Energija je važna industrija koja igra ogromnu ulogu u ljudskom životu. Energetsko stanje u zemlji zavisi od rada mnogih naučnika u ovoj oblasti. Danas su u potrazi za alternativnim izvorima energije. U te svrhe spremni su koristiti sve, počevši od sunčeve svjetlosti i vode, do energije zraka. Oprema koja može generirati energiju iz okoliša je visoko cijenjena.
Opće informacije
Ugljične nanocijevi su produžene valjane grafitne ravni cilindričnog oblika. U pravilu, njihova debljina doseže nekoliko desetina nanometara, s dužinom od nekoliko centimetara. Na kraju nanocevi se formira sferna glava, koja je jedan od delova fulerena.
Postoje dve vrste ugljeničnih nanocevi: metalne i poluprovodničke. Njihova glavna razlika je provodljivost struje. Prvi tip može voditi struju na temperaturi jednakoj 0ºS, a drugi - samo na povišenim temperaturama.
Ugljične nanocijevi: svojstva
Mostmoderna područja, poput primijenjene hemije ili nanotehnologije, povezana su s nanocijevima, koje imaju strukturu karbonskog okvira. Šta je to? Ova struktura se odnosi na velike molekule povezane samo atomima ugljika. Ugljične nanocijevi, čija se svojstva zasnivaju na zatvorenoj ljusci, visoko su cijenjene. Osim toga, ove formacije imaju cilindrični oblik. Takve cijevi se mogu dobiti savijanjem grafitnog lima ili izrasti iz određenog katalizatora. Ugljične nanocijevi, čije su fotografije predstavljene u nastavku, imaju neobičnu strukturu.
Dolaze u različitim oblicima i veličinama: jednoslojni i višeslojni, ravni i vijugavi. Unatoč činjenici da nanocijevi izgledaju prilično krhko, one su snažan materijal. Kao rezultat mnogih istraživanja, ustanovljeno je da imaju svojstva kao što su istezanje i savijanje. Pod dejstvom ozbiljnih mehaničkih opterećenja, elementi se ne kidaju i ne lome, odnosno mogu se prilagoditi različitim naponima.
Toksičnost
Kao rezultat višestrukih studija, ustanovljeno je da ugljenične nanocevi mogu izazvati iste probleme kao i azbestna vlakna, odnosno nastaju razni maligni tumori, kao i rak pluća. Stepen negativnog utjecaja azbesta ovisi o vrsti i debljini njegovih vlakana. Budući da su ugljične nanocijevi male težine i veličine, lako ulaze u ljudsko tijelo sa zrakom. Dalje, ulaze u pleuru i ulaze u grudni koš, a s vremenomizazivaju razne komplikacije. Naučnici su izveli eksperiment i dodali čestice nanocijevi u hranu miševa. Proizvodi malog prečnika se praktično nisu zadržavali u organizmu, već su se veći zabijali u zidove želuca i izazivali razne bolesti.
Metode dobijanja
Danas postoje sledeće metode za dobijanje ugljeničnih nanocevi: lučno punjenje, ablacija, taloženje parom.
Električno lučno pražnjenje. Dobivanje (ugljične nanocijevi su opisane u ovom članku) u plazmi električnog naboja, koji gori uz korištenje helijuma. Takav se proces može izvesti upotrebom posebne tehničke opreme za proizvodnju fulerena. Ali s ovom metodom koriste se drugi načini gorenja luka. Na primjer, gustoća struje je smanjena, a koriste se i katode ogromne debljine. Da bi se stvorila atmosfera helijuma, potrebno je povećati pritisak ovog hemijskog elementa. Ugljične nanocijevi se dobijaju raspršivanjem. Da bi se povećao njihov broj, potrebno je uvesti katalizator u grafitnu šipku. Najčešće je to mješavina različitih metalnih grupa. Nadalje, dolazi do promjene pritiska i načina prskanja. Tako se dobija katodni depozit, gde se formiraju ugljenične nanocevi. Gotovi proizvodi rastu okomito na katodu i skupljaju se u snopove. Dugi su 40 µm.
Ablacija. Ovu metodu je izmislio Richard Smalley. Njegova suština je isparavanje različitih grafitnih površina u reaktoru koji radi na visokim temperaturama. Ugljične nanocijevi nastaju kao rezultat isparavanja grafita na dnudijelovi reaktora.
Ohlađuju se i sakupljaju pomoću rashladne površine. Ako je u prvom slučaju broj elemenata bio jednak 60%, onda se ovom metodom brojka povećala za 10%. Cijena metode laserske absolacije je skuplja od svih ostalih. Po pravilu se nanocevi sa jednim zidom dobijaju promenom temperature reakcije.
