksen ansiosta, jokahavaittiin mikroskoopilla niiden ulkonäön vuoksi hiilisynteesin seurauksena.
Päälajit
Hiilielementit luokitellaan kerrosten lukumäärän mukaan. Yksinkertaisin tyyppi on yksiseinäiset hiilinanoputket. Jokaisen niistä on paksuus noin 1 nm, ja niiden pituus voi olla paljon pidempi. Jos tarkastelemme rakennetta, tuote näyttää grafiitin käärimiseltä kuusikulmaisella ristikolla. Sen huipulla ovat hiiliatomit. Siten putkella on sylinterin muotoinen, jossa ei ole saumoja. Laitteiden yläosa on suljettu fullereenimolekyyleistä koostuvilla kansilla.
Seuraava näkymä on monikerroksiset hiilinanoputket. Ne koostuvat useista grafiittikerroksista, jotka on taitettu sylinterin muotoon. Niiden välinen etäisyys säilyy 0,34 nm. Tämän tyyppistä rakennetta kuvataan kahdella tavalla. Ensimmäisen mukaan monikerroksiset putket ovat useita keskenään sisäkkäisiä yksikerroksisia putkia, jotka näyttävät pesimältä. Toisen mukaan monikerroksiset nanoputket ovat itsensä ympärille useita kertoja kietoutuva grafiittilevy, joka näyttää taitetulta sanomalehdeltä.
Hiilinanoputket: sovellukset
Elements on ehdoton uusi nanomateriaaliluokan edustaja.
Kuten aiemmin mainittiin, niissä on runkorakenne, joka eroaa ominaisuuksiltaan grafiitista tai timantista. Siksi niitä käytetään paljon useammin kuin muita materiaaleja.
Ominaisuuksiensa, kuten lujuus, taivutus, johtavuus, ansiosta sitä käytetään monilla aloilla:
- polymeerien lisäaineina;
- katalysaattori valaistuslaitteille sekä litteät näytöt ja matkapuhelimet tietoliikenneverkoissa;
- sähkömagneettisen aallon vaimentajana;
- energian muuntamiseen;
- anodien valmistus erityyppisissä akuissa;
- vetyvarasto;
- anturien ja kondensaattoreiden valmistus;
- komposiittien valmistus ja niiden rakenteen ja ominaisuuksien vahvistaminen.
Monien vuosien ajan tieteellisessä tutkimuksessa on käytetty hiilinanoputkia, joiden käyttö ei rajoitu yhteen tiettyyn toimialaan. Tällaisella materiaalilla on heikko asema markkinoilla, koska laajamittaisessa tuotannossa on ongelmia. Toinen tärkeä seikka on hiilinanoputkien korkea hinta, joka on noin 120 dollaria grammaa kohden tällaista ainetta.
Niitä käytetään peruselementtinä monien komposiittien valmistuksessa, joita käytetään monien urheiluvälineiden valmistukseen. Toinen toimiala on autoteollisuus. Hiilinanoputkien funktionalisointi tällä alueella on rajoitettu niin, että polymeereille annetaan johtavia ominaisuuksia.
Nanoputkien lämmönjohtavuus on riittävän korkea, jotta niitä voidaan käyttää erilaisten massiivisten laitteiden jäähdytyslaitteena. Niitä käytetään myös anturin putkiin kiinnitettävien kärkien valmistukseen.
Tärkein sovellusalue on tietotekniikka. Nanoputkien ansiosta syntyy erityisesti litteitä näyttöjä. Niitä voidaan käyttää vähentämään merkittävästiitse tietokoneen kokonaismitat sekä lisäävät sen teknistä suorituskykyä. Valmiit laitteet ovat useita kertoja parempia kuin nykyiset tekniikat. Näiden tutkimusten perusteella voidaan luoda suurjännitekineskooppeja.
Ajan mittaan putkia tullaan käyttämään elektroniikan lisäksi myös lääketieteen ja energian aloilla.
Tuotanto
Hiiliputket, joiden tuotanto jakautuu näiden kahden tyypin kesken, on jakautunut epätasaisesti.
Joten MWNT:t tienaavat paljon enemmän kuin SWNT:t. Toinen tyyppi tehdään kiireelliseen tarpeeseen. Useat yritykset tuottavat jatkuvasti hiilinanoputkia. Mutta niillä ei käytännössä ole kysyntää, koska niiden hinta on liian korkea.
Tuotantojohtajat
Nykyään johtavalla paikalla hiilinanoputkien tuotannossa ovat Aasian maat, joiden tuotantokapasiteetti on 3 kertaa korkeampi kuin muissa Euroopan ja Amerikan maissa. Erityisesti Japani valmistaa MWNT:tä. Mutta muut maat, kuten Korea ja Kiina, eivät ole huonompia tässä indikaattorissa.
