Oglekļa nanocaurules: ražošana, pielietojumi, īpašības

Enerģija ir svarīga nozare, kurai ir liela nozīme cilvēku dzīvē. Enerģētiskā situācija valstī ir atkarīga no daudzu nozaru zinātnieku darba. Pašlaik viņi meklē alternatīvus enerģijas avotus. Šim nolūkam viņi ir gatavi izmantot kaut ko, kas viņiem patīk, sākot ar saules gaismu un ūdeni, beidzot ar gaisa enerģiju. Tas aprīkojums, kas spēj radīt enerģiju no apkārtējās vides, ir ļoti novērtēts.

Vispārīga informācija

Oglekļa nanocaurules ir ilgi vilkti plakanas grafīta plaknes, kurām ir cilindriska forma. Parasti to biezums sasniedz vairākus desmitus nanometrus, un to garums ir vairāk kā centimetri. Nanotubumu galā veidojas sfēriska galva, kas ir viena no fullerēna daļām.

Ir šādi oglekļa nanocaurulīši: metāls un pusvadītājs. Viņu galvenā atšķirība ir pašreizējā vadītspēja. Pirmais tips var veikt strāvu 0 ° C temperatūrā, bet otrā - tikai paaugstinātā temperatūrā.

Oglekļa nanocaurules: īpašības

Lielākā daļa mūsdienu tendences, piemēram, lietišķā ķīmija vai nanotehnoloģija, ir saistītas ar nanocaurlaidēm, kurām ir oglekļa saturs. Kas tas ir? Saskaņā ar šo struktūru ir domātas lielas molekulas, kuras ir saistītas tikai ar oglekļa atomiem. Oglekļa nanocaurules, kuru īpašības ir balstītas uz korpusa slēgto formu, ir ļoti novērtētas. Turklāt veidošanās datiem ir cilindriska forma. Šādas caurules var iegūt, saliekot grafīta loksni vai audzējot no noteiktā katalizatora. Oglekļa nanocaurulītes, kuru fotogrāfijas ir norādītas zemāk, ir neparasta struktūra. Viņiem ir dažādas formas un izmēri: vienlāņainas un daudzslāņainas, taisnas un izliektas. Neskatoties uz to, ka nanocaurules izskatās diezgan trauslas, tās ir izturīgs materiāls. Daudzu pētījumu rezultātā tika konstatēts, ka tiem piemīt raksturīgas īpašības, piemēram, stiepšanās un locīšana. Raugoties nopietnām mehāniskām slodzēm, elementi neplīst un nesalauž, tas ir, tos var pielāgot dažādiem spriegumiem.

Toksicitāte

Vairāku pētījumu rezultātā tika konstatēts, ka oglekļa nanocaurulītes var radīt tādas pašas problēmas kā azbesta šķiedrām, tas ir, pastāv dažādi ļaundabīgi audzēji, kā arī plaušu vēzis. Azbesta negatīvās ietekmes pakāpe ir atkarīga no tā šķiedru veida un biezuma. Tā kā oglekļa nanocaurulīšiem ir mazs svars un izmēri, tie viegli nonāk cilvēka ķermenī kopā ar gaisu. Turklāt viņi ienāk pleirā un ieiet krūšu kurvī, un laika gaitā izraisa dažādas komplikācijas. Zinātnieki veica eksperimentu un pievienoja pīļu pārtikai nanocauruļu daļiņas. Maza diametra produkti ķermenī praktiski nav saglabājušies, bet lielāki bija ieplūst kuņģa sienās un izraisījuši dažādas slimības.

Iegūšanas metodes

Līdz šim oglekļa nanocaurulē iegūtas šādas metodes: loka lādiņš, ablācija, nogulsnēšanās no gāzes fāzes.

