Energia je dôležitým odvetvím, ktoré zohráva obrovskú úlohu v ľudskom živote. Energetický stav krajiny závisí od práce mnohých vedcov v tejto oblasti. Dnes hľadajú alternatívne zdroje energie. Na tieto účely sú pripravené použiť čokoľvek, počnúc slnečným žiarením a vodou, končiac energiou vzduchu. Zariadenia, ktoré dokážu generovať energiu z prostredia, sú vysoko cenené.
Všeobecné informácie
Uhlíkové nanorúrky sú predĺžené valcované grafitové roviny valcového tvaru. Ich hrúbka spravidla dosahuje niekoľko desiatok nanometrov, s dĺžkou niekoľko centimetrov. Na konci nanorúriek sa vytvorí guľovitá hlavica, ktorá je jednou z častí fullerénu.
Existujú dva typy uhlíkových nanorúriek: kovové a polovodičové. Ich hlavným rozdielom je vodivosť prúdu. Prvý typ môže viesť prúd pri teplote rovnajúcej sa 0ºС a druhý - iba pri zvýšených teplotách.
Uhlíkové nanorúrky: vlastnosti
Najviacmoderné oblasti, ako je aplikovaná chémia alebo nanotechnológia, sú spojené s nanorúrkami, ktoré majú štruktúru karbónového rámu. Čo to je? Táto štruktúra sa týka veľkých molekúl spojených iba atómami uhlíka. Vysoko cenené sú uhlíkové nanorúrky, ktorých vlastnosti sú založené na uzavretom obale. Okrem toho majú tieto formácie valcový tvar. Takéto rúrky sa dajú získať skladaním grafitovej dosky alebo rastom z určitého katalyzátora. Uhlíkové nanorúrky, ktorých fotografie sú uvedené nižšie, majú nezvyčajnú štruktúru.
Dodávajú sa v rôznych tvaroch a veľkostiach: jednovrstvové a viacvrstvové, rovné a vlnité. Napriek tomu, že nanorúrky vyzerajú dosť krehko, sú pevným materiálom. V dôsledku mnohých štúdií sa zistilo, že majú vlastnosti, ako je napínanie a ohýbanie. Pri silnom mechanickom zaťažení sa prvky neroztrhnú ani nerozbijú, to znamená, že sa môžu prispôsobiť rôznym napätiam.
Toxicita
Výsledkom viacerých štúdií sa zistilo, že uhlíkové nanorúrky môžu spôsobovať rovnaké problémy ako azbestové vlákna, čiže vznikajú rôzne zhubné nádory, ale aj rakovina pľúc. Miera negatívneho vplyvu azbestu závisí od typu a hrúbky jeho vlákien. Keďže uhlíkové nanorúrky majú malú hmotnosť a veľkosť, ľahko sa dostávajú do ľudského tela vzduchom. Ďalej vstupujú do pleury a vstupujú do hrudníka a časomspôsobiť rôzne komplikácie. Vedci uskutočnili experiment a pridali častice nanorúrok do potravy myší. Produkty malého priemeru sa v tele prakticky nezdržiavali, ale väčšie sa zarývali do stien žalúdka a spôsobovali rôzne choroby.
Získanie metód
Dnes existujú nasledujúce metódy získavania uhlíkových nanorúriek: oblúkový náboj, ablácia, nanášanie pár.
Výboj elektrického oblúka. Získavanie (uhlíkové nanorúrky sú popísané v tomto článku) v plazme elektrického náboja, ktorý horí pomocou hélia. Takýto proces je možné uskutočniť pomocou špeciálneho technického zariadenia na výrobu fullerénov. Ale pri tejto metóde sa používajú iné spôsoby horenia oblúka. Napríklad sa zníži prúdová hustota a používajú sa aj katódy obrovskej hrúbky. Na vytvorenie atmosféry hélia je potrebné zvýšiť tlak tohto chemického prvku. Uhlíkové nanorúrky sa získavajú naprašovaním. Na zvýšenie ich počtu je potrebné zaviesť do grafitovej tyče katalyzátor. Najčastejšie ide o zmes rôznych skupín kovov. Ďalej dochádza k zmene tlaku a spôsobu striekania. Tak sa získa katódové ložisko, kde sa tvoria uhlíkové nanorúrky. Hotové výrobky rastú kolmo na katódu a zhromažďujú sa vo zväzkoch. Sú dlhé 40 µm.
Ablácia. Túto metódu vynašiel Richard Smalley. Jeho podstatou je odparovanie rôznych grafitových povrchov v reaktore pracujúcom pri vysokých teplotách. Uhlíkové nanorúrky vznikajú v dôsledku vyparovania grafitu na dnečasti reaktora.
Schladia sa a zhromažďujú pomocou chladiacej plochy. Ak sa v prvom prípade počet prvkov rovnal 60 %, potom sa pri tejto metóde toto číslo zvýšilo o 10 %. Náklady na metódu laserovej asolácie sú drahšie ako všetky ostatné. Jednostenné nanorúrky sa spravidla získavajú zmenou reakčnej teploty.
