Въглеродни нанотръби: производство, приложения, свойства

Енергията е важна индустрия, която играе огромна роля в човешкия живот. Енергийната ситуация в страната зависи от работата на много учени в тази индустрия. Към днешна дата те търсят алтернативни източници на енергия.

Обща информация

Въглеродните нанотръби са дълги, сгънати графитни равнини, които имат цилиндрична форма. Като правило дебелината им достига няколко десетки нанометра, с дължина няколко сантиметра. В края на нанотръбите се формира сферична глава, която е една от частите на фулерената.

Има видове въглеродни нанотръби: метал и полупроводник. Основната им разлика е проводимостта на тока. Първият тип може да провежда ток при температура, равна на 0ordm-C, а втората - само при повишени температури.

Въглеродни нанотръби: свойства

Повечето съвременни тенденции, като приложна химия или нанотехнологии, са свързани с нанотръби, които имат въглеродна рамка. Какво е това? Под тази структура се имат предвид големи молекули, които са свързани само с въглеродни атоми. Въглеродните нанотръби, чиито свойства се основават на затворената форма на черупката, се оценяват много. Освен това данните за образуването имат цилиндрична форма. Такива епруветки могат да се получат чрез сгъване на листа от графит или израстване от определен катализатор. Въглеродните нанотръби, снимките на които са представени по-долу, имат необичайна структура. Те идват в различни форми и размери: еднопластови и многопластови, прави и навити. Въпреки факта, че нанотръбите изглеждат доста крехки, те са траен материал. В резултат на много изследвания е установено, че те имат присъщи свойства като опъване и огъване. При действието на сериозни механични натоварвания елементите не се разкъсват и не се счупват, т.е. те могат да бъдат регулирани на различни напрежения.

токсичност

В резултат на множество изследвания е установено, че въглеродните нанотръби могат да причинят същите проблеми като азбестовите влакна, т.е. има различни злокачествени тумори, както и рак на белите дробове. Степента на негативно влияние на азбеста зависи от вида и дебелината на неговите влакна. Тъй като въглеродните нанотръби са с малко тегло и размер, те лесно влизат в човешкото тяло заедно с въздуха. Освен това те навлизат в плеврата и навлизат в гръдния кош и с течение на времето причиняват различни усложнения. Учените направиха експеримент и добавиха частици нанотръби към храната на мишки. Продукти с малък диаметър практически не са задържани в тялото, но по-големи са копаят в стените на стомаха и причиняват различни заболявания.

Методи за получаване

Досега съществуват следните методи за получаване на въглеродни нанотръби: заряд на дъгата, аблация, отлагане от газовата фаза.

Изпускане с електрическа дъга. Препаратът (въглеродни нанотръби са описани в тази статия) в плазма с електрическо зареждане, който изгаря с употребата на хелий. Такъв процес може да се извърши с помощта на специално техническо оборудване за получаване на фулерени. Но с този метод се използват други режими на изгаряне на дъгата. Например, плътност на тока Тя се спуска, а също така се използват и катоди с огромна дебелина. За да се създаде атмосфера на хелий, е необходимо да се увеличи налягането на този химически елемент. Въглеродните нанотръби се получават чрез пръскане. За да се увеличи броят им, е необходимо да се въведе катализатор в графитния прът. Най-често това е смес от различни метални групи. Освен това, налягането и методът на пръскане се променят. По този начин се получава натрупване катод, където се образуват въглеродни нанотръби. Готовите продукти растат перпендикулярно от катод и се сглобяват в снопове. Те са с дължина 40 μm.

Ablyasatsiya. Този метод е измислен от Ричард Смали. Същността му е да изпарява различни графитни повърхности в реактор, работещ при високи температури. Въглеродните нанотръби се образуват в резултат на изпарението на графита в долната част на реактора. Охлаждането и събирането им става с помощта на охлаждаща повърхност. Ако в първия случай броят на елементите е бил 60%, тогава с този метод цифрата се е увеличила с 10%. Цената на метода на лазерна аблация е по-скъпа от всички останали. По правило се получават едностранни нанотръби поради промяна в реакционната температура.

