Energija je važna industrija koja igra veliku ulogu u ljudskom životu. Energetsko stanje u zemlji ovisi o radu mnogih znanstvenika na ovom području. Danas su u potrazi za alternativnim izvorima energije. U te svrhe spremni su koristiti sve, počevši od sunčeve svjetlosti i vode, završavajući energijom zraka. Oprema koja može generirati energiju iz okoliša vrlo je cijenjena.
Opće informacije
Ugljične nanocijevi su produžene valjane grafitne ravnine cilindričnog oblika. U pravilu njihova debljina doseže nekoliko desetaka nanometara, s duljinom od nekoliko centimetara. Na kraju nanocijevi formira se sferna glava, koja je jedan od dijelova fulerena.
Postoje dvije vrste ugljikovih nanocijevi: metalne i poluvodičke. Njihova glavna razlika je vodljivost struje. Prvi tip može provoditi struju na temperaturi jednakoj 0ºS, a drugi - samo na povišenim temperaturama.
Ugljične nanocijevi: svojstva
Većinamoderna područja, kao što su primijenjena kemija ili nanotehnologija, povezana su s nanocijevima, koje imaju strukturu ugljičnog okvira. Što je? Ova struktura se odnosi na velike molekule povezane samo ugljikovim atomima. Ugljične nanocijevi, čija se svojstva temelje na zatvorenoj ljusci, vrlo su cijenjene. Osim toga, ove formacije imaju cilindrični oblik. Takve cijevi se mogu dobiti savijanjem grafitnog lima, ili izrasti iz određenog katalizatora. Ugljične nanocijevi, čije su fotografije prikazane u nastavku, imaju neobičnu strukturu.
Dolaze u različitim oblicima i veličinama: jednoslojni i višeslojni, ravni i vijugavi. Unatoč činjenici da nanocijevi izgledaju prilično krhko, oni su snažan materijal. Kao rezultat mnogih istraživanja, ustanovljeno je da imaju svojstva kao što su istezanje i savijanje. Pod djelovanjem ozbiljnih mehaničkih opterećenja, elementi se ne kidaju niti lome, odnosno mogu se prilagoditi različitim naponima.
Otrovnost
Kao rezultat višestrukih studija, ustanovljeno je da ugljikove nanocijevi mogu uzrokovati iste probleme kao i azbestna vlakna, odnosno nastaju razni maligni tumori, kao i rak pluća. Stupanj negativnog utjecaja azbesta ovisi o vrsti i debljini njegovih vlakana. Budući da su ugljikove nanocijevi male težine i veličine, lako ulaze u ljudsko tijelo sa zrakom. Nadalje, ulaze u pleuru i ulaze u prsni koš, a s vremenomizazvati razne komplikacije. Znanstvenici su proveli eksperiment i dodali čestice nanocijevi u hranu miševa. Proizvodi malog promjera praktički se nisu zadržavali u tijelu, već su se veći zabijali u zidove želuca i izazivali razne bolesti.
Način dobivanja
Danas postoje sljedeće metode za dobivanje ugljičnih nanocijevi: lučno punjenje, ablacija, taloženje parom.
Električno lučno pražnjenje. Dobivanje (ugljične nanocijevi su opisane u ovom članku) u plazmi električnog naboja, koji gori uz korištenje helija. Takav se proces može provesti pomoću posebne tehničke opreme za proizvodnju fulerena. Ali s ovom metodom koriste se drugi načini gorenja luka. Na primjer, gustoća struje je smanjena, a koriste se i katode enormne debljine. Za stvaranje atmosfere helija potrebno je povećati tlak ovog kemijskog elementa. Ugljične nanocijevi dobivaju se raspršivanjem. Za povećanje njihovog broja potrebno je uvesti katalizator u grafitnu šipku. Najčešće je to mješavina različitih metalnih skupina. Nadalje, dolazi do promjene tlaka i načina prskanja. Tako se dobiva katodni depozit, gdje nastaju ugljikove nanocijevi. Gotovi proizvodi rastu okomito na katodu i skupljaju se u snopove. Dugi su 40 µm.
Ablacija. Ovu metodu je izumio Richard Smalley. Njegova je bit isparavanje različitih grafitnih površina u reaktoru koji radi na visokim temperaturama. Ugljične nanocijevi nastaju kao rezultat isparavanja grafita na dnudijelovi reaktora.
Ohlađuju se i skupljaju pomoću rashladne površine. Ako je u prvom slučaju broj elemenata bio jednak 60%, onda se ovom metodom brojka povećala za 10%. Trošak metode laserske absolacije skuplji je od svih ostalih. U pravilu se nanocijevi s jednom stijenkom dobivaju promjenom reakcijske temperature.