Taloženje iz gasne faze. Metoda taloženja ugljične pare izumljena je kasnih 50-ih godina. Ali niko nije ni zamišljao da se njime mogu dobiti ugljenične nanocevi. Dakle, prvo morate pripremiti površinu s katalizatorom. Kao to mogu poslužiti male čestice različitih metala, na primjer, kob alt, nikl i mnogi drugi. Nanocijevi počinju izlaziti iz sloja katalizatora. Njihova debljina direktno ovisi o veličini metala koji katalizuje. Površina se zagrijava na visoke temperature, a zatim se dovodi plin koji sadrži ugljik. Među njima su metan, acetilen, etanol itd. Amonijak služi kao dodatni tehnički gas. Ova metoda dobijanja nanocevi je najčešća. Sam proces se odvija u raznim industrijskim preduzećima, zbog čega se troši manje finansijskih sredstava za proizvodnju velikog broja cijevi. Još jedna prednost ove metode je da se vertikalni elementi mogu dobiti od bilo koje metalne čestice koje služe kao katalizator. Dobivanje (ugljične nanocijevi su opisane sa svih strana) postalo je moguće zahvaljujući istraživanju Suomi Iijime, kojiposmatrano pod mikroskopom zbog njihovog izgleda kao rezultat sinteze ugljika.
Glavne vrste
Ugljenični elementi su klasifikovani prema broju slojeva. Najjednostavniji tip su jednozidne ugljične nanocijevi. Svaki od njih ima debljinu od oko 1 nm, a njihova dužina može biti mnogo veća. Ako uzmemo u obzir strukturu, onda proizvod izgleda kao omotni grafit sa šesterokutnom mrežom. Na njegovim vrhovima su atomi ugljika. Dakle, cijev ima oblik cilindra, koji nema šavove. Gornji dio uređaja je zatvoren poklopcima koji se sastoje od molekula fulerena.
Sljedeći pogled su višeslojne karbonske nanocijevi. Sastoje se od nekoliko slojeva grafita, koji su presavijeni u obliku cilindra. Između njih se održava razmak od 0,34 nm. Struktura ovog tipa opisana je na dva načina. Prema prvom, višeslojne cijevi su nekoliko jednoslojnih cijevi ugniježđenih jedna u drugu, koje izgledaju kao lutka za gniježđenje. Prema drugom, višeslojne nanocevi su list grafita koji se nekoliko puta omota oko sebe, što izgleda kao presavijene novine.
Ugljične nanocijevi: primjene
Elementi su apsolutno novi predstavnik klase nanomaterijala.
Kao što je ranije spomenuto, imaju strukturu okvira, koja se po svojstvima razlikuje od grafita ili dijamanta. Zbog toga se koriste mnogo češće od drugih materijala.
Zbog svojih karakteristika kao što su čvrstoća, savijanje, provodljivost, koristi se u mnogim poljima:
- kao aditivi polimerima;
- katalizator za rasvjetne uređaje, kao i displeje sa ravnim ekranom i slušalice u telekomunikacijskim mrežama;
- kao apsorber elektromagnetnih talasa;
- za konverziju energije;
- proizvodnja anoda u raznim vrstama baterija;
- skladištenje vodika;
- proizvodnja senzora i kondenzatora;
- proizvodnja kompozita i jačanje njihove strukture i svojstava.
Dugi niz godina, ugljenične nanocevi, čija primena nije ograničena na jednu određenu industriju, koriste se u naučnim istraživanjima. Takav materijal ima slabu poziciju na tržištu, jer postoje problemi sa velikom proizvodnjom. Još jedna važna stvar je visoka cijena ugljikovih nanocijevi, koja je otprilike 120 dolara po gramu takve supstance.
Koriste se kao osnovni element za proizvodnju mnogih kompozita od kojih se prave mnoge sportske opreme. Druga industrija je automobilska industrija. Funkcionalizacija ugljeničnih nanocevi u ovoj oblasti svodi se na davanje polimera provodljivim svojstvima.
Toplotna provodljivost nanocevi je dovoljno visoka da se mogu koristiti kao rashladni uređaj za raznu masivnu opremu. Koriste se i za izradu vrhova koji se pričvršćuju na cijevi sonde.
Najvažnija oblast primene je računarska tehnologija. Zahvaljujući nanocevima nastaju posebno ravni displeji. Mogu se koristiti za značajno smanjenjeukupne dimenzije samog računara, kao i povećanje njegovih tehničkih performansi. Gotova oprema bit će nekoliko puta bolja od postojećih tehnologija. Na osnovu ovih studija mogu se kreirati visokonaponski kineskopi.
Vremenom će se cijevi koristiti ne samo u elektronici, već iu medicinskim i energetskim poljima.
Proizvodnja
Ugljične cijevi, čija je proizvodnja raspoređena između dva tipa, su neravnomjerno raspoređene.
