Η ενέργεια είναι μια σημαντική βιομηχανία που παίζει τεράστιο ρόλο στη ζωή του ανθρώπου. Η ενεργειακή κατάσταση της χώρας εξαρτάται από το έργο πολλών επιστημόνων στον τομέα αυτό. Σήμερα αναζητούν εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Για τους σκοπούς αυτούς, είναι έτοιμοι να χρησιμοποιήσουν οτιδήποτε, ξεκινώντας από το φως του ήλιου και το νερό, τελειώνοντας με την ενέργεια του αέρα. Ο εξοπλισμός που μπορεί να παράγει ενέργεια από το περιβάλλον εκτιμάται ιδιαίτερα.
Γενικές πληροφορίες
Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι εκτεταμένα ελασματοποιημένα επίπεδα γραφίτη που έχουν κυλινδρικό σχήμα. Κατά κανόνα, το πάχος τους φτάνει πολλές δεκάδες νανόμετρα, με μήκος αρκετά εκατοστά. Στο τέλος των νανοσωλήνων, σχηματίζεται μια σφαιρική κεφαλή, η οποία είναι ένα από τα μέρη του φουλερενίου.
Υπάρχουν δύο τύποι νανοσωλήνων άνθρακα: οι μεταλλικοί και οι ημιαγωγοί. Η κύρια διαφορά τους είναι η αγωγιμότητα του ρεύματος. Ο πρώτος τύπος μπορεί να μεταφέρει ρεύμα σε θερμοκρασία ίση με 0ºС και ο δεύτερος - μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες.
Νανοσωλήνες άνθρακα: ιδιότητες
Τα περισσότεραΟι σύγχρονοι τομείς, όπως η εφαρμοσμένη χημεία ή η νανοτεχνολογία, συνδέονται με νανοσωλήνες, οι οποίοι έχουν δομή πλαισίου άνθρακα. Τι είναι? Αυτή η δομή αναφέρεται σε μεγάλα μόρια που συνδέονται μεταξύ τους μόνο με άτομα άνθρακα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα, των οποίων οι ιδιότητες βασίζονται σε ένα κλειστό κέλυφος, εκτιμώνται ιδιαίτερα. Επιπλέον, αυτοί οι σχηματισμοί έχουν κυλινδρικό σχήμα. Τέτοιοι σωλήνες μπορούν να ληφθούν με το δίπλωμα ενός φύλλου γραφίτη ή να αναπτυχθούν από έναν συγκεκριμένο καταλύτη. Οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι φωτογραφίες των οποίων παρουσιάζονται παρακάτω, έχουν μια ασυνήθιστη δομή.
Υπάρχουν σε διάφορα σχήματα και μεγέθη: μονοστρωματικά και πολυεπίπεδα, ίσια και αυλακωτά. Παρά το γεγονός ότι οι νανοσωλήνες φαίνονται αρκετά εύθραυστοι, είναι ένα ισχυρό υλικό. Ως αποτέλεσμα πολλών μελετών, διαπιστώθηκε ότι έχουν ιδιότητες όπως τέντωμα και κάμψη. Υπό τη δράση σοβαρών μηχανικών φορτίων, τα στοιχεία δεν σχίζονται ούτε σπάνε, δηλαδή μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικές τάσεις.
Τοξικότητα
Σε αποτέλεσμα πολλαπλών μελετών, διαπιστώθηκε ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να προκαλέσουν τα ίδια προβλήματα με τις ίνες αμιάντου, δηλαδή να εμφανιστούν διάφοροι κακοήθεις όγκοι, καθώς και καρκίνος του πνεύμονα. Ο βαθμός αρνητικής επίδρασης του αμιάντου εξαρτάται από τον τύπο και το πάχος των ινών του. Δεδομένου ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μικροί σε βάρος και μέγεθος, εισέρχονται εύκολα στο ανθρώπινο σώμα με αέρα. Περαιτέρω, εισέρχονται στον υπεζωκότα και εισέρχονται στο στήθος, και με την πάροδο του χρόνουπροκαλούν διάφορες επιπλοκές. Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν ένα πείραμα και πρόσθεσαν σωματίδια νανοσωλήνων στην τροφή των ποντικών. Προϊόντα μικρής διαμέτρου ουσιαστικά δεν έμειναν στο σώμα, αλλά μεγαλύτερα έσκαβαν στα τοιχώματα του στομάχου και προκαλούσαν διάφορες ασθένειες.
