Ogljikove nanocevke: proizvodnja, aplikacije, lastnosti

Energija je pomembna industrija, ki igra pomembno vlogo v človeškem življenju. Energetska situacija v državi je odvisna od dela mnogih znanstvenikov v tej industriji. Do danes iščejo alternativnih virov energije.

Splošne informacije

Ogljikove nanocevke so dolge zložene grafitne ploskve, ki imajo cilindrično obliko. Njihova debelina praviloma doseže več deset nanometrov, dolga nekaj centimetrov. Na koncu nanocevk se oblikuje sferična glava, ki je eden od delov fulerena.

Obstajajo vrste ogljikovih nanocevk: kovinski in polprevodniški. Njihova glavna razlika je prevodnost toka. Prvi tip lahko vodi tok pri temperaturi, ki je enaka 0ordm-C, in druga - samo pri povišanih temperaturah.

Ogljikove nanocevke: lastnosti

Večina sodobnih trendov, kot je uporabljena kemija ali nanotehnologija, so povezana z nanocevkami, ki imajo ogljični okvir. Kaj je to? Pod to strukturo so mišljene velike molekule, ki so povezane samo z atomi ogljika. Ogljikove nanocevke, katerih lastnosti temeljijo na zaprti obliki lupine, so zelo cenjene. Poleg tega so formacijski podatki valjaste oblike. Takšne cevi lahko dobimo z zgibanjem grafitne pločevine ali rastejo iz določenega katalizatorja. Ogljikove nanocevke, katere fotografije so predstavljene spodaj, imajo nenavadno strukturo. Prihajajo v različnih oblikah in velikostih: enoslojna in večplastna, ravna in gladka. Kljub temu, da so nanocevke precej krhke, so trajni materiali. Kot rezultat številnih študij je bilo ugotovljeno, da imajo lastnosti, kot so raztezanje in upogibanje. Pod dejanjem resnih mehanskih obremenitev elementi ne trgajo in ne prekrivajo, to je, da jih je mogoče prilagoditi različnim napetostim.

Toksičnost

Kot rezultat več študij je bilo ugotovljeno, da ogljikove nanocevke lahko povzročijo enake težave kot azbestna vlakna, to je, da obstajajo številni maligni tumorji, pa tudi pljučni rak. Stopnja negativnega vpliva azbesta je odvisna od vrste in debeline vlaken. Ker so ogljikove nanocevke majhne teže in velikosti, zlahka vstopijo v človeško telo skupaj z zrakom. Nadalje vstopijo v pleuro in vstopijo v prsni koš in sčasoma povzročajo različne zaplete. Znanstveniki so izvedli poskus in dodali delce nanocev na hrano miši. Izdelki z majhnim premerom praktično niso bili zadržani v telesu, večji pa so kopali v stene želodca in povzročili različne bolezni.

Metode pridobivanja

Do sedaj so na voljo naslednje metode za pridobivanje ogljikovih nanocevk: polnjenje, ablacija, odlaganje iz plinske faze.

Odvajanje električnega toka. Pripravek (ogljikove nanocevke so opisani v tem članku) v plazmi električnega naboja, ki gori z uporabo helija. Tak postopek se lahko izvede s pomočjo posebne tehnične opreme za pridobitev fulerenov. Toda s to metodo se uporabljajo drugi načini zapisovanja lokov. Na primer, gostota toka Spušča se, uporabijo pa se tudi katode ogromne debeline. Za ustvarjanje atmosfere helija je potrebno povečati pritisk tega kemijskega elementa. Ogljikove nanocevke dobimo z brizganjem. Da bi povečali njihovo število, je treba vpeljati katalizator v grafitno palico. Najpogosteje gre za mešanico različnih kovinskih skupin. Nadalje se spremeni tlak in način brizganja. Tako dobimo katodni polimer, kjer nastanejo ogljikove nanocevke. Končni izdelki rastejo pravokotno s katode in se sestavijo v svežnje. Imajo dolžino 40 μm.

Ablacija. Ta metoda je izumil Richard Smalli. Njeno bistvo je izhlapevanje različnih grafitnih površin v reaktorju, ki deluje pri visokih temperaturah. Ogljikove nanocevke nastanejo kot posledica izhlapevanja grafita na spodnjem delu reaktorja. Hlajenje in zbiranje se zgodi s pomočjo hladilne površine. Če je bilo v prvem primeru število elementov 60%, se je s to metodo povečala za 10%. Stroški metode laserske ablacije so dražji od vseh ostalih. Praviloma nastanejo nanocevke z eno steno zaradi spremembe reakcijske temperature.

