Az energia fontos iparág, amely óriási szerepet játszik az emberi életben. Az ország energetikai állapota számos tudós munkájától függ ezen a területen. Ma már alternatív energiaforrásokat keresnek. Ezekre a célokra készek bármit felhasználni, kezdve a napfénytől és a víztől a levegő energiájáig. Nagyra értékelik azokat a berendezéseket, amelyek képesek energiát termelni a környezetből.
Általános információ
A szén nanocsövek hengeres alakú, kiterjesztett hengerelt grafitsíkok. Általában vastagságuk eléri a több tíz nanométert, hossza több centiméter. A nanocsövek végén egy gömbfej képződik, amely a fullerén egyik része.
Kétféle szénnanocső létezik: fém és félvezető. Fő különbségük az áram vezetőképessége. Az első típus 0ºС-nak megfelelő hőmérsékleten képes áramot vezetni, a második pedig csak magasabb hőmérsékleten.
Szén nanocsövek: tulajdonságok
A legtöbba modern területek, mint például az alkalmazott kémia vagy a nanotechnológia, a nanocsövekhez kapcsolódnak, amelyek szénvázas szerkezettel rendelkeznek. Ami? Ez a szerkezet olyan nagy molekulákra vonatkozik, amelyeket csak szénatomok kapcsolnak össze. A szén nanocsöveket, amelyek tulajdonságai a zárt héjon alapulnak, nagyra értékelik. Ezenkívül ezek a képződmények hengeres alakúak. Az ilyen csöveket grafitlap hajtogatásával lehet előállítani, vagy bizonyos katalizátorból növeszteni. A szén nanocsövek, amelyekről az alábbiakban láthatók a fényképek, szokatlan szerkezetűek.
Különböző formájú és méretű: egyrétegű és többrétegű, egyenes és kanyargós. Annak ellenére, hogy a nanocsövek meglehetősen törékenynek tűnnek, erős anyag. Számos tanulmány eredményeként kiderült, hogy olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a nyújtás és a hajlítás. Komoly mechanikai terhelés hatására az elemek nem szakadnak el, nem törnek el, azaz különböző feszültségekhez tudnak alkalmazkodni.
Toxikus
Többszöri vizsgálat eredményeként kiderült, hogy a szén nanocsövek ugyanazokat a problémákat okozhatják, mint az azbesztszálak, azaz különböző rosszindulatú daganatok, valamint tüdőrák is előfordulhatnak. Az azbeszt negatív hatásának mértéke a szálak típusától és vastagságától függ. Mivel a szén nanocsövek kis súlyúak és méretűek, könnyen bejutnak a levegővel az emberi szervezetbe. Továbbá bejutnak a mellhártyába és belépnek a mellkasba, és idővelkülönféle szövődményeket okoz. A tudósok kísérletet végeztek, és nanocsövek részecskéit adtak az egerek táplálékához. A kis átmérőjű termékek gyakorlatilag nem maradtak meg a szervezetben, de a nagyobbak a gyomor falába vájtak és különféle betegségeket okoztak.
Módszerek beszerzése
Ma a következő módszerek léteznek szén nanocsövek előállítására: ívtöltés, abláció, gőzleválasztás.
Elektromos ívkisülés. Megszerzése (szén nanocsöveket ebben a cikkben ismertetünk) elektromos töltésű plazmában, amely hélium felhasználásával eléget. Egy ilyen eljárás a fullerének előállítására szolgáló speciális műszaki berendezésekkel végezhető el. Ezzel a módszerrel azonban más ívégetési módokat is alkalmaznak. Például csökken az áramsűrűség, és óriási vastagságú katódokat is használnak. A hélium légkörének létrehozásához növelni kell ennek a kémiai elemnek a nyomását. A szén nanocsöveket porlasztással állítják elő. Számuk növelése érdekében katalizátort kell bevinni a grafitrúdba. Leggyakrabban különböző fémcsoportok keveréke. Ezenkívül megváltozik a nyomás és a permetezés módja. Így katódos lerakódás keletkezik, ahol szén nanocsövek képződnek. A késztermékek a katódra merőlegesen nőnek, és kötegekben gyűjtik össze. 40 µm hosszúak.
Abláció. Ezt a módszert Richard Smalley találta ki. Lényege, hogy egy magas hőmérsékleten működő reaktorban különböző grafitfelületeket párologtatnak el. A szén nanocsövek az alján lévő grafit elpárolgása következtében keletkezneka reaktor részei.
Lehűtik és hűtőfelülettel gyűjtik össze. Ha az első esetben az elemek száma 60% volt, akkor ezzel a módszerrel a szám 10% -kal nőtt. A lézeres abszolációs módszer költsége drágább, mint az összes többi. Az egyfalú nanocsöveket általában a reakcióhőmérséklet változtatásával állítják elő.