Λήψη μεθόδων
Σήμερα, υπάρχουν οι ακόλουθες μέθοδοι για τη λήψη νανοσωλήνων άνθρακα: φόρτιση τόξου, κατάλυση, εναπόθεση ατμών.
Εκφόρτιση ηλεκτρικού τόξου. Λήψη (οι νανοσωλήνες άνθρακα περιγράφονται σε αυτό το άρθρο) σε ένα πλάσμα ηλεκτρικού φορτίου, το οποίο καίγεται με τη χρήση ηλίου. Μια τέτοια διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας ειδικό τεχνικό εξοπλισμό για την παραγωγή φουλερενίων. Αλλά με αυτή τη μέθοδο, χρησιμοποιούνται άλλοι τρόποι καύσης τόξου. Για παράδειγμα, η πυκνότητα ρεύματος μειώνεται και χρησιμοποιούνται επίσης κάθοδοι τεράστιου πάχους. Για να δημιουργηθεί μια ατμόσφαιρα ηλίου, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η πίεση αυτού του χημικού στοιχείου. Οι νανοσωλήνες άνθρακα λαμβάνονται με ψεκασμό. Για να αυξηθεί ο αριθμός τους, είναι απαραίτητο να εισαχθεί ένας καταλύτης στη ράβδο γραφίτη. Τις περισσότερες φορές είναι ένα μείγμα διαφορετικών μεταλλικών ομάδων. Περαιτέρω, υπάρχει αλλαγή στην πίεση και στη μέθοδο ψεκασμού. Έτσι, προκύπτει μια καθοδική απόθεση, όπου σχηματίζονται νανοσωλήνες άνθρακα. Τα τελικά προϊόντα αναπτύσσονται κάθετα προς την κάθοδο και συλλέγονται σε δέσμες. Έχουν μήκος 40 μm.
Ablation. Αυτή η μέθοδος επινοήθηκε από τον Richard Smalley. Η ουσία του είναι να εξατμίζει διαφορετικές επιφάνειες γραφίτη σε έναν αντιδραστήρα που λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι νανοσωλήνες άνθρακα σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της εξάτμισης του γραφίτη στον πυθμέναμέρη του αντιδραστήρα.
Ψύχονται και συλλέγονται χρησιμοποιώντας μια επιφάνεια ψύξης. Εάν στην πρώτη περίπτωση, ο αριθμός των στοιχείων ήταν ίσος με 60%, τότε με αυτή τη μέθοδο το ποσοστό αυξήθηκε κατά 10%. Το κόστος της μεθόδου απορρόφησης λέιζερ είναι πιο ακριβό από όλες τις άλλες. Κατά κανόνα, οι νανοσωλήνες μονού τοιχώματος λαμβάνονται αλλάζοντας τη θερμοκρασία αντίδρασης.
Εναπόθεση από την αέρια φάση. Η μέθοδος εναπόθεσης ατμών άνθρακα εφευρέθηκε στα τέλη της δεκαετίας του '50. Αλλά κανείς δεν φανταζόταν καν ότι θα μπορούσαν να αποκτηθούν νανοσωλήνες άνθρακα με αυτό. Έτσι, πρώτα πρέπει να προετοιμάσετε την επιφάνεια με έναν καταλύτη. Μικρά σωματίδια διαφορετικών μετάλλων, για παράδειγμα, κοβάλτιο, νικέλιο και πολλά άλλα, μπορούν να χρησιμεύσουν ως αυτό. Οι νανοσωλήνες αρχίζουν να αναδύονται από την καταλυτική κλίνη. Το πάχος τους εξαρτάται άμεσα από το μέγεθος του μετάλλου που καταλύει. Η επιφάνεια θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες και στη συνέχεια παρέχεται ένα αέριο που περιέχει άνθρακα. Μεταξύ αυτών είναι το μεθάνιο, η ακετυλίνη, η αιθανόλη κ.λπ. Η αμμωνία χρησιμεύει ως πρόσθετο τεχνικό αέριο. Αυτή η μέθοδος λήψης νανοσωλήνων είναι η πιο κοινή. Η ίδια η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε διάφορες βιομηχανικές επιχειρήσεις, λόγω των οποίων δαπανώνται λιγότεροι οικονομικοί πόροι για την κατασκευή μεγάλου αριθμού σωλήνων. Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορούν να ληφθούν κατακόρυφα στοιχεία από οποιαδήποτε μεταλλικά σωματίδια που χρησιμεύουν ως καταλύτης. Η απόκτηση (οι νανοσωλήνες άνθρακα περιγράφονται από όλες τις πλευρές) κατέστη δυνατή χάρη στην έρευνα του Suomi Iijima, ο οποίοςπαρατηρήθηκε στο μικροσκόπιο για την εμφάνισή τους ως αποτέλεσμα της σύνθεσης άνθρακα.