Elektriskā loka izlāde. Preparāts (oglekļa nanocaurules ir aprakstīts šajā dokumentā) elektriskajā lādiņā, kas sadedzina, izmantojot heliu. Šādu procesu var veikt, izmantojot īpašu tehnisko aprīkojumu, lai iegūtu fullerēnus. Bet šī metode izmanto citus loka dedzināšanas režīmus. Piemēram, tiek samazināts strāvas blīvums un tiek izmantoti arī milzīgā biezuma katodi. Lai izveidotu hēlija atmosfēru, ir nepieciešams palielināt šī ķīmiskā elementa spiedienu. Oglekļa nanocaurules iegūst, izsmidzinot. Lai palielinātu to skaitu, grafīta stienī ir jāievieš katalizators. Visbiežāk tas ir dažādu metālu grupu maisījums. Turklāt spiediens un izsmidzināšanas izmaiņu metode. Tādējādi iegūst katodu depozītu, kur veidojas oglekļa nanocaurules. Gatavie produkti perpendikulāri aug no katoda un tiek samontēti saišķos. Viņu garums ir 40 μm.

Ablācija. Šo metodi izgudroja Richard Smalli. Tā pamatā ir iztvaicēt dažādas grafīta virsmas reaktorā, kas darbojas augstā temperatūrā. Oglekļa nanocaurules veidojas grafīta iztvaikošanas rezultātā reaktora apakšējā daļā. Dzesēšana un to savākšana notiek, izmantojot dzesēšanas virsmu. Ja pirmajā gadījumā elementu skaits bija 60%, tad ar šo metodi skaitlis palielinājās par 10%. Lāzera ablācijas metodes izmaksas ir dārgākas nekā visas pārējās. Kā likums, vienstāva nanocaurules tiek ražotas, mainoties reakcijas temperatūrai.

Nogulsnes no gāzes fāzes. Oglekļa tvaiku glabāšanas metode tika izdomāta 1950. gadu beigās. Bet neviens pat iedomājās, ka oglekļa nanocaurules varētu ražot ar tā palīdzību. Tātad, vispirms jums ir jāsagatavo virsma ar katalizatoru. Tā kā tas var kalpot smalkām daļiņām dažādu metālu, piemēram, kobalts, niķelis un daudzi citi. Nanotubes sāk parādīties no katalizatora gultas. To biezums tieši ir atkarīgs no katalītiskā metāla lieluma. Virsma tiek uzkarsēta līdz augstām temperatūrām, un tad tiek piegādāts gāzu saturošs ogleklis. Starp tiem - metāns, acetāls, etanols uc Kā papildu tehniskais gāze ir amonjaks. Šī metode nanotubu iegūšanai ir visizplatītākā metode. Process pats notiek dažādos rūpniecības uzņēmumos, kas nozīmē, ka daudzu cauruļu ražošanai tiek iztērēti mazāk naudas. Vēl viena šīs metodes priekšrocība ir tā, ka vertikālos elementus var iegūt no visām metāla daļiņām, kas kalpo kā katalizators. Ražošana (oglekļa nanocaurules aprakstītas no visām pusēm) kļuva iespējams, pateicoties Suomi Iijima pētījumam, kurš novēroja mikroskopā pēc to parādīšanās oglekļa sintēzes rezultātā.

Pamatskats

Oglekļa elementi tiek klasificēti pēc slāņu skaita. Visvienkāršākā forma ir vienas sienas oglekļa nanocaurulītes. Katrs no tiem ir biezums apmēram 1 nm, un to garums var būt daudz lielāks. Ja mēs uzskatām struktūru, tad produkts izskatās kā grafīta pārklājums ar sešstūrainu režģi. Tās virsotnēs ir oglekļa atomi. Tādējādi caurulei ir cilindra forma bez šuvēm. Ierīču augšējā daļa ir aizvērta ar vākiem, kas sastāv no fulerēna molekulām.

Nākamais tips ir daudzslāņu oglekļa nanocaurules. Tie sastāv no vairākiem grafīta slāņiem, kas ir sakrauti balonu formā. Starp tiem saglabājas 0,34 nm attālums. Šāda veida struktūra ir aprakstīta divos veidos. Pirmajās daudzslāņu caurulēs ir vairākas nesošas vienlīnijas caurules, kas ir līdzīgas ligzdošanas lellei. Otrajā daudzslāņainās nanocaurulītes ir grafīta loksne, kas vairākkārt pārvēršas par sevi, kas izskatās kā salocīta laikraksts.