Padavine iz plinske faze. Metoda odlaganja ogljikovih hlapov je bila izumljena konec petdesetih let prejšnjega stoletja. Toda nihče ni niti predstavljal, da bi lahko s tem izdelali ogljikove nanocevke. Torej, najprej morate pripraviti površino s katalizatorjem. Ker lahko služi drobne delce različnih kovin, na primer kobalt, nikelj in mnogi drugi. Nanotubi se začnejo iz katalizatorske postelje. Njihova debelina je neposredno odvisna od velikosti katalizirajoče kovine. Površina se segreva na visoke temperature, nato pa plin, ki vsebuje ogljik. Med njimi - metan, acetal, etanol itd. Kot dodaten tehnični plin je amoniak. Ta metoda pridobivanja nanocevk je najpogostejša. Proces sam poteka v različnih industrijskih podjetjih, kar pomeni, da se porabi manj denarja za izdelavo velikega števila cevi. Druga prednost te metode je, da se vertikalni elementi lahko pridobijo iz kakršnih koli kovinskih delcev, ki služijo kot katalizator. Proizvodnja (ogljikovih nanocevk je opisana z vseh strani) je postala mogoča zaradi študij Suomi Iijima, ki so po mikroskopu po videzu zaradi sinteze ogljika opazili.

Osnovni pogledi

Elementi ogljika so razvrščeni po številu plasti. Najpreprostejša oblika je enostenska ogljikova nanocevka. Vsaka od njih ima debelino okoli 1 nm, njihova dolžina pa je lahko veliko večja. Če upoštevamo strukturo, potem izdelek izgleda kot ovijanje grafita s šestkotno mrežo. V svojih vozliščih so atomi ogljika. Cev ima obliko cilindra, ki nima šivov. Zgornji del naprav je zaprt s pokrovi, ki vsebujejo molekule fulerena.

Naslednja vrsta so večplastne ogljikove nanocevke. Sestavljen je iz več plasti grafita, ki so zloženi v obliki cilindra. Med njimi se vzdržuje razdalja 0,34 nm. Struktura te vrste je opisana na dva načina. Na prvi, večplastni cevi so več gnezdenih enoslojnih cevi, ki so podobne gnezditveni lutki. V drugem so večplastne nanocevke grafitni list, ki se večkrat obrača okoli sebe, ki je podoben zloženim časopisom.

Ogljikove nanocevke: uporaba

Elementi so absolutno novi predstavnik razreda nanomaterialov. Kot že omenjeno, imajo skeletno strukturo, ki se razlikuje glede na lastnosti grafita ali diamanta. Zato se uporabljajo veliko bolj pogosto kot drugi materiali.

Zaradi takšnih lastnosti, kot so moč, upogibanje, prevodnost, se uporabljajo na številnih področjih:

• kot aditivi za polimere;
• katalizator za svetlobne naprave, kot tudi ploščati zasloni in cevi v telekomunikacijskih omrežjih;
• kot absorber elektromagnetnih valov;
• za pretvorbo energije;
• proizvodnja anode v različnih vrstah baterij;
• shranjevanje vodika;
• proizvodnja senzorjev in kondenzatorjev;
• izdelava kompozitov in krepitev njihove strukture in lastnosti.

V znanstvenih raziskavah že vrsto let uporabljajo ogljikove nanocevke, katerih uporaba ni omejena na določeno industrijo. Takšen material ima šibke položaje na trgu, saj obstajajo težave pri obsežni proizvodnji. Druga pomembna točka je visok strošek ogljikovih nanocevk, kar je približno 120 $ za gram takšne snovi.

Uporabljajo se kot glavni element za proizvodnjo številnih kompozitov, ki se uporabljajo za proizvodnjo številnih športnih izdelkov. Druga industrija je proizvodnja avtomobilov. Funkcionalizacija ogljikovih nanocevk na tem področju se zmanjša, da se polimerom prenesejo na prevodne lastnosti.

Koeficient toplotne prevodnosti nanocevk je dovolj visok, zato jih lahko uporabljamo kot hladilno napravo za različne masivne opreme. Prav tako, od njih so izdelani nasveti, ki so pritrjeni na sondne cevi.

Najpomembnejše področje uporabe so računalniška tehnologija. Zaradi nanocevk se ustvarjajo še posebej ploski prikazi. Z njihovo pomočjo lahko znatno zmanjšate celotne dimenzije računalnika samega sebe in povečate njegovo tehnično učinkovitost. Končana oprema bo večkrat boljša od trenutnih tehnologij. Na podlagi teh študij lahko ustvarimo visokonapetostne kinematografe.

Sčasoma bodo cevi uporabljene ne le v elektroniki, ampak tudi na medicinskem in energetskem področju.