Usadzovanie z plynnej fázy. Metóda nanášania uhlíkových pár bola vynájdená koncom 50-tych rokov. Nikoho však ani nenapadlo, že by sa s ním dali získať uhlíkové nanorúrky. Takže najprv musíte pripraviť povrch pomocou katalyzátora. Môžu slúžiť ako malé častice rôznych kovov, napríklad kob altu, niklu a mnohých ďalších. Z lôžka katalyzátora začínajú vychádzať nanorúrky. Ich hrúbka priamo závisí od veľkosti katalyzujúceho kovu. Povrch sa zahrieva na vysoké teploty a potom sa dodáva plyn obsahujúci uhlík. Medzi nimi je metán, acetylén, etanol atď. Amoniak slúži ako doplnkový technický plyn. Tento spôsob získavania nanorúriek je najbežnejší. Samotný proces prebieha v rôznych priemyselných podnikoch, vďaka čomu sa na výrobu veľkého množstva rúr vynakladá menej finančných prostriedkov. Ďalšou výhodou tejto metódy je, že vertikálne prvky možno získať z akýchkoľvek kovových častíc, ktoré slúžia ako katalyzátor. Získavanie (uhlíkové nanorúrky sú popísané zo všetkých strán) bolo možné vďaka výskumu Suomi Iijima, ktorýpozorované pod mikroskopom na ich vzhľad ako výsledok syntézy uhlíka.
Hlavný druh
Uhlíkové prvky sú klasifikované podľa počtu vrstiev. Najjednoduchším typom sú jednostenné uhlíkové nanorúrky. Každá z nich má hrúbku približne 1 nm a ich dĺžka môže byť oveľa väčšia. Ak vezmeme do úvahy štruktúru, potom výrobok vyzerá ako obalový grafit so šesťhrannou mriežkou. Na jeho vrcholoch sú atómy uhlíka. Rúrka má teda tvar valca, ktorý nemá žiadne švy. Horná časť zariadení je uzavretá krytmi zloženými z molekúl fullerénu.
Ďalším pohľadom sú viacvrstvové uhlíkové nanorúrky. Pozostávajú z niekoľkých vrstiev grafitu, ktoré sú poskladané do tvaru valca. Medzi nimi je udržiavaná vzdialenosť 0,34 nm. Štruktúra tohto typu je opísaná dvoma spôsobmi. Podľa prvého sú viacvrstvové rúrky niekoľko jednovrstvových rúrok uložených v sebe, čo vyzerá ako hniezdiaca bábika. Podľa druhého sú viacvrstvové nanorúrky listom grafitu, ktorý sa niekoľkokrát omotá okolo seba, čo vyzerá ako zložené noviny.
Uhlíkové nanorúrky: aplikácie
Prvky sú úplne novým zástupcom triedy nanomateriálov.
Ako už bolo spomenuté, majú štruktúru rámu, ktorá sa svojimi vlastnosťami líši od grafitu alebo diamantu. Preto sa používajú oveľa častejšie ako iné materiály.
Vďaka svojim vlastnostiam, ako je pevnosť, ohyb, vodivosť, sa používa v mnohých oblastiach:
- ako prísady do polymérov;
- katalyzátor pre osvetľovacie zariadenia, ako aj ploché panely a slúchadlá v telekomunikačných sieťach;
- ako pohlcovač elektromagnetických vĺn;
- pre premenu energie;
- výroba anód v rôznych typoch batérií;
- zásobník vodíka;
- výroba snímačov a kondenzátorov;
- výroba kompozitov a spevnenie ich štruktúry a vlastností.
Po mnoho rokov sa vo vedeckom výskume používajú uhlíkové nanorúrky, ktorých použitie nie je obmedzené na jedno konkrétne odvetvie. Takýto materiál má na trhu slabé postavenie, nakoľko sú problémy s veľkovýrobou. Ďalším dôležitým bodom je vysoká cena uhlíkových nanorúrok, ktorá je približne 120 USD za gram takejto látky.
Používajú sa ako základný prvok na výrobu mnohých kompozitov, z ktorých sa vyrába množstvo športových potrieb. Ďalším odvetvím je automobilový priemysel. Funkcionalizácia uhlíkových nanorúrok v tejto oblasti je zredukovaná na dodávanie polymérov s vodivými vlastnosťami.
Tepelná vodivosť nanorúriek je dostatočne vysoká na to, aby sa dali použiť ako chladiace zariadenie pre rôzne masívne zariadenia. Používajú sa tiež na výrobu hrotov, ktoré sú pripevnené k rúrkam sondy.
Najdôležitejšou oblasťou použitia je výpočtová technika. Vďaka nanorúrkám vznikajú najmä ploché displeje. Môžu byť použité na výrazné zníženiecelkové rozmery samotného počítača, ako aj zvýšenie jeho technického výkonu. Hotové zariadenia budú niekoľkonásobne prevyšovať súčasné technológie. Na základe týchto štúdií je možné vytvoriť vysokonapäťové kineskopy.
