Nanotuburi de carbon: producție, aplicații, proprietăți

Energia este o industrie importantă, care joacă un rol imens în viața umană. Situația energetică din țară depinde de munca multor oameni de știință din această industrie. Până în prezent, ei caută surse alternative de energie.

Informații generale

Nanotuburile de carbon sunt planuri lungi, grafite pliate care au o formă cilindrică. De regulă, grosimea lor ajunge la câteva zeci de nanometri, cu o lungime de câțiva centimetri. La sfârșitul nanotuburilor se formează un cap sferic, care este una dintre părțile fullerenului.

Există tipuri de nanotuburi de carbon: metal și semiconductori. Principala lor diferență este conductivitatea curentului. Primul tip poate conduce curent la o temperatură egală cu 0ordm-C, iar al doilea - numai la temperaturi ridicate.

Nanotuburi de carbon: Proprietăți

Cele mai multe tendințe moderne, cum ar fi chimia aplicată sau nanotehnologia, sunt asociate cu nanotuburile care au un cadru de carbon. Ce este? Sub această structură se înțeleg molecule mari care sunt legate numai de atomii de carbon. Nanotuburile de carbon, ale căror proprietăți se bazează pe forma închisă a cochiliei, sunt foarte apreciate. În plus, datele de formare au o formă cilindrică. Astfel de tuburi pot fi obținute prin plierea foii de grafit sau prin creșterea unui anumit catalizator. Nanotuburile de carbon, ale căror fotografii sunt prezentate mai jos, au o structură neobișnuită. Ele vin în diferite forme și dimensiuni: cu un singur strat și cu mai multe straturi, drepte și sinuoase. În ciuda faptului că nanotuburile arată mai degrabă fragile, ele sunt un material durabil. Ca urmare a numeroaselor studii, sa constatat că acestea au proprietăți inerente, cum ar fi întinderea și îndoirea. Sub acțiunea sarcinilor mecanice grave, elementele nu se rup și nu se rup, adică pot fi ajustate la diferite tensiuni.

toxicitate

Ca urmare a mai multor studii, sa constatat că nanotuburile de carbon pot provoca aceleași probleme ca fibrele de azbest, adică există diferite tumori maligne, precum și cancerul pulmonar. Gradul de influență negativă a azbestului depinde de tipul și grosimea fibrelor. Deoarece nanotuburile de carbon au greutate mică și dimensiuni, ele intră cu ușurință în corpul uman împreună cu aerul. Mai mult, ei intră în pleura și intră în piept și, în timp, provoacă diverse complicații. Oamenii de știință au efectuat un experiment și au adăugat particule de nanotuburi la alimentele de șoareci. Produsele cu diametru mic nu au fost practic reținute în organism, dar cele mai mari au fost săpate în pereții stomacului și provocând diverse boli.

Metode de obținere

Până în prezent, există următoarele metode pentru obținerea nanotuburilor de carbon: încărcare arc, ablație, depunere din faza gazoasă.

Izolare electrică cu arc. Preparatul (nanotuburile de carbon sunt descrise în această lucrare) într-o plasmă de încărcare electrică care arde cu utilizarea de heliu. Un astfel de proces poate fi realizat cu ajutorul unui echipament tehnic special pentru obținerea fullerenelor. Dar cu această metodă sunt utilizate alte moduri de ardere a arcului. De exemplu, densitatea curentului Este coborât, și sunt folosiți și catozi de grosime enormă. Pentru a crea o atmosferă de heliu, este necesară creșterea presiunii acestui element chimic. Nanotuburile de carbon sunt obținute prin pulverizare. Pentru a crește numărul lor, este necesar să se introducă un catalizator în tija de grafit. Cel mai adesea este un amestec de diferite grupuri de metale. În plus, presiunea și metoda de pulverizare se modifică. Astfel, se obține un depozit de catod, în care se formează nanotuburi de carbon. Produsele finite cresc perpendicular de pe catod și sunt asamblate în pachete. Au o lungime de 40 μm.

Ablyasatsiya. Această metodă a fost inventată de Richard Smalli. Esența sa este de a vaporiza diferite suprafețe de grafit într-un reactor care funcționează la temperaturi ridicate. Nanotuburile de carbon se formează ca rezultat al evaporării grafitului în partea inferioară a reactorului. Răcirea și colectarea acestora are loc cu ajutorul unei suprafețe de răcire. Dacă în primul caz, numărul de elemente a fost de 60%, atunci cu această metodă cifra a crescut cu 10%. Costul metodei de ablație laser este mai scump decât toate celelalte. Ca regulă, nanotuburile cu pereți unici sunt produse datorită unei modificări a temperaturii de reacție.