Oglekļa nanocaurules: pielietojums

Elementi ir absolūti jauns nanomateriālu klases pārstāvis. Kā minēts iepriekš, tiem ir struktūras struktūra, kas atšķiras ar īpašībām no grafīta vai dimanta. Tāpēc tos izmanto daudz biežāk nekā citi materiāli.

Sakarā ar tādām īpašībām kā izturība, locīšana, vadītspēja tiek izmantota daudzās jomās:

• Kā piedevas polimēriem;
• Apgaismošanas ierīču, kā arī plakano displeju un lampu katalizators telekomunikāciju tīklos;
• Kā elektromagnētisko viļņu absorbētājs;
• Enerģijas konversijai;
• Dažādu veidu bateriju anodu izgatavošana;
• Ūdeņraža uzglabāšana;
• Sensoru un kondensatoru izgatavošana;
• Kompozītmateriālu ražošana un to struktūras un īpašību nostiprināšana.

Daudzus gadus zinātniskos pētījumos izmanto oglekļa nanocaurules, kuru izmantošana neaprobežojas tikai ar vienu konkrētu nozari. Šādam materiālam ir vājas pozīcijas tirgū, jo pastāv problēmas ar liela mēroga ražošanu. Vēl viens svarīgs jautājums ir oglekļa nanocaurulatoru augstās izmaksas, kas ir aptuveni 120 ASV dolāri par gramu šādas vielas.

Tos izmanto kā galveno elementu daudzu kompozītmateriālu ražošanai, kurus izmanto daudzu sporta produktu ražošanā. Vēl viena nozare ir automašīnu ražošana. Ogļūdeņraža nanocauruļu funkcionalizācija šajā jomā ir samazināta līdz piedevāmiem polimēriem līdz vadošām īpašībām.

Nanotūbu siltumvadītspējas koeficients ir pietiekami augsts, tāpēc tos var izmantot kā dzesēšanas ierīci dažādām masīvām iekārtām. Arī no tiem tiek izgatavoti padomi, kas piestiprināti zondes caurulēm.

Vissvarīgākais pielietojums ir datortehnoloģijas. Pateicoties nanocaurulēm, tiek izveidoti īpaši plakanie displeji. Ar viņu palīdzību jūs varat būtiski samazināt paša datora vispārējos izmērus, kā arī palielināt tā tehnisko veiktspēju. Gatavās iekārtas būs vairākas reizes pārāka par pašreizējām tehnoloģijām. Pamatojoties uz šiem pētījumiem, var izveidot augstsprieguma kineskopus.

Laika gaitā caurules tiks izmantotas ne tikai elektronikā, bet arī medicīnas un enerģētikas jomā.

Ražošana

Oglekļa caurules, kuru ražošanu sadala starp abām sugām, izkliedē nevienmērīgi. Tas nozīmē, ka MWNT ražo daudz vairāk nekā SWNT. Otrais veids tiek veikts akūtas nepieciešamības gadījumā. Dažādi uzņēmumi pastāvīgi ražo oglekļa nanocaurules. Taču viņi praktiski neizmanto pieprasījumu, jo viņu izmaksas ir pārspīlētas.

Ražošanas līderi

Šobrīd vadošo vietu oglekļa nanocauru ražošanā aizņem Āzijas valstis, kuru ražošanas jauda ir trīs reizes lielāka nekā citās Eiropas un Amerikas valstīs. Jo īpaši Japāna ir MWNT ražotājs. Bet citas valstis, piemēram, Koreja un Ķīna, nekādā ziņā nav zemākas par šo rādītāju.

Ražošana Krievijā

Oglekļa nanocaurulīšu vietējā ražošana atpaliek no citām valstīm. Faktiski viss ir atkarīgs no pētījumu kvalitātes šajā jomā. Tas nenosaka pietiekamus finanšu resursus, lai valstī izveidotu zinātniskos un tehnoloģiskos centrus. Daudzi cilvēki neuztver attīstību nanotehnoloģiju jomā, jo viņi nezina, kā to var izmantot rūpniecībā. Tāpēc ekonomikas pāreja uz jaunu taku ir diezgan sarežģīta.