Утаяване от газовата фаза. Методът на отлагане на въглеродни пари е измислен в края на 50-те години на миналия век. Но никой дори не си представя, че с него могат да се произвеждат въглеродни нанотръби. Така че, първо трябва да подготвите повърхност с катализатор. Тъй като може да обслужва фини частици от различни метали, например кобалт, никел и много други. Нанотръбите започват да излизат от катализаторното легло. Дебелината им директно зависи от размера на катализиращия метал. Повърхността се загрява до високи температури и след това се доставя газ, съдържащ въглерод. Сред тях - метан, ацетал, етанол и др. Като допълнителен технически газ е амонякът. Този метод за получаване на нанотръби е най-разпространеният. Самият процес се осъществява в различни промишлени предприятия, което означава, че се отделят по-малко пари за производството на голям брой тръби. Друго предимство на този метод е, че вертикални елементи могат да бъдат получени от всякакви метални частици, служещи като катализатор. Производството (въглеродните нанотръби се описват от всички страни) стана възможно благодарение на проучванията на Суоми Ийима, които се наблюдават под микроскоп след появата им в резултат на въглероден синтез.

Основни изгледи

Въглеродните елементи се класифицират според броя слоеве. Най-простата форма е въглеродните нанотръби с единични стени. Всеки от тях има дебелина около 1 nm и тяхната дължина може да бъде много по-голяма. Ако разгледаме структурата, продуктът изглежда като опаковъчен графит с шестоъгълна решетка. На върховете й са въглеродни атоми. Така тръбата има формата на цилиндър, който няма шевове. Горната част на устройствата е затворена с капаци, състоящи се от фулеренови молекули.

Следващият тип е многопластовите въглеродни нанотръби. Те се състоят от няколко слоя графит, които са подредени във формата на цилиндър. Между тях се поддържа разстояние от 0.34 nm. Структура от този тип е описана по два начина. На първите, многослойни тръби са няколко вложени еднопластови тръби, които са подобни на кукла гнездо. Във втория, многослойни нанотръби са лист от графит, който се обръща около себе си няколко пъти, което прилича на сгънат вестник.

Въглеродни нанотръби: приложение

Елементите са абсолютно нов представител на класа наноматериали. Както вече споменахме, те имат скелетна структура, която се различава в свойствата от графит или диамант. Ето защо те се използват много по-често, отколкото други материали.

Поради такива характеристики като якост, огъване, проводимост се използват в много области:

• като добавки към полимери;
• катализатор за осветителни устройства, както и плоски дисплеи и тръби в телекомуникационни мрежи;
• като абсорбер на електромагнитни вълни;
• за преобразуване на енергия;
• производство на аноди в различни видове батерии;
• съхранение на водород;
• производство на датчици и кондензатори;
• производство на композитни материали и укрепване на тяхната структура и свойства.

В продължение на много години въглеродните нанотръби, чието приложение не е ограничено до една конкретна индустрия, се използват в научните изследвания. Такъв материал има слаби позиции на пазара, тъй като има проблеми с мащабното производство. Друг важен момент е високата цена на въглеродните нанотръби, която е около 120 долара на грам такова вещество.

Те се използват като основен елемент за производството на много композити, които се използват за производството на много спортни продукти. Друга индустрия е производството на автомобили. Функционализирането на въглеродните нанотръби в това поле се намалява, за да се придадат полимери на проводими свойства.

Коефициентът на топлопроводимост на нанотръбите е достатъчно висок, поради което те могат да се използват като охлаждащо устройство за различни масивни съоръжения. Също така, от тях се правят върховете, които са прикрепени към тръбите на сондата.

Най-важната област на приложение са компютърните технологии. Благодарение на нанотръбите, особено плоските дисплеи са създадени. С тяхна помощ можете значително да намалите общите размери на самия компютър, както и да увеличите техническото му представяне. Завършеното оборудване ще бъде няколко пъти по-добро от сегашните технологии. Въз основа на тези проучвания може да се създадат кинескопи с високо напрежение.

С течение на времето тръбите ще се използват не само в електрониката, но и в медицинската и енергийната област.