Κύριο είδος
Τα στοιχεία άνθρακα ταξινομούνται με βάση τον αριθμό των στρώσεων. Ο απλούστερος τύπος είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος. Κάθε ένα από αυτά έχει πάχος περίπου 1 nm και το μήκος τους μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο. Αν λάβουμε υπόψη τη δομή, τότε το προϊόν μοιάζει με τύλιγμα γραφίτη με ένα εξαγωνικό πλέγμα. Στην κορυφή του υπάρχουν άτομα άνθρακα. Έτσι, ο σωλήνας έχει το σχήμα ενός κυλίνδρου, ο οποίος δεν έχει ραφές. Το επάνω μέρος των συσκευών είναι κλειστό με καλύμματα που αποτελούνται από μόρια φουλερενίου.
Η επόμενη άποψη είναι νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών στρώσεων. Αποτελούνται από πολλά στρώματα γραφίτη, τα οποία διπλώνονται σε σχήμα κυλίνδρου. Μεταξύ τους διατηρείται απόσταση 0,34 nm. Μια δομή αυτού του τύπου περιγράφεται με δύο τρόπους. Σύμφωνα με την πρώτη, οι πολυστρωματικοί σωλήνες είναι αρκετοί σωλήνες μονής στρώσης φωλιασμένοι ο ένας στον άλλο, που μοιάζει με κούκλα φωλιάσματος. Σύμφωνα με το δεύτερο, οι πολυστρωματικοί νανοσωλήνες είναι ένα φύλλο γραφίτη που τυλίγεται γύρω του πολλές φορές, το οποίο μοιάζει με διπλωμένη εφημερίδα.
Νανοσωλήνες άνθρακα: εφαρμογές
Τα στοιχεία είναι ένας απόλυτος νέος εκπρόσωπος της κατηγορίας των νανοϋλικών.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, έχουν δομή πλαισίου, η οποία διαφέρει στις ιδιότητες από τον γραφίτη ή το διαμάντι. Γι' αυτό χρησιμοποιούνται πολύ πιο συχνά από άλλα υλικά.
Λόγω των χαρακτηριστικών του όπως αντοχή, κάμψη, αγωγιμότητα, χρησιμοποιείται σε πολλούς τομείς:
- ως πρόσθετα σε πολυμερή;
- καταλύτης για συσκευές φωτισμού, καθώς και επίπεδες οθόνες και ακουστικά σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών;
- ως απορροφητής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων;
- για μετατροπή ενέργειας;
- κατασκευή ανοδίων σε διάφορους τύπους μπαταριών;
- αποθήκευση υδρογόνου;
- κατασκευή αισθητήρων και πυκνωτών;
- παραγωγή σύνθετων υλικών και ενίσχυση της δομής και των ιδιοτήτων τους.
Για πολλά χρόνια, οι νανοσωλήνες άνθρακα, των οποίων η εφαρμογή δεν περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη βιομηχανία, χρησιμοποιούνται στην επιστημονική έρευνα. Τέτοιο υλικό έχει αδύναμη θέση στην αγορά, καθώς υπάρχουν προβλήματα με την παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ένα άλλο σημαντικό σημείο είναι το υψηλό κόστος των νανοσωλήνων άνθρακα, το οποίο είναι περίπου 120 $ ανά γραμμάριο τέτοιας ουσίας.
Χρησιμοποιούνται ως βασικό στοιχείο για την παραγωγή πολλών σύνθετων υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πολλών αθλητικών ειδών. Ένας άλλος κλάδος είναι η αυτοκινητοβιομηχανία. Η λειτουργικότητα των νανοσωλήνων άνθρακα σε αυτήν την περιοχή περιορίζεται στην παροχή πολυμερών με αγώγιμες ιδιότητες.