Tako da MWNT zarađuju mnogo više od SWNT-a. Drugi tip se radi u slučaju hitne potrebe. Razne kompanije konstantno proizvode ugljenične nanocevi. Ali oni praktički nisu traženi, jer je njihova cijena previsoka.
Vodice proizvodnje
Danas vodeće mjesto u proizvodnji karbonskih nanocijevi zauzimaju azijske zemlje, čije su proizvodne mogućnosti 3 puta veće nego u drugim zemljama Evrope i Amerike. Konkretno, Japan se bavi proizvodnjom MWNT-a. Ali druge zemlje, kao što su Koreja i Kina, nisu inferiorne u ovom pokazatelju.
Proizvodnja u Rusiji
Domaća proizvodnja ugljičnih nanocijevi daleko zaostaje za drugim zemljama. Zapravo, sve ovisi o kvaliteti istraživanja u ovoj oblasti. Ne izdvaja dovoljno finansijskih sredstava za stvaranje naučnih i tehnoloških centara u zemlji. Mnogi ljudi ne prihvataju razvoje u oblasti nanotehnologije jer ne znaju kako se ona može koristiti u industriji. Dakle, tranzicija privredenovi put je prilično težak.
Stoga je predsednik Rusije izdao dekret, koji ukazuje na razvoj različitih oblasti nanotehnologije, uključujući ugljenične elemente. U te svrhe kreiran je poseban program za razvoj i proizvodnju vlastitih tehnologija.
Da bi ispunili sve tačke narudžbe, stvorena je kompanija Rosnanotech. Za njegovo funkcionisanje iz državnog budžeta izdvojen je značajan iznos. Upravo ona treba da kontroliše proces razvoja, proizvodnje i uvođenja ugljeničnih nanocevi u industrijsku sferu. Izdvojeni iznos će biti utrošen na stvaranje različitih istraživačkih instituta i laboratorija, a ujedno će ojačati i postojeća dostignuća domaćih naučnika. Takođe, ova sredstva će se koristiti za nabavku visokokvalitetne opreme za proizvodnju ugljeničnih nanocevi. Vrijedi voditi računa i o onim uređajima koji će štititi ljudsko zdravlje, jer ovaj materijal uzrokuje mnoge bolesti.
Kao što je ranije spomenuto, cijeli problem je u prikupljanju sredstava. Većina investitora ne želi da ulaže u istraživanje i razvoj, posebno dugo vremena. Svi biznismeni žele da vide profit, ali nanorazvoj može potrajati godinama. To je ono što odbija predstavnike malih i srednjih preduzeća. Osim toga, bez državnih ulaganja, neće biti moguće u potpunosti pokrenuti proizvodnju nanomaterijala.
Još jedan problemje nedostatak zakonskog okvira, jer ne postoji posredna veza između različitih faza poslovanja. Stoga, ugljenične nanocijevi, čija proizvodnja nije tražena u Rusiji, zahtijevaju ne samo financijska, već i mentalna ulaganja. Za sada je Ruska Federacija daleko od azijskih zemalja, koje prednjače u razvoju nanotehnologije.
Danas se razvoj u ovoj industriji odvija na hemijskim odsjecima raznih univerziteta u Moskvi, Tambovu, Sankt Peterburgu, Novosibirsku i Kazanju. Vodeći proizvođači ugljeničnih nanocevi su kompanija Granat i fabrika Komsomolets u Tambovu.
Dobre i loše strane
Među prednostima su posebna svojstva ugljeničnih nanocevi. Oni su izdržljiv materijal koji se ne urušava pod utjecajem mehaničkih utjecaja. Osim toga, dobro rade za savijanje i istezanje. To je omogućeno zatvorenom strukturom okvira. Njihova primjena nije ograničena na jednu industriju. Cijevi se koriste u automobilskoj industriji, elektronici, medicini i energetici.
Veliki nedostatak je negativan uticaj na ljudsko zdravlje.
Čestice nanocevi, ulazeći u ljudsko telo, dovode do pojave malignih tumora i raka.
Suštinska strana je finansiranje ove industrije. Mnogi ljudi ne žele da ulažu u nauku, jer je potrebno mnogo vremena da bi se ostvario profit. I bez funkcionisanja istraživačkih laboratorija, razvoj nanotehnologijenemoguće.
Zaključak
Ugljične nanocijevi igraju važnu ulogu u inovativnim tehnologijama. Mnogi stručnjaci predviđaju rast ove industrije u narednim godinama. Doći će do značajnog povećanja proizvodnih kapaciteta, što će dovesti do smanjenja cijene robe. Sa padom cijene, cijevi će biti veoma tražene, te će postati nezamjenjiv materijal za mnoge uređaje i opremu.
Dakle, saznali smo koji su ovi proizvodi.