Proizvodnja

Ogljikove cevi, katerih proizvodnja je razdeljena med dvema vrstama, se porazdelijo neenakomerno. To pomeni, da MWNT proizvede veliko več kot SWNT. Druga vrsta se izvaja v primeru akutne nujnosti. Različna podjetja nenehno proizvajajo ogljikove nanocevke. Toda praktično ne uporabljajo povpraševanja, saj so njihovi stroški precenjeni.

Vodje proizvodnje

Do danes vodilno mesto v proizvodnji ogljikovih nanocevk zasedajo države Azije, proizvodne priložnosti kar je trikrat večje kot v drugih državah Evrope in Amerike. Japonska je zlasti proizvajalec MWNT. Toda druge države, kot sta Koreja in Kitajska, v tem indikatorju nikakor niso slabše.

Proizvodnja v Rusiji

Domača proizvodnja ogljikovih nanocevk zaostaja za drugimi državami. Dejansko je vse odvisno od kakovosti raziskav na tem področju. Ne dodeljuje dovolj finančnih sredstev za ustanovitev znanstvenih in tehnoloških centrov v državi. Mnogi ljudje ne zaznavajo razvoja na področju nanotehnologije, saj ne vedo, kako ga je mogoče uporabiti v industriji. Zato je prehod gospodarstva na novo pot precej težek.

Zato je predsednik Rusije izdal odlok, ki navaja razvoj različnih področij nanotehnologije, vključno z ogljikovimi elementi. V ta namen je poseben program za razvoj in lastno tehnologije. Da bi zagotovili izvedbo vseh postavk naročila, je bila ustanovljena družba Rosnanotech. Za njegovo delovanje je bil dodeljen znaten znesek iz državnega proračuna. Ona mora nadzirati proces razvoja, proizvodnje in uvajanja v industrijsko sfero ogljikovih nanocevk. Dodeljeni znesek bo porabljen za ustanovitev različnih raziskovalnih inštitutov in laboratorijev ter bo tudi omogočil krepitev že obstoječih dosežkov domačih znanstvenikov. Tudi ta sredstva bodo porabljena za nakup visoko kakovostne opreme za proizvodnjo ogljikovih nanocevk. Prav tako je treba skrbeti za tiste naprave, ki bodo varovale zdravje ljudi, saj ta material povzroča različne bolezni.

Kot je bilo že navedeno, je celoten problem privabljanje sredstev. Večina vlagateljev ne želi vlagati v znanstveni razvoj, še posebej za dolgo časa. Vsi poslovneži želijo videti dobiček, vendar lahko na nanosnem delu že več let. To zavrača predstavnike malih in srednje velikih podjetij. Poleg tega brez javnih naložb ni mogoče popolnoma začeti proizvodnje nanomaterialov. Druga težava je pomanjkanje pravnega okvira, saj ni medsebojne povezave med različnimi ravnmi poslovanja. Zato ogljikove nanocevke, katerih proizvodnja v Rusiji ni povpraševanje, zahtevajo ne samo finančne, ampak tudi mentalne naložbe. Medtem ko je Rusija daleč od držav Azije, ki vodijo pri razvoju nanotehnologije.

Do danes se na tem področju dogajajo na kemijskih fakultetah različnih univerz v Moskvi, Tambovu, Sankt Peterburgu, Novosibirsku in Kazanu. Vodilni proizvajalci ogljikovih nanocevk so podjetje Granat in tovarna Tambov Komsomolets.

Pozitivne in negativne strani

Med zaslugami lahko izberemo posebne lastnosti ogljikovih nanocevk. To so trajni materiali, ki se ne podirajo pod vplivom mehanskih vplivov. Poleg tega dobro delujejo pri upogibanju in raztezanju. To je omogočila zaprta okvirna struktura. Njihova uporaba ni omejena na eno industrijo. Cevi so našli aplikacijo v avtomobilski industriji, elektroniki, medicini in energiji.

Velika pomanjkljivost je negativen vpliv na zdravje ljudi. Delci nanocevk, ki vstopajo v človeško telo, povzročajo nastanek malignih tumorjev in raka.

Pomemben vidik je financiranje te industrije. Mnogi ljudje ne želijo vlagati v znanost, saj potrebuje veliko časa za dobiček. In brez delovanja znanstveno-raziskovalnih laboratorijev, razvoja nanotehnologije ni mogoče.

Zaključek

Ogljikove nanocevke igrajo pomembno vlogo pri inovativnih tehnologijah. Mnogi strokovnjaki napovedujejo rast te industrije v prihodnjih letih. Pri proizvodnih možnostih se bo znatno povečalo, kar bo privedlo do znižanja stroškov blaga. Z znižanjem cene bodo cevi zelo zahtevne in bodo postale nepogrešljiv material za številne naprave in opremo.

Torej smo ugotovili, kaj ti izdelki predstavljajo.