Η θερμική αγωγιμότητα των νανοσωλήνων είναι αρκετά υψηλή ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευή ψύξης για διάφορους τεράστιους εξοπλισμούς. Χρησιμοποιούνται επίσης για την κατασκευή άκρων που συνδέονται με τους σωλήνες ανιχνευτή.
Ο πιο σημαντικός τομέας εφαρμογής είναι η τεχνολογία των υπολογιστών. Χάρη στους νανοσωλήνες, δημιουργούνται ιδιαίτερα επίπεδες οθόνες. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σημαντική μείωσητις συνολικές διαστάσεις του ίδιου του υπολογιστή, καθώς και την αύξηση της τεχνικής του απόδοσης. Ο έτοιμος εξοπλισμός θα είναι αρκετές φορές ανώτερος από τις τρέχουσες τεχνολογίες. Με βάση αυτές τις μελέτες, μπορούν να δημιουργηθούν κινοσκόπια υψηλής τάσης.
Με την πάροδο του χρόνου, οι σωλήνες θα χρησιμοποιούνται όχι μόνο στα ηλεκτρονικά, αλλά και στους ιατρικούς και ενεργειακούς τομείς.
Παραγωγή
Οι σωλήνες άνθρακα, των οποίων η παραγωγή κατανέμεται μεταξύ των δύο τύπων, είναι άνισα κατανεμημένοι.
Έτσι τα MWNT βγάζουν πολύ περισσότερα από τα SWNT. Ο δεύτερος τύπος γίνεται σε περίπτωση επείγουσας ανάγκης. Διάφορες εταιρείες παράγουν συνεχώς νανοσωλήνες άνθρακα. Αλλά πρακτικά δεν έχουν ζήτηση, καθώς το κόστος τους είναι πολύ υψηλό.
Ηγέτες παραγωγής
Σήμερα, την ηγετική θέση στην παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα κατέχουν οι ασιατικές χώρες, των οποίων οι παραγωγικές δυνατότητες είναι 3 φορές υψηλότερες από ό,τι σε άλλες χώρες της Ευρώπης και της Αμερικής. Συγκεκριμένα, η Ιαπωνία ασχολείται με την κατασκευή MWNT. Αλλά άλλες χώρες, όπως η Κορέα και η Κίνα, δεν είναι κατώτερες σε αυτόν τον δείκτη.
Παραγωγή στη Ρωσία
Η εγχώρια παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα υστερεί πολύ σε σχέση με άλλες χώρες. Στην πραγματικότητα, όλα εξαρτώνται από την ποιότητα της έρευνας σε αυτόν τον τομέα. Δεν διαθέτει αρκετούς οικονομικούς πόρους για τη δημιουργία επιστημονικών και τεχνολογικών κέντρων στη χώρα. Πολλοί άνθρωποι δεν αποδέχονται τις εξελίξεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας επειδή δεν γνωρίζουν πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία. Ως εκ τούτου, η μετάβαση της οικονομίαςο νέος δρόμος είναι αρκετά δύσκολος.
Επομένως, ο Πρόεδρος της Ρωσίας εξέδωσε διάταγμα, το οποίο υποδεικνύει την ανάπτυξη διαφόρων τομέων της νανοτεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων των στοιχείων άνθρακα. Για τους σκοπούς αυτούς, δημιουργήθηκε ένα ειδικό πρόγραμμα για την ανάπτυξη και παραγωγή των δικών μας τεχνολογιών.