Precipitarea din faza gazoasă. Metoda de depozitare a vaporilor de carbon a fost inventată la sfârșitul anilor 1950. Dar nimeni nu și-a imaginat că, prin aceasta, pot fi produse nanotuburi de carbon. Deci, mai întâi trebuie să pregătiți o suprafață cu un catalizator. Deoarece poate servi particule fine de metale diferite, de exemplu, cobalt, nichel și multe altele. Nanotuburile încep să iasă din patul de catalizator. Grosimea lor direct depinde de dimensiunea metalului catalizator. Suprafața este încălzită la temperaturi ridicate, iar apoi este furnizat un gaz care conține carbon. Printre acestea - metan, acetal, etanol etc. Ca gaz suplimentar tehnic este amoniacul. Această metodă de obținere a nanotuburilor este cea mai comună. Procesul în sine are loc în diferite întreprinderi industriale, ceea ce înseamnă că mai puțini bani sunt cheltuiți pentru a produce un număr mare de tuburi. Un alt avantaj al acestei metode este acela că elementele verticale pot fi obținute din orice particule de metal care servesc drept catalizator. Producția (nanotuburile de carbon sunt descrise din toate părțile) a devenit posibilă datorită studiilor lui Suomi Iijima, care a observat sub microscop după apariția lor ca urmare a sintezei carbonului.

Vederi de bază

Elementele de carbon sunt clasificate după numărul de straturi. Cea mai simplă formă sunt nanotuburile de carbon cu un singur perete. Fiecare dintre ele are o grosime de aproximativ 1 nm, iar lungimea lor poate fi mult mai mare. Dacă luăm în considerare structura, atunci produsul pare să înfășoare grafitul cu o grilă hexagonală. La vârfurile sale sunt atomi de carbon. Astfel, tubul are forma unui cilindru, care nu are cusături. Partea superioară a dispozitivelor este închisă cu capace constând din molecule de fulleren.

Următorul tip este nanotuburile de carbon multistrat. Ele constau din mai multe straturi de grafit, care sunt stivuite în formă de cilindru. Între acestea, o distanță de 0,34 nm este menținută. O structură de acest tip este descrisă în două moduri. Pe primele tuburi multistrat sunt mai multe tuburi imbricate cu un singur strat, care sunt asemănătoare cu o păpușă de cuibărit. În al doilea, nanotuburile cu mai multe straturi sunt o foaie de grafit, care se întoarce de câteva ori în jurul ei, care arată ca un ziar îndoit.

Nanotuburi de carbon: aplicare

Elementele reprezintă un nou reprezentant absolut al clasei de nanomateriale. Așa cum am menționat mai sus, ele au o structură scheletară, care diferă în proprietăți de grafit sau diamant. De aceea, ele sunt folosite mult mai des decât alte materiale.

Datorită unor caracteristici precum rezistența, îndoire, conductivitate, sunt utilizate în multe domenii:

• ca aditivi la polimeri;
• catalizator pentru dispozitive de iluminat, precum și afișaje plate și tuburi în rețele de telecomunicații;
• ca un absorbant al undelor electromagnetice;
• pentru conversia energiei;
• fabricarea de anozi în diferite tipuri de baterii;
• depozitarea hidrogenului;
• fabricarea de senzori și condensatori;
• producția de compozite și întărirea structurii și proprietăților acestora.

De mulți ani, nanotuburile de carbon, a căror aplicare nu se limitează la o anumită industrie, sunt utilizate în cercetarea științifică. Acest material are poziții slabe pe piață, deoarece există probleme cu producția pe scară largă. Un alt punct important este costul ridicat al nanotuburilor de carbon, care este de aproximativ 120 USD pe gram de substanță.

Ele sunt folosite ca element principal pentru producerea multor compozite, care sunt utilizate pentru fabricarea multor produse sportive. O altă industrie este producția de automobile. Funcționalizarea nanotuburilor de carbon în acest domeniu este redusă pentru a conferi polimerilor proprietăți conductive.

Coeficientul de conductivitate termică a nanotuburilor este suficient de ridicat, prin urmare, acestea pot fi utilizate ca un dispozitiv de răcire pentru diverse echipamente masive. De asemenea, din ele se formează vârfurile care sunt atașate la tuburile sondei.

Cel mai important domeniu de aplicare este tehnologia informatică. Datorită nanotuburilor, sunt create în special afișaje plate. Cu ajutorul lor, puteți reduce în mod semnificativ dimensiunile globale ale computerului în sine, precum și creșterea performanțelor sale tehnice. Echipamentele terminate vor fi de mai multe ori superioare tehnologiilor actuale. Pe baza acestor studii, se pot crea kinescope de înaltă tensiune.

