Енергетиката е важна индустрия, която играе огромна роля в човешкия живот. Енергийното състояние на страната зависи от работата на много учени в тази област. Днес те търсят алтернативни източници на енергия. За тези цели те са готови да използват всичко, като се започне със слънчева светлина и вода, завършвайки с енергията на въздуха. Оборудването, което може да генерира енергия от околната среда е високо оценено.
Обща информация
Въглеродните нанотръби са удължени валцувани графитни плоскости с цилиндрична форма. По правило дебелината им достига няколко десетки нанометра, с дължина от няколко сантиметра. В края на нанотръбите се образува сферична глава, която е една от частите на фулерена.
Има два вида въглеродни нанотръби: метални и полупроводникови. Основната им разлика е проводимостта на тока. Първият тип може да провежда ток при температура равна на 0ºС, а вторият - само при повишени температури.
Въглеродни нанотръби: свойства
Повечетосъвременните области, като приложната химия или нанотехнологиите, са свързани с нанотръби, които имат структура на въглеродна рамка. Какво е? Тази структура се отнася до големи молекули, свързани помежду си само с въглеродни атоми. Въглеродните нанотръби, чиито свойства се основават на затворена обвивка, са високо ценени. В допълнение, тези образувания имат цилиндрична форма. Такива тръби могат да бъдат получени чрез сгъване на графитен лист или да растат от определен катализатор. Въглеродните нанотръби, снимки на които са представени по-долу, имат необичайна структура.
Те се предлагат в различни форми и размери: еднослойни и многослойни, прави и изкривени. Въпреки факта, че нанотръбите изглеждат доста крехки, те са здрав материал. В резултат на много изследвания беше установено, че те имат свойства като разтягане и огъване. Под действието на сериозни механични натоварвания елементите не се разкъсват и не се чупят, тоест могат да се адаптират към различни напрежения.
Токсичност
В резултат на множество изследвания беше установено, че въглеродните нанотръби могат да причинят същите проблеми като азбестовите влакна, тоест възникват различни злокачествени тумори, както и рак на белия дроб. Степента на отрицателно въздействие на азбеста зависи от вида и дебелината на неговите влакна. Тъй като въглеродните нанотръби са малки по тегло и размер, те лесно влизат в човешкото тяло с въздух. Освен това те влизат в плеврата и влизат в гръдния кош и с течение на времетопричиняват различни усложнения. Учените проведоха експеримент и добавиха частици нанотръби към храната на мишките. Продукти с малък диаметър практически не се задържаха в тялото, а по-големите се вкопават в стените на стомаха и причиняват различни заболявания.
Методи за получаване
Днес има следните методи за получаване на въглеродни нанотръби: дъгов заряд, аблация, отлагане на пари.
Електрически дъгов разряд. Получаване (въглеродните нанотръби са описани в тази статия) в плазма на електрически заряд, който изгаря с помощта на хелий. Такъв процес може да се извърши с помощта на специално техническо оборудване за производство на фулерени. Но при този метод се използват други режими на изгаряне на дъга. Например, плътността на тока се намалява и се използват катоди с огромна дебелина. За да се създаде атмосфера от хелий, е необходимо да се увеличи налягането на този химичен елемент. Въглеродните нанотръби се получават чрез разпрашване. За да се увеличи броят им, е необходимо да се въведе катализатор в графитния прът. Най-често това е смес от различни метални групи. Освен това има промяна в налягането и метода на пръскане. Така се получава катоден депозит, където се образуват въглеродни нанотръби. Готовите продукти растат перпендикулярно на катода и се събират в снопове. Те са дълги 40 µm.
Аблация. Този метод е изобретен от Ричард Смоли. Същността му е да изпарява различни графитни повърхности в реактор, работещ при високи температури. Въглеродните нанотръби се образуват в резултат на изпаряването на графита на дъноточасти от реактора.
Те се охлаждат и събират с помощта на охлаждаща повърхност. Ако в първия случай броят на елементите е равен на 60%, то с този метод цифрата се увеличава с 10%. Цената на метода за лазерна абсолация е по-скъпа от всички останали. По правило едностенните нанотръби се получават чрез промяна на реакционната температура.