Taloženje iz plinske faze. Metoda taloženja ugljične pare izumljena je kasnih 50-ih godina. Ali nitko nije ni slutio da se njime mogu dobiti ugljikove nanocijevi. Dakle, prvo morate pripremiti površinu s katalizatorom. Kao to mogu poslužiti male čestice različitih metala, na primjer, kob alt, nikal i mnogi drugi. Nanocijevi počinju izlaziti iz sloja katalizatora. Njihova debljina izravno ovisi o veličini metala za katalizu. Površina se zagrijava na visoke temperature, a zatim se dovodi plin koji sadrži ugljik. Među njima su metan, acetilen, etanol itd. Amonijak služi kao dodatni tehnički plin. Ova metoda dobivanja nanocijevi je najčešća. Sam proces se odvija u raznim industrijskim poduzećima, zbog čega se troši manje financijskih sredstava za proizvodnju velikog broja cijevi. Još jedna prednost ove metode je da se vertikalni elementi mogu dobiti iz bilo koje metalne čestice koje služe kao katalizator. Dobivanje (ugljične nanocijevi su opisane sa svih strana) postalo je moguće zahvaljujući istraživanju Suomija Iijime, kojipromatrano pod mikroskopom zbog njihovog izgleda kao rezultat sinteze ugljika.
Glavne vrste
Ugljični elementi klasificirani su prema broju slojeva. Najjednostavniji tip su ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom. Svaki od njih ima debljinu od oko 1 nm, a njihova duljina može biti mnogo veća. Ako uzmemo u obzir strukturu, onda proizvod izgleda kao omotni grafit s šesterokutnom mrežom. Na njegovim vrhovima su atomi ugljika. Dakle, cijev ima oblik cilindra, koji nema šavova. Gornji dio uređaja zatvoren je poklopcima koji se sastoje od molekula fulerena.
Sljedeći pogled su višeslojne ugljikove nanocijevi. Sastoje se od nekoliko slojeva grafita, koji su presavijeni u obliku cilindra. Između njih se održava razmak od 0,34 nm. Struktura ovog tipa opisana je na dva načina. Prema prvom, višeslojne cijevi su nekoliko jednoslojnih cijevi ugniježđenih jedna u drugu, što izgleda kao lutka za gniježđenje. Prema drugom, višeslojne nanocijevi su list grafita koji se nekoliko puta omota oko sebe, što izgleda kao presavijene novine.
Ugljične nanocijevi: primjene
Elementi su apsolutno novi predstavnik klase nanomaterijala.
Kao što je ranije spomenuto, imaju strukturu okvira, koja se po svojstvima razlikuje od grafita ili dijamanta. Zato se koriste mnogo češće od ostalih materijala.
Zbog svojih karakteristika kao što su čvrstoća, savijanje, vodljivost, koristi se u mnogim poljima:
- kao aditivi polimerima;
- katalizator za rasvjetne uređaje, kao i ravne zaslone i slušalice u telekomunikacijskim mrežama;
- kao apsorber elektromagnetskih valova;
- za pretvorbu energije;
- proizvodnja anoda u raznim vrstama baterija;
- skladištenje vodika;
- proizvodnja senzora i kondenzatora;
- proizvodnja kompozita i jačanje njihove strukture i svojstava.
Dugi niz godina, ugljikove nanocijevi, čija primjena nije ograničena na jednu određenu industriju, koriste se u znanstvenim istraživanjima. Takav materijal ima slabu poziciju na tržištu, jer postoje problemi s velikom proizvodnjom. Još jedna važna točka je visoka cijena ugljikovih nanocijevi, koja je otprilike 120 USD po gramu takve tvari.
Upotrebljavaju se kao osnovni element za proizvodnju mnogih kompozita, koji se koriste za izradu mnogih sportskih proizvoda. Druga industrija je automobilska industrija. Funkcionalizacija ugljikovih nanocijevi u ovom području svodi se na davanje polimera vodljivim svojstvima.
Toplinska vodljivost nanocijevi je dovoljno visoka da se mogu koristiti kao rashladni uređaj za raznu masivnu opremu. Također se koriste za izradu vrhova koji se pričvršćuju na cijevi sonde.
Najvažnije područje primjene je računalna tehnologija. Zahvaljujući nanocjevčicama nastaju posebno ravni zasloni. Mogu se koristiti za značajno smanjenjeukupne dimenzije samog računala, kao i povećanje njegovih tehničkih performansi. Gotova oprema bit će nekoliko puta superiornija u odnosu na postojeće tehnologije. Na temelju ovih studija mogu se izraditi visokonaponski kineskopi.
S vremenom će se cijevi koristiti ne samo u elektronici, već iu medicinskom i energetskom polju.
Proizvodnja
Ugljične cijevi, čija je proizvodnja raspoređena između dvije vrste, neravnomjerno su raspoređene.