Tuotanto Venäjällä
Hiilinanoputkien kotimainen tuotanto on kaukana muista maista. Itse asiassa kaikki riippuu tämän alan tutkimuksen laadusta. Se ei myönnä riittävästi taloudellisia resursseja tieteellisten ja teknologisten keskusten luomiseen maahan. Monet ihmiset eivät hyväksy nanoteknologian kehitystä, koska he eivät tiedä, miten sitä voidaan käyttää teollisuudessa. Siksi talouden muutosuusi polku on melko vaikea.
Siksi Venäjän presidentti antoi asetuksen, joka osoittaa nanoteknologian eri alueiden kehittämisen, mukaan lukien hiilielementit. Näitä tarkoituksia varten luotiin erityinen ohjelma omien teknologioiden kehittämiseen ja tuotantoon.
Tilauksen kaikkien kohtien täyttämiseksi perustettiin Rosnanotech-yritys. Sen toimintaan osoitettiin v altion budjetista huomattava summa. Hän on se, joka valvoo hiilinanoputkien kehittämistä, tuotantoa ja käyttöönottoa teollisuudessa. Myönnetty määrä käytetään erilaisten tutkimuslaitosten ja laboratorioiden perustamiseen, ja se vahvistaa myös kotimaisten tutkijoiden olemassa olevia saavutuksia. Näillä varoilla ostetaan myös korkealaatuisia laitteita hiilinanoputkien tuotantoon. Myös niistä laitteista kannattaa huolehtia, jotka suojaavat ihmisten terveyttä, sillä tämä materiaali aiheuttaa monia sairauksia.
Kuten aiemmin mainittiin, koko ongelma on varojen kerääminen. Suurin osa sijoittajista ei halua investoida tutkimukseen ja kehitykseen, etenkään pitkäksi aikaa. Kaikki liikemiehet haluavat voittoa, mutta nanokehitys voi viedä vuosia. Tämä hylkää pienten ja keskisuurten yritysten edustajat. Lisäksi nanomateriaalien tuotantoa ei voida täysin käynnistää ilman v altion investointeja.
Toinen ongelmaoikeudellisen kehyksen puute, koska liiketoiminnan eri vaiheiden välillä ei ole välilinkkiä. Siksi hiilinanoputket, joiden tuotanto ei ole Venäjällä kysyntää, vaativat paitsi taloudellisia, myös henkisiä investointeja. Toistaiseksi Venäjän federaatio on kaukana Aasian maista, jotka ovat johtavia nanoteknologian kehityksessä.
Tällä hetkellä tämän alan kehitystyötä tehdään eri yliopistojen kemian osastoilla Moskovassa, Tambovissa, Pietarissa, Novosibirskissa ja Kazanissa. Johtavat hiilinanoputkien valmistajat ovat Granat-yhtiö ja Komsomoletsin tehdas Tambovissa.
Hyvät ja huonot puolet
Etuihin kuuluu hiilinanoputkien erityisominaisuudet. Ne ovat kestävää materiaalia, joka ei romahda mekaanisten vaikutusten vaikutuksesta. Lisäksi ne toimivat hyvin taivutuksessa ja venyttelyssä. Tämän mahdollistaa suljettu runkorakenne. Niiden käyttö ei rajoitu yhteen toimialaan. Putkia käytetään autoteollisuudessa, elektroniikassa, lääketieteessä ja energiassa.
V altava haittapuoli on kielteinen vaikutus ihmisten terveyteen.
Nanoputkien hiukkaset, jotka pääsevät ihmiskehoon, johtavat pahanlaatuisten kasvainten ja syövän syntymiseen.
Tärkein puoli on tämän teollisuuden rahoitus. Monet ihmiset eivät halua investoida tieteeseen, koska tuoton saaminen kestää kauan. Ja ilman tutkimuslaboratorioiden toimintaa, nanoteknologian kehitystämahdotonta.
Johtopäätös
Hiilinanoputkilla on tärkeä rooli innovatiivisissa teknologioissa. Monet asiantuntijat ennustavat tämän alan kasvua tulevina vuosina. Tuotantokapasiteetti kasvaa merkittävästi, mikä johtaa tavaroiden kustannusten laskuun. Hintojen alenemisen myötä putkien kysyntä tulee olemaan suuri, ja niistä tulee välttämätön materiaali monille laitteille ja laitteille.
Joten, saimme selville, mitä nämä tuotteet ovat.