Отлагане от газовата фаза. Методът за отлагане на въглеродни пари е изобретен в края на 50-те години. Но никой дори не е предполагал, че с него могат да се получат въглеродни нанотръби. Така че, първо трябва да подготвите повърхността с катализатор. Като него могат да служат малки частици от различни метали, например кобалт, никел и много други. Нанотръбите започват да излизат от леглото на катализатора. Тяхната дебелина директно зависи от размера на катализиращия метал. Повърхността се нагрява до високи температури и след това се подава газ, съдържащ въглерод. Сред тях са метан, ацетилен, етанол и др. Амонякът служи като допълнителен технически газ. Този метод за получаване на нанотръби е най-разпространеният. Самият процес се извършва в различни промишлени предприятия, поради което се изразходват по-малко финансови ресурси за производството на голям брой тръби. Друго предимство на този метод е, че вертикалните елементи могат да бъдат получени от всякакви метални частици, които служат като катализатор. Получаването (въглеродните нанотръби са описани от всички страни) стана възможно благодарение на изследванията на Suomi Iijima, койтонаблюдавани под микроскоп за появата им в резултат на въглеродния синтез.
Основни видове
Въглеродните елементи се класифицират по броя на слоевете. Най-простият тип са едностенните въглеродни нанотръби. Всеки от тях има дебелина около 1 nm, а дължината им може да бъде много по-голяма. Ако разгледаме структурата, тогава продуктът изглежда като обвиващ графит с шестоъгълна решетка. На върховете му има въглеродни атоми. По този начин тръбата има формата на цилиндър, който няма шевове. Горната част на устройствата е затворена с капаци, състоящи се от фулеренови молекули.
Следващият изглед е многослойни въглеродни нанотръби. Те се състоят от няколко слоя графит, които са сгънати във форма на цилиндър. Между тях се поддържа разстояние от 0,34 nm. Структура от този тип се описва по два начина. Според първата многослойните тръби са няколко еднослойни тръбички, вложени една в друга, които приличат на кукла за гнездене. Според второто многослойните нанотръби са лист от графит, който се увива около себе си няколко пъти, което прилича на сгънат вестник.
Въглеродни нанотръби: приложения
Елементите са абсолютно нов представител на класа наноматериали.
Както споменахме по-рано, те имат структура на рамката, която се различава по свойства от графита или диаманта. Ето защо те се използват много по-често от другите материали.
Поради характеристиките си като здравина, огъване, проводимост, той се използва в много области:
- като добавки към полимери;
- катализатор за осветителни устройства, както и плоски дисплеи и слушалки в телекомуникационни мрежи;
- като абсорбатор на електромагнитни вълни;
- за преобразуване на енергия;
- производство на аноди в различни видове батерии;
- съхранение на водород;
- производство на сензори и кондензатори;
- производство на композити и укрепване на тяхната структура и свойства.
В продължение на много години въглеродните нанотръби, чието приложение не е ограничено до една конкретна индустрия, се използват в научни изследвания. Такъв материал има слаба позиция на пазара, тъй като има проблеми с мащабното производство. Друг важен момент е високата цена на въглеродните нанотръби, която е приблизително $120 за грам от такова вещество.
Използват се като основен елемент за производството на много композити, от които се правят много спортни стоки. Друга индустрия е автомобилната индустрия. Функционализацията на въглеродните нанотръби в тази област се свежда до придаването на полимери с проводими свойства.
Топлопроводимостта на нанотръбите е достатъчно висока, за да могат да се използват като охлаждащо устройство за различно масивно оборудване. Те също се използват за направата на накрайници, които са прикрепени към тръбите на сондата.
Най-важната област на приложение са компютърните технологии. Благодарение на нанотръбите се създават особено плоски дисплеи. Те могат да се използват за значително намаляванеобщите размери на самия компютър, както и повишаване на техническата му производителност. Готовото оборудване ще бъде няколко пъти по-добро от съвременните технологии. Въз основа на тези изследвания могат да бъдат създадени кинескопи с високо напрежение.
С течение на времето тръбите ще се използват не само в електрониката, но и в медицинските и енергийните области.