производство

Въглеродните тръби, чието производство се разпределя между двата им вида, се разпределят неравномерно. Това означава, че MWNT произвежда много повече от SWNT. Вторият вид се прави в случай на остра необходимост. Различни фирми постоянно произвеждат въглеродни нанотръби. Но те на практика не използват търсенето, тъй като цената им е надценена.

Лидери в производството

Към днешна дата водещото място в производството на въглеродни нанотръби е заета от страните от Азия, възможности за производство което е 3 пъти по-високо, отколкото в други страни от Европа и Америка. По-специално, Япония е производител на MWNT. Но други страни, като Корея и Китай, по никакъв начин не са по-лоши в този показател.

Производство в Русия

Вътрешното производство на въглеродни нанотръби изостава далеч зад други страни. Всъщност всичко зависи от качеството на изследванията в тази област. Тя не разпределя достатъчно финансови средства за създаване на научни и технологични центрове в страната. Много хора не възприемат развитието в областта на нанотехнологиите, защото не знаят как могат да бъдат използвани в индустрията. Ето защо преходът на икономиката към нов път е доста труден.

Поради това президентът на Русия издаде указ, който посочва развитието на различни области на нанотехнологията, включително въглеродни елементи. За тази цел, специална програма за развитие и собствено производство технология. За да се гарантира, че всички елементи от поръчката са изпълнени, е създадена фирма "Rosnanotech". Значителна сума от държавния бюджет бе отпусната за нейното функциониране. Тя е тя, която трябва да контролира процеса на разработване, производство и въвеждане в индустриалната сфера на въглеродните нанотръби. Разпределената сума ще бъде изразходвана за създаването на различни научноизследователски институти и лаборатории и ще позволи да се укрепят вече съществуващите постижения на домашните учени. Също така тези средства ще бъдат използвани за закупуване на висококачествено оборудване за производството на въглеродни нанотръби. Необходимо е също така да се грижи за тези устройства, които ще защитят човешкото здраве, тъй като този материал причинява различни заболявания.

Както беше посочено по-горе, целият проблем е привличането на средства. Повечето инвеститори не искат да инвестират в научни разработки, особено за дълго време. Всички бизнесмени искат да видят печалба, но наномащабното ниво може да продължи години назад. Това е, което отблъсква представителите на малкия и средния бизнес. Освен това, без публични инвестиции, няма да бъде възможно да се започне изцяло производство на наноматериали. Друг проблем е липсата на правна рамка, тъй като няма междинна връзка между различните нива на бизнеса. Ето защо въглеродните нанотръби, чието производство в Русия не е в търсенето, изискват не само финансови, но и психически инвестиции. Докато Русия е далеч от азиатските страни, водещи в развитието на нанотехнологиите.

Към днешна дата развитието в тази област се осъществява на химическите факултети на различни университети в Москва, Тамбов, Санкт Петербург, Новосибирск и Казан. Водещи производители на въглеродни нанотръби са компанията Гранат и заводът Тамбов Комсомолец.

Положителни и отрицателни страни

Сред заслугите може да се откроят специалните свойства на въглеродните нанотръби. Те са траен материал, който не се срутва под въздействието на механични влияния. В допълнение, те работят добре за огъване и разтягане. Това стана възможно чрез затворена рамкова структура. Тяхното приложение не се ограничава само до една индустрия. Тръбите са намерили приложение в автомобилната промишленост, електрониката, медицината и енергетиката.

Огромен недостатък е негативното въздействие върху човешкото здраве. Частиците от нанотръби, които се вливат в човешкото тяло, водят до появата на злокачествени тумори и рак.

Основен аспект е финансирането на тази индустрия. Много хора не искат да инвестират в науката, защото отнема много време, за да реализират печалба. Без функционирането на научно-изследователските лаборатории развитието на нанотехнологиите е невъзможно.

заключение

Въглеродните нанотръби играят важна роля в иновационните технологии. Много експерти прогнозират растежа на тази индустрия през следващите години. Ще има значително увеличение на производствените възможности, което ще доведе до намаляване на цената на стоките. С намаляването на цената тръбите ще бъдат в голямо търсене и ще станат незаменим материал за много устройства и оборудване.

Така че, разбрахме какво представляват тези продукти.