Postupom času sa elektrónky začnú používať nielen v elektronike, ale aj v zdravotníctve a energetike.
Produkcia
Uhlíkové rúrky, ktorých výroba je rozdelená medzi dva typy, sú nerovnomerne rozdelené.
MWNT teda zarábajú oveľa viac ako SWNT. Druhý typ sa vykonáva v prípade naliehavej potreby. Rôzne spoločnosti neustále vyrábajú uhlíkové nanorúrky. Ale prakticky nie sú žiadané, pretože ich cena je príliš vysoká.
Výrobní lídri
Popredné miesto vo výrobe uhlíkových nanorúrok dnes zaujímajú ázijské krajiny, ktorých výrobné možnosti sú 3x vyššie ako v iných krajinách Európy a Ameriky. Najmä Japonsko sa zaoberá výrobou MWNT. Ale iné krajiny, ako napríklad Kórea a Čína, nie sú v tomto ukazovateli horšie.
Výroba v Rusku
Domáca produkcia uhlíkových nanorúriek výrazne zaostáva za ostatnými krajinami. V skutočnosti to všetko závisí od kvality výskumu v tejto oblasti. Nevyčleňuje dostatok finančných prostriedkov na vytváranie vedeckých a technologických centier v krajine. Mnoho ľudí neakceptuje vývoj v oblasti nanotechnológií, pretože nevedia, ako sa dá využiť v priemysle. Preto prechod ekonomikynová cesta je dosť náročná.
Preto prezident Ruska vydal dekrét, ktorý naznačuje rozvoj rôznych oblastí nanotechnológie vrátane uhlíkových prvkov. Pre tieto účely bol vytvorený špeciálny program pre vývoj a výrobu vlastných technológií.
Pre splnenie všetkých bodov objednávky bola vytvorená spoločnosť Rosnanotech. Na jej fungovanie bola vyčlenená značná suma zo štátneho rozpočtu. Práve ona by mala riadiť proces vývoja, výroby a zavádzania uhlíkových nanorúrok do priemyselnej sféry. Vyčlenená suma pôjde na vytvorenie rôznych výskumných ústavov a laboratórií a posilní aj doterajšie úspechy domácich vedcov. Taktiež tieto prostriedky budú použité na nákup kvalitného zariadenia na výrobu uhlíkových nanorúrok. Oplatí sa starať aj o tie zariadenia, ktoré ochránia ľudské zdravie, keďže tento materiál spôsobuje mnohé choroby.
Ako už bolo spomenuté, celý problém je získať finančné prostriedky. Väčšina investorov nechce investovať do výskumu a vývoja, najmä dlhodobo. Všetci podnikatelia chcú vidieť zisk, ale vývoj nanočastíc môže trvať roky. Práve to odpudzuje predstaviteľov malých a stredných podnikateľov. Navyše bez vládnych investícií nebude možné naplno rozbehnúť výrobu nanomateriálov.
Ďalší problémje neexistencia právneho rámca, keďže neexistuje medzičlánok medzi rôznymi fázami podnikania. Uhlíkové nanorúrky, ktorých výroba nie je v Rusku žiadaná, si preto vyžadujú nielen finančné, ale aj duševné investície. Ruská federácia je zatiaľ ďaleko od ázijských krajín, ktoré vedú vo vývoji nanotechnológií.
Dnes sa vývoj v tomto odvetví uskutočňuje na chemických katedrách rôznych univerzít v Moskve, Tambove, Petrohrade, Novosibirsku a Kazani. Poprednými výrobcami uhlíkových nanorúrok sú spoločnosť Granat a závod Komsomolets v Tambove.
Dobré a zlé stránky
Medzi výhody patria špeciálne vlastnosti uhlíkových nanorúrok. Sú odolným materiálom, ktorý sa vplyvom mechanických vplyvov nezrúti. Navyše sa s nimi dobre ohýba a naťahuje. Umožňuje to uzavretá rámová konštrukcia. Ich aplikácia nie je obmedzená na jedno odvetvie. Rúrky sa používajú v automobilovom priemysle, elektronike, medicíne a energetike.
Veľkou nevýhodou je negatívny dopad na ľudské zdravie.
Čiastočky nanorúrok, ktoré sa dostávajú do ľudského tela, vedú k vzniku zhubných nádorov a rakoviny.
Podstatnou stránkou je financovanie tohto odvetvia. Mnoho ľudí nechce investovať do vedy, pretože dosiahnutie zisku trvá dlho. A bez fungovania výskumných laboratórií rozvoj nanotechnológiínemožné.
Záver
Uhlíkové nanorúrky hrajú dôležitú úlohu v inovatívnych technológiách. Mnohí odborníci predpovedajú rast tohto odvetvia v nasledujúcich rokoch. Dôjde k výraznému zvýšeniu výrobných kapacít, čo povedie k zníženiu nákladov na tovar. S klesajúcou cenou budú elektrónky veľmi žiadané a stanú sa nenahraditeľným materiálom pre mnohé zariadenia a zariadenia.
Takže sme zistili, aké sú tieto produkty.