Lerakódás a gázfázisból. A széngőzleválasztásos módszert az 50-es évek végén találták fel. De senki sem gondolta, hogy szén nanocsöveket lehet vele szerezni. Tehát először elő kell készítenie a felületet katalizátorral. Különböző fémek kis részecskéi, például kob alt, nikkel és sok más, szolgálhatnak. Nanocsövek kezdenek előjönni a katalizátorágyból. Vastagságuk közvetlenül függ a katalizáló fém méretétől. A felületet magas hőmérsékletre hevítik, majd széntartalmú gázt vezetnek be. Ezek közé tartozik a metán, acetilén, etanol stb. Az ammónia kiegészítő műszaki gázként szolgál. A nanocsövek előállításának ez a módszere a legelterjedtebb. Maga a folyamat különféle ipari vállalkozásokban zajlik, ami miatt kevesebb pénzügyi forrást fordítanak nagyszámú cső gyártására. A módszer másik előnye, hogy bármilyen katalizátorként szolgáló fémrészecskéből függőleges elemek nyerhetők. A beszerzés (a szén nanocsöveket minden oldalról leírják) Suomi Iijima kutatásának köszönhetően vált lehetővé, akimikroszkóp alatt megfigyelték a szénszintézis eredményeként való megjelenésüket.
Fő fajok
A szénelemek a rétegek száma szerint vannak osztályozva. A legegyszerűbb típus az egyfalú szén nanocsövek. Mindegyikük körülbelül 1 nm vastag, és a hosszuk sokkal hosszabb is lehet. Ha figyelembe vesszük a szerkezetet, akkor a termék úgy néz ki, mint egy hatszögletű rácsos grafit becsomagolása. A tetején szénatomok találhatók. Így a cső henger alakú, és nincs varrat. Az eszközök felső részét fullerén molekulákból álló burkolatok zárják.
A következő nézet a többrétegű szén nanocsövek. Több réteg grafitból állnak, amelyeket henger alakúra hajtogatnak. 0,34 nm távolságot kell tartani közöttük. Egy ilyen típusú szerkezetet kétféleképpen írnak le. Az első szerint a többrétegű csövek több, egymásba ágyazott egyrétegű cső, amely úgy néz ki, mint egy fészkelő baba. A második szerint a többrétegű nanocsövek egy grafitlap, amely többször is maga köré tekered, és úgy néz ki, mint egy hajtogatott újság.
Szén nanocsövek: alkalmazások
Az Elements a nanoanyagok osztályának abszolút új képviselője.
Amint korábban említettük, vázszerkezetük van, amely tulajdonságaiban különbözik a grafittól vagy a gyémánttól. Ezért használják őket sokkal gyakrabban, mint más anyagokat.
Tulajdonságai miatt, mint például szilárdság, hajlítás, vezetőképesség, számos területen használják:
- polimerek adalékanyagaként;
- katalizátor világítóberendezésekhez, valamint síkképernyős kijelzőkhöz és kézibeszélőkhöz a távközlési hálózatokban;
- elektromágneses hullámelnyelőként;
- energia-átalakításhoz;
- anódok gyártása különféle típusú akkumulátorokban;
- hidrogéntároló;
- érzékelők és kondenzátorok gyártása;
- kompozitok gyártása, szerkezetük és tulajdonságaik megerősítése.
Sok éven át tudományos kutatásban használták a szén nanocsöveket, amelyek alkalmazása nem korlátozódik egy adott iparágra. Az ilyen anyagok gyenge pozícióval rendelkeznek a piacon, mivel problémák vannak a nagyüzemi gyártás során. Egy másik fontos szempont a szén nanocsövek magas ára, amely körülbelül 120 dollár az ilyen anyag grammonként.
Alapelemként használják számos kompozit gyártásához, amelyekből számos sportszert gyártanak. Egy másik iparág az autóipar. A szén nanocsövek funkcionalizálása ezen a területen a polimerek vezető tulajdonságokkal való ellátására korlátozódik.
A nanocsövek hővezető képessége elég magas ahhoz, hogy különféle masszív berendezések hűtőberendezéseként használhatók. A szondacsövekhez rögzített hegyek készítésére is használják őket.
A legfontosabb alkalmazási terület a számítástechnika. A nanocsöveknek köszönhetően különösen lapos kijelzők jönnek létre. Ezek segítségével jelentősen csökkenthetőmagának a számítógépnek a méreteit, valamint növeli annak műszaki teljesítményét. A kész berendezések többszörösen felülmúlják a jelenlegi technológiákat. E vizsgálatok alapján nagyfeszültségű kineszkópok készíthetők.
Idővel a csöveket nem csak az elektronikában fogják használni, hanem az orvosi és energetikai területeken is.