Dakle, MWNT zarađuju puno više od SWNT-a. Druga vrsta se radi u slučaju hitne potrebe. Razne tvrtke neprestano proizvode ugljične nanocijevi. Ali oni praktički nisu traženi, jer im je cijena previsoka.
Vodice proizvodnje
Danas vodeće mjesto u proizvodnji ugljikovih nanocijevi zauzimaju azijske zemlje, čije su proizvodne mogućnosti 3 puta veće nego u drugim zemljama Europe i Amerike. Konkretno, Japan se bavi proizvodnjom MWNT-a. Ali druge zemlje, poput Koreje i Kine, nisu inferiorne u ovom pokazatelju.
Proizvodnja u Rusiji
Domaća proizvodnja ugljikovih nanocijevi daleko zaostaje za drugim zemljama. Zapravo, sve ovisi o kvaliteti istraživanja na ovom području. Ne izdvaja dovoljno financijskih sredstava za stvaranje znanstvenih i tehnoloških centara u zemlji. Mnogi ljudi ne prihvaćaju razvoje u području nanotehnologije jer ne znaju kako se ona može koristiti u industriji. Dakle, tranzicija gospodarstvanovi put je prilično težak.
Stoga je predsjednik Rusije izdao dekret, koji ukazuje na razvoj različitih područja nanotehnologije, uključujući elemente ugljika. U tu svrhu kreiran je poseban program za razvoj i proizvodnju vlastitih tehnologija.
Kako bismo ispunili sve točke narudžbe, stvorena je tvrtka Rosnanotech. Za njezino funkcioniranje izdvojen je značajan iznos iz državnog proračuna. Ona je ta koja bi trebala kontrolirati proces razvoja, proizvodnje i uvođenja ugljikovih nanocijevi u industrijsku sferu. Dodijeljeni iznos bit će utrošen na stvaranje različitih istraživačkih instituta i laboratorija, a također će ojačati postojeća dostignuća domaćih znanstvenika. Također, ova sredstva će se koristiti za kupnju visokokvalitetne opreme za proizvodnju ugljikovih nanocijevi. Također je vrijedno voditi brigu o onim uređajima koji će štititi ljudsko zdravlje, jer ovaj materijal uzrokuje mnoge bolesti.
Kao što je ranije spomenuto, cijeli je problem prikupiti sredstva. Većina ulagača ne želi ulagati u istraživanje i razvoj, osobito dulje vrijeme. Svi gospodarstvenici žele vidjeti profit, ali nanorazvoj može potrajati godinama. To je ono što odbija predstavnike malih i srednjih poduzeća. Osim toga, bez državnih ulaganja neće biti moguće u potpunosti pokrenuti proizvodnju nanomaterijala.
Još jedan problemje nedostatak zakonskog okvira, budući da ne postoji međuveza između različitih faza poslovanja. Stoga ugljikove nanocijevi, čija proizvodnja nije tražena u Rusiji, zahtijevaju ne samo financijska, već i mentalna ulaganja. Za sada je Ruska Federacija daleko od azijskih zemalja, koje su vodeće u razvoju nanotehnologije.
Danas se razvoj u ovoj industriji odvija na kemijskim odjelima raznih sveučilišta u Moskvi, Tambovu, Sankt Peterburgu, Novosibirsku i Kazanu. Vodeći proizvođači ugljičnih nanocijevi su tvrtka Granat i tvornica Komsomolets u Tambovu.
Dobre i loše strane
Među prednostima su posebna svojstva ugljikovih nanocijevi. Oni su izdržljiv materijal koji se ne urušava pod utjecajem mehaničkih utjecaja. Osim toga, dobro rade za savijanje i istezanje. To je omogućeno zatvorenom strukturom okvira. Njihova primjena nije ograničena na jednu industriju. Cijevi se koriste u automobilskoj industriji, elektronici, medicini i energetici.
Veliki nedostatak je negativan utjecaj na ljudsko zdravlje.
Čestice nanocijevi, ulazeći u ljudsko tijelo, dovode do pojave malignih tumora i raka.
Bitna strana je financiranje ove industrije. Mnogi ljudi ne žele ulagati u znanost, jer je potrebno puno vremena da bi se ostvario profit. I bez funkcioniranja istraživačkih laboratorija, razvoj nanotehnologijenemoguće.
Zaključak
Ugljične nanocijevi igraju važnu ulogu u inovativnim tehnologijama. Mnogi stručnjaci predviđaju rast ove industrije u narednim godinama. Doći će do značajnog povećanja proizvodnih sposobnosti, što će dovesti do smanjenja cijene robe. S smanjenjem cijene, cijevi će biti vrlo tražene, te će postati nezamjenjiv materijal za mnoge uređaje i opremu.
Dakle, saznali smo koji su to proizvodi.