Tāpēc Krievijas prezidents izdeva dekrētu, kas norāda uz dažādu nanotehnoloģiju jomu, tostarp oglekļa elementu, attīstību. Šim nolūkam tika izveidota īpaša programma pašu tehnoloģiju izstrādei un ražošanai . Lai nodrošinātu, ka visas pasūtījuma preces tika izpildītas, tika izveidota kompānija "Rosnanotech". Tās darbībai tika piešķirta ievērojama summa no valsts budžeta. Tā ir viņa, kurai jāpārvalda oglekļa nanocauru ražošanas, ražošanas un ieviešanas process. Piešķirtā summa tiks tērēta dažādu pētniecības institūtu un laboratoriju izveidošanai, kā arī ļaus nostiprināt jau esošos vietējo zinātnieku sasniegumus. Arī šie līdzekļi tiks izmantoti, lai iegādātos augstas kvalitātes iekārtas oglekļa nanocaurulīšu ražošanai. Ir arī jāuztver tie pielāgojumi, kas aizsargās cilvēku veselību, jo šis materiāls izraisa daudzas slimības.

Kā minēts iepriekš, visa problēma ir piesaistīt līdzekļus. Lielākā daļa investoru nevēlas ieguldīt zinātnes attīstībā, jo īpaši uz ilgu laiku. Visi uzņēmēji vēlas gūt peļņu, bet nanoskopa var ilgt vairākus gadus. Tas ir tas, ka atstāj mazu un vidēju uzņēmumu pārstāvjus. Bez tam, bez valsts investīcijām nebūs iespējams pilnībā uzsākt nanomateriālu ražošanu. Vēl viena problēma ir tiesiskā regulējuma trūkums, jo nav atšķirības starp dažādiem uzņēmējdarbības līmeņiem. Tādēļ oglekļa nanocaurulēm, kuru ražošana Krievijā nav pieprasīta, ir vajadzīgi ne tikai finansiāli, bet arī garīgi ieguldījumi. Kaut arī Krievija ir tālu no Āzijas valstīm, kuras ir vadošās nanotehnoloģiju attīstībā.

Līdz šim notikumus šajā jomā veic Maskavas, Tambovas, Sanktpēterburgas, Novosibirska un Kazaņas ķīmijas fakultātēs. Vadošie oglekļa nanocaurulīši ir kompānija Granat un Tambovas rūpnīca "Komsomolets".

Pozitīvas un negatīvas puses

Starp nopelniem, var izcelt īpašas īpašības oglekļa nanocaurules. Tie ir izturīgs materiāls, kas nesabreizējas mehāniskās ietekmes ietekmē. Turklāt viņi labi darbojas liešanai un stiepšanai. Tas bija iespējams, izmantojot slēgtu rāmja struktūru. To piemērošana neaprobežojas tikai ar vienu nozari. Caurules ir atradušas pielietojumu automašīnu, elektronikas, medicīnas un enerģijas jomā.

Milzīgs trūkums ir negatīva ietekme uz cilvēku veselību. Nanotūbu daļiņas, nokļūstot cilvēka ķermenī, noved pie ļaundabīgo audzēju un vēža parādīšanās.

Būtiska ir šīs nozares finansēšana. Daudzi cilvēki nevēlas ieguldīt zinātnē, jo tas prasa daudz laika, lai gūtu peļņu. Un bez zinātniskās pētniecības laboratoriju darbības nanotehnoloģijas attīstība nav iespējama.

Secinājums

Oglekļa nanocaurulēm ir svarīga nozīme novatoriskajās tehnoloģijās. Daudzi eksperti prognozē šīs nozares izaugsmi turpmākajos gados. Būtiski palielināsies ražošanas iespējas, kas novedīs pie preču cenu samazināšanās. Ar cenu samazinājumu, caurules būs liels pieprasījums un kļūs par neaizstājamu materiālu daudzām iekārtām un iekārtām.

Tātad, mēs uzzinājām, ko šie produkti pārstāv.