Gyártás
A széncsövek, amelyek termelése a két típus között oszlik meg, egyenlőtlenül oszlik meg.
Tehát az MWNT-k sokkal többet keresnek, mint az SWNT-k. A második típust sürgős szükség esetén végezzük. Különböző cégek folyamatosan gyártanak szén nanocsöveket. De gyakorlatilag nincs rájuk kereslet, mivel a költségük túl magas.
Produkciós vezetők
Ma a szén nanocsövek gyártásában a vezető helyet az ázsiai országok foglalják el, amelyek gyártási kapacitása 3-szor magasabb, mint Európa és Amerika más országaiban. Japán különösen az MWNT gyártásával foglalkozik. De más országok, például Korea és Kína sem maradnak el ebben a mutatóban.
Oroszországi gyártás
A szén nanocsövek hazai gyártása messze elmarad a többi ország mögött. Valójában minden az ezen a területen végzett kutatás minőségétől függ. Nem szán elegendő pénzügyi forrást tudományos és technológiai központok létrehozására az országban. Sokan azért nem fogadják el a fejlesztéseket a nanotechnológia területén, mert nem tudják, hogyan lehet az iparban felhasználni. Ezért a gazdaság átmeneteaz új út meglehetősen nehéz.
Ezért Oroszország elnöke rendeletet adott ki, amely a nanotechnológia különböző területeinek fejlődését jelzi, beleértve a szénelemeket is. Ebből a célból egy speciális programot hoztak létre saját technológiáink fejlesztésére és gyártására.
A megrendelés minden pontjának teljesítése érdekében létrehozták a Rosnanotech céget. Működésére jelentős összeget különítettek el az állami költségvetésből. Neki kell irányítania a szén nanocsövek fejlesztésének, gyártásának és az ipari szférába történő bevezetésének folyamatát. Az elkülönített összeget különböző kutatóintézetek, laboratóriumok létrehozására fordítják, és a hazai tudósok eddigi eredményeit is erősítik. Ezenkívül ezeket az alapokat szén nanocsövek gyártásához szükséges kiváló minőségű berendezések vásárlására fordítják. Azokra az eszközökre is érdemes vigyázni, amelyek védik az emberi egészséget, hiszen ez az anyag sok betegséget okoz.
Amint korábban említettük, az egész probléma a források előteremtése. A legtöbb befektető nem akar kutatásba és fejlesztésbe fektetni, különösen hosszú ideig. Minden üzletember profitot akar látni, de a nanofejlesztés évekig is eltarthat. Ez taszítja a kis- és középvállalkozások képviselőit. Emellett állami beruházások nélkül nem lehet teljes mértékben beindítani a nanoanyagok gyártását.
Még egy problémaa jogi keret hiánya, mivel nincs köztes kapcsolat az üzleti élet különböző szakaszai között. Ezért a szén nanocsövek, amelyek előállítására Oroszországban nincs kereslet, nemcsak pénzügyi, hanem szellemi befektetéseket is igényelnek. Az Orosz Föderáció eddig messze van a nanotechnológia fejlesztésében vezető ázsiai országoktól.
Ma az iparág fejlesztéseit különböző moszkvai, tambovi, szentpétervári, novoszibirszki és kazanyi egyetemek vegyi tanszékein végzik. A szén nanocsövek vezető gyártói a Granat cég és a tambovi Komsomolets üzem.
Jó és rossz oldala
Az előnyök között szerepel a szén nanocsövek különleges tulajdonságai. Tartós anyagok, amelyek nem esnek össze mechanikai hatások hatására. Ezen kívül jól működnek hajlításban és nyújtásban. Ezt a zárt keretszerkezet teszi lehetővé. Alkalmazásuk nem korlátozódik egy iparágra. A csöveket az autóiparban, az elektronikában, az orvostudományban és az energetikában használják.
Óriási hátrány az emberi egészségre gyakorolt negatív hatás.
A nanocsövek emberi szervezetbe jutó részecskéi rosszindulatú daganatok és rák kialakulásához vezetnek.
A lényeges oldal ennek az iparágnak a finanszírozása. Sokan nem akarnak befektetni a tudományba, mert hosszú időbe telik a profit. Kutatólaboratóriumok működése nélkül pedig a nanotechnológia fejlődéselehetetlen.
Következtetés
A szén nanocsövek fontos szerepet játszanak az innovatív technológiákban. Sok szakértő előrejelzi ennek az iparágnak a növekedését az elkövetkező években. Jelentősen megnövekszik a termelési kapacitás, ami az áruk önköltségének csökkenéséhez vezet. Az árak csökkenésével a csövek iránt nagy kereslet lesz, és számos eszköz és berendezés nélkülözhetetlen anyagává válnak.
Szóval, megtudtuk, mik ezek a termékek.