De-a lungul timpului, tuburile vor fi utilizate nu numai în domeniul electronicii, ci și în domeniul medical și energetic.

producere

Tuburile de carbon, a căror producție este distribuită între cele două specii, este distribuită neuniform. Adică, MWNT produce mult mai mult decât SWNT. Al doilea tip se face în caz de necesitate acută. Firmele diferite produc în mod constant nanotuburi de carbon. Dar practic nu folosesc cererea, deoarece costul lor este supraestimat.

Liderii de producție

Până în prezent, locul principal în producția de nanotuburi de carbon este ocupat de țările din Asia, oportunități de producție care este de 3 ori mai mare decât în ​​alte țări din Europa și America. În special, Japonia este producătorul MWNT. Dar alte țări, cum ar fi Coreea și China, nu sunt deloc inferioare acestui indicator.

Producția în Rusia

Producția internă de nanotuburi de carbon rămâne cu mult în urma altor țări. De fapt, totul depinde de calitatea cercetărilor din acest domeniu. Nu alocă suficiente resurse financiare pentru înființarea de centre științifice și tehnologice în țară. Mulți oameni nu percep evoluții în domeniul nanotehnologiei, deoarece nu știu cum pot fi utilizați în industrie. Prin urmare, tranziția economiei la o nouă cale este destul de dificilă.

Prin urmare, președintele Rusiei a emis un decret, care indică dezvoltarea diferitelor domenii ale nanotehnologiei, inclusiv a elementelor de carbon. În acest scop, un program special pentru dezvoltarea și producția proprie tehnologie. Pentru a se asigura că toate elementele comenzii au fost executate, compania "Rosnanotech" a fost înființată. O sumă semnificativă din bugetul de stat a fost alocată pentru funcționarea sa. Ea trebuie să controleze procesul de dezvoltare, producție și introducere în sfera industrială a nanotuburilor de carbon. Suma alocată va fi cheltuită pentru crearea de diverse institute și laboratoare de cercetare și va permite, de asemenea, consolidarea realizărilor deja existente ale oamenilor de știință locali. De asemenea, aceste fonduri vor fi utilizate pentru a achiziționa echipamente de înaltă calitate pentru producția de nanotuburi de carbon. De asemenea, este necesar să se aibă grijă de dispozitivele care protejează sănătatea umană, deoarece acest material cauzează o varietate de boli.

Așa cum am spus mai devreme, întreaga problemă este atragerea de fonduri. Majoritatea investitorilor nu doresc să investească în dezvoltarea științifică, în special pentru o perioadă lungă de timp. Toți oamenii de afaceri doresc să vadă profit, dar nanoscala poate merge de ani de zile. Aceasta este ceea ce respinge reprezentanții întreprinderilor mici și mijlocii. În plus, fără investiții publice, nu va fi posibilă lansarea completă a producției de nanomateriale. O altă problemă este lipsa unui cadru legal, deoarece nu există o legătură intermediară între diferitele niveluri de afaceri. Prin urmare, nanotuburile de carbon, a căror producție în Rusia nu este în cerere, necesită nu numai investiții financiare, ci și investiții mentale. În timp ce Rusia este departe de țările din Asia, care conduc în dezvoltarea nanotehnologiei.

Până în prezent, evoluțiile din industria angajate în departamentele chimice ale diferitelor universități din Moscova, Tambov, Sankt-Petersburg, Novosibirsk și Kazan. Producătorii principali de nanotuburi de carbon sunt compania Granat și centrala din Tambov Komsomolets.

Fețe pozitive și negative

Printre merite, se pot identifica proprietățile speciale ale nanotuburilor de carbon. Ele sunt un material durabil care nu se prăbușește sub influența influențelor mecanice. În plus, ele funcționează bine pentru îndoire și întindere. Acest lucru a fost posibil printr-o structură de cadre închisă. Aplicarea lor nu se limitează la o singură industrie. Țevile au găsit aplicații în industria auto, electronică, medicină și energie.

Un dezavantaj uriaș este impactul negativ asupra sănătății umane. Particulele de nanotuburi, care intră în corpul uman, duc la apariția tumorilor maligne și a cancerului.

Un aspect esențial îl reprezintă finanțarea acestei industrii. Mulți oameni nu doresc să investească în știință, deoarece durează mult timp pentru a obține un profit. Și fără funcționarea laboratoarelor de cercetare științifică, dezvoltarea nanotehnologiei este imposibilă.

concluzie

Nanotuburile de carbon joacă un rol important în tehnologiile inovatoare. Mulți experți prevăd creșterea acestei industrii în următorii ani. Va exista o creștere semnificativă a posibilităților de producție, ceea ce va conduce la o scădere a costului bunurilor. Cu o reducere a prețurilor, tuburile vor fi foarte solicitate și vor deveni un material indispensabil pentru multe dispozitive și echipamente.

Deci, am aflat ce reprezintă aceste produse.