Για την εκπλήρωση όλων των σημείων της παραγγελίας, δημιουργήθηκε η εταιρεία Rosnanotech. Για τη λειτουργία του διατέθηκε σημαντικό ποσό από τον κρατικό προϋπολογισμό. Είναι αυτή που θα πρέπει να ελέγχει τη διαδικασία ανάπτυξης, παραγωγής και εισαγωγής νανοσωλήνων άνθρακα στη βιομηχανική σφαίρα. Το ποσό που θα διατεθεί θα δαπανηθεί για τη δημιουργία διαφόρων ερευνητικών ιδρυμάτων και εργαστηρίων και θα ενισχύσει επίσης τα υπάρχοντα επιτεύγματα εγχώριων επιστημόνων. Επίσης, αυτά τα κεφάλαια θα χρησιμοποιηθούν για την αγορά εξοπλισμού υψηλής ποιότητας για την παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα. Αξίζει επίσης να προσέχετε εκείνες τις συσκευές που θα προστατεύουν την ανθρώπινη υγεία, αφού αυτό το υλικό προκαλεί πολλές ασθένειες.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το όλο πρόβλημα είναι η άντληση κεφαλαίων. Οι περισσότεροι επενδυτές δεν θέλουν να επενδύσουν στην έρευνα και την ανάπτυξη, ειδικά για μεγάλο χρονικό διάστημα. Όλοι οι επιχειρηματίες θέλουν να δουν κέρδος, αλλά η νανοανάπτυξη μπορεί να πάρει χρόνια. Αυτό είναι που απωθεί τους εκπροσώπους των μικρομεσαίων επιχειρήσεων. Επιπλέον, χωρίς κρατικές επενδύσεις, δεν θα είναι δυνατή η πλήρης έναρξη της παραγωγής νανοϋλικών.
Άλλο πρόβλημαείναι η έλλειψη νομικού πλαισίου, αφού δεν υπάρχει ενδιάμεσος σύνδεσμος μεταξύ των διαφορετικών σταδίων της επιχείρησης. Ως εκ τούτου, οι νανοσωλήνες άνθρακα, η παραγωγή των οποίων δεν είναι σε ζήτηση στη Ρωσία, απαιτούν όχι μόνο οικονομικές, αλλά και πνευματικές επενδύσεις. Μέχρι στιγμής, η Ρωσική Ομοσπονδία απέχει πολύ από τις ασιατικές χώρες, οι οποίες πρωτοστατούν στην ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας.
Σήμερα, οι εξελίξεις σε αυτόν τον κλάδο πραγματοποιούνται στα χημικά τμήματα διαφόρων πανεπιστημίων στη Μόσχα, στο Ταμπόφ, στην Αγία Πετρούπολη, στο Νοβοσιμπίρσκ και στο Καζάν. Οι κορυφαίοι κατασκευαστές νανοσωλήνων άνθρακα είναι η εταιρεία Granat και το εργοστάσιο Komsomolets στο Tambov.
Καλές και κακές πλευρές
Μεταξύ των πλεονεκτημάτων είναι οι ειδικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα. Είναι ένα ανθεκτικό υλικό που δεν καταρρέει υπό την επίδραση μηχανικών επιδράσεων. Επιπλέον, λειτουργούν καλά για κάμψη και τέντωμα. Αυτό γίνεται εφικτό από τη δομή του κλειστού πλαισίου. Η εφαρμογή τους δεν περιορίζεται σε έναν κλάδο. Οι σωλήνες χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία, την ηλεκτρονική, την ιατρική και την ενέργεια.
Ένα τεράστιο μειονέκτημα είναι ο αρνητικός αντίκτυπος στην ανθρώπινη υγεία.
Τα σωματίδια νανοσωλήνων, που εισέρχονται στο ανθρώπινο σώμα, οδηγούν στην εμφάνιση κακοήθων όγκων και καρκίνου.
Η ουσιαστική πλευρά είναι η χρηματοδότηση αυτού του κλάδου. Πολλοί άνθρωποι δεν θέλουν να επενδύσουν στην επιστήμη, γιατί χρειάζεται πολύς χρόνος για να βγάλεις κέρδος. Και χωρίς τη λειτουργία ερευνητικών εργαστηρίων, ανάπτυξη της νανοτεχνολογίαςαδύνατο.
Συμπέρασμα
Οι νανοσωλήνες άνθρακα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις καινοτόμες τεχνολογίες. Πολλοί ειδικοί προβλέπουν την ανάπτυξη αυτής της βιομηχανίας τα επόμενα χρόνια. Θα υπάρξει σημαντική αύξηση των παραγωγικών δυνατοτήτων, που θα οδηγήσει σε μείωση του κόστους των αγαθών. Με τη μείωση της τιμής, οι σωλήνες θα έχουν μεγάλη ζήτηση και θα γίνουν απαραίτητο υλικό για πολλές συσκευές και εξοπλισμό.
Λοιπόν, ανακαλύψαμε ποια είναι αυτά τα προϊόντα.