Производство
Въглеродните тръби, чието производство е разпределено между двата вида, е неравномерно разпределено.
Така че MWNT правят много повече от SWNT. Вторият вид се прави при спешна нужда. Различни компании непрекъснато произвеждат въглеродни нанотръби. Но те практически не са търсени, тъй като цената им е твърде висока.
Производствени лидери
Днес водещо място в производството на въглеродни нанотръби заемат азиатските страни, чиито производствени възможности са 3 пъти по-високи, отколкото в други страни от Европа и Америка. По-специално, Япония се занимава с производството на MWNT. Но други страни, като Корея и Китай, не са по-ниски по този показател.
Производство в Русия
Вътрешното производство на въглеродни нанотръби изостава много от другите страни. Всъщност всичко зависи от качеството на изследванията в тази област. Не отделя достатъчно финансови средства за създаване на научни и технологични центрове в страната. Много хора не приемат разработките в областта на нанотехнологиите, защото не знаят как могат да се използват в индустрията. Следователно преходът на икономикатановият път е доста труден.
Затова президентът на Русия издаде указ, който посочва развитието на различни области на нанотехнологиите, включително въглеродни елементи. За тези цели беше създадена специална програма за разработване и производство на собствени технологии.
За да се изпълнят всички точки на поръчката, беше създадена компанията Роснанотех. За нейното функциониране са отпуснати значителни средства от държавния бюджет. Именно тя трябва да контролира процеса на разработване, производство и въвеждане на въглеродни нанотръби в индустриалната сфера. Разпределената сума ще бъде изразходвана за създаване на различни изследователски институти и лаборатории, а също така ще засили съществуващите постижения на местните учени. Също така тези средства ще бъдат използвани за закупуване на висококачествено оборудване за производство на въглеродни нанотръби. Също така си струва да се погрижите за онези устройства, които ще защитят човешкото здраве, тъй като този материал причинява много заболявания.
Както споменахме по-рано, целият проблем е да се съберат средства. Повечето инвеститори не искат да инвестират в научноизследователска и развойна дейност, особено за дълго време. Всички бизнесмени искат да видят печалба, но наноразработката може да отнеме години. Именно това отблъсква представителите на малкия и средния бизнес. Освен това, без правителствени инвестиции, няма да е възможно да се стартира напълно производството на наноматериали.
Друг проблеме липсата на правна рамка, тъй като няма междинна връзка между различните етапи на бизнеса. Следователно въглеродните нанотръби, чието производство не е търсено в Русия, изискват не само финансови, но и умствени инвестиции. Засега Руската федерация е далеч от азиатските страни, които са водещи в развитието на нанотехнологиите.
Днес разработките в тази индустрия се извършват в химическите факултети на различни университети в Москва, Тамбов, Санкт Петербург, Новосибирск и Казан. Водещите производители на въглеродни нанотръби са фирма "Гранат" и завод "Комсомолец" в Тамбов.
Добри и лоши страни
Сред предимствата са специалните свойства на въглеродните нанотръби. Те са издръжлив материал, който не се срутва под въздействието на механични въздействия. В допълнение, те работят добре за огъване и разтягане. Това става възможно благодарение на затворената структура на рамката. Приложението им не е ограничено до една индустрия. Тръбите се използват в автомобилостроенето, електрониката, медицината и енергетиката.
Огромен недостатък е отрицателното въздействие върху човешкото здраве.
Частици от нанотръби, навлизайки в човешкото тяло, водят до появата на злокачествени тумори и рак.
Основната страна е финансирането на тази индустрия. Много хора не искат да инвестират в наука, защото отнема много време, за да се реализира печалба. И без функционирането на изследователски лаборатории, развитието на нанотехнологиитеневъзможно.
Заключение
Въглеродните нанотръби играят важна роля в иновативните технологии. Много експерти прогнозират растежа на тази индустрия през следващите години. Ще има значително увеличение на производствените възможности, което ще доведе до намаляване на себестойността на стоките. С понижаването на цената тръбите ще бъдат много търсени и ще се превърнат в незаменим материал за много устройства и оборудване.
И така, разбрахме какви са тези продукти.
