L'energia és una indústria important que té un paper important en la vida humana. L'estat energètic del país depèn del treball de molts científics en aquest camp. Avui busquen fonts d'energia alternatives. Amb aquests propòsits, estan preparats per utilitzar qualsevol cosa, començant per la llum solar i l'aigua, acabant amb l'energia de l'aire. Els equips que poden generar energia a partir del medi ambient són molt valorats.
Informació general
Els nanotubs de carboni són plans de grafit enrotllats estesos que tenen una forma cilíndrica. Per regla general, el seu gruix arriba a diverses desenes de nanòmetres, amb una longitud de diversos centímetres. A l'extrem dels nanotubs, es forma un cap esfèric, que és una de les parts del fullerè.
Hi ha dos tipus de nanotubs de carboni: metàl·lics i semiconductors. La seva principal diferència és la conductivitat del corrent. El primer tipus pot conduir el corrent a una temperatura igual a 0ºС, i el segon, només a temperatures elevades.
Nanotubs de carboni: propietats
La majoriaàrees modernes, com la química aplicada o la nanotecnologia, s'associen amb nanotubs, que tenen una estructura de marc de carboni. Què és això? Aquesta estructura es refereix a grans molècules unides entre elles només per àtoms de carboni. Els nanotubs de carboni, les propietats dels quals es basen en una closca tancada, són molt valorats. A més, aquestes formacions tenen una forma cilíndrica. Aquests tubs es poden obtenir plegant una làmina de grafit o créixer a partir d'un determinat catalitzador. Els nanotubs de carboni, les fotos dels quals es presenten a continuació, tenen una estructura inusual.
Venen en diferents formes i mides: d'una sola capa i de múltiples capes, rectes i sinuoses. Malgrat que els nanotubs semblen bastant fràgils, són un material fort. Com a resultat de molts estudis, es va trobar que tenen propietats com l'estirament i la flexió. Sota l'acció de càrregues mecàniques greus, els elements no es trenquen ni trenquen, és a dir, poden adaptar-se a diferents tensions.
Toxicitat
Com a resultat de múltiples estudis, es va trobar que els nanotubs de carboni poden causar els mateixos problemes que les fibres d'amiant, és a dir, es produeixen diversos tumors malignes, així com càncer de pulmó. El grau d'impacte negatiu de l'amiant depèn del tipus i el gruix de les seves fibres. Com que els nanotubs de carboni són petits en pes i mida, entren fàcilment al cos humà amb aire. A més, entren a la pleura i al pit, i amb el tempsprovocar diverses complicacions. Els científics van realitzar un experiment i van afegir partícules de nanotubs al menjar dels ratolins. Els productes de petit diàmetre pràcticament no es perduraven al cos, però els més grans van cavar a les parets de l'estómac i van causar diverses mal alties.
Obtenció de mètodes
Avui, hi ha els següents mètodes per obtenir nanotubs de carboni: càrrega d'arc, ablació, deposició de vapor.
Descàrrega d'arc elèctric. Obtenció (en aquest article es descriuen nanotubs de carboni) en un plasma de càrrega elèctrica, que es crema amb l'ús d'heli. Aquest procés es pot dur a terme mitjançant equips tècnics especials per a la producció de fullerenes. Però amb aquest mètode, s'utilitzen altres modes de crema d'arc. Per exemple, es redueix la densitat de corrent i també s'utilitzen càtodes d'enorme gruix. Per crear una atmosfera d'heli, cal augmentar la pressió d'aquest element químic. Els nanotubs de carboni s'obtenen mitjançant sputtering. Per augmentar-ne el nombre, cal introduir un catalitzador a la vareta de grafit. Molt sovint és una barreja de diferents grups metàl·lics. A més, hi ha un canvi en la pressió i el mètode de polvorització. Així, s'obté un dipòsit catòdic, on es formen nanotubs de carboni. Els productes acabats creixen perpendicularment al càtode i es recullen en paquets. Fan 40 µm de llarg.
Ablació. Aquest mètode va ser inventat per Richard Smalley. La seva essència és evaporar diferents superfícies de grafit en un reactor que funciona a altes temperatures. Els nanotubs de carboni es formen com a resultat de l'evaporació del grafit a la part inferiorparts del reactor.
Es refreden i es recullen mitjançant una superfície de refrigeració. Si en el primer cas, el nombre d'elements era igual al 60%, llavors amb aquest mètode la xifra augmentava un 10%. El cost del mètode d'absolució làser és més car que tots els altres. Per regla general, els nanotubs d'una sola paret s'obtenen canviant la temperatura de reacció.
Deposició de la fase gasosa. El mètode de deposició de vapor de carboni es va inventar a finals dels anys 50. Però ningú ni tan sols imaginava que es poguessin obtenir nanotubs de carboni amb ell. Per tant, primer heu de preparar la superfície amb un catalitzador. Les petites partícules de diferents metalls, per exemple, el cob alt, el níquel i molts altres, poden servir com a això. Els nanotubs comencen a sortir del llit del catalitzador. El seu gruix depèn directament de la mida del metall catalitzador. La superfície s'escalfa a altes temperatures i després es subministra un gas que conté carboni. Entre ells hi ha metà, acetilè, etanol, etc. L'amoníac serveix com a gas tècnic addicional. Aquest mètode d'obtenció de nanotubs és el més comú. El procés en si té lloc en diverses empreses industrials, per la qual cosa es gasten menys recursos econòmics per a la fabricació d'un gran nombre de tubs. Un altre avantatge d'aquest mètode és que es poden obtenir elements verticals a partir de qualsevol partícula metàl·lica que serveixi de catalitzador. L'obtenció (es descriuen nanotubs de carboni des de tots els costats) va ser possible gràcies a la investigació de Suomi Iijima, queobservats al microscopi pel seu aspecte com a resultat de la síntesi de carboni.
Espècies principals
Els elements de carboni es classifiquen segons el nombre de capes. El tipus més senzill són els nanotubs de carboni d'una sola paret. Cadascun d'ells té un gruix d'aproximadament 1 nm, i la seva longitud pot ser molt més llarga. Si tenim en compte l'estructura, el producte sembla que embolcalla grafit amb una graella hexagonal. A la part superior hi ha àtoms de carboni. Així, el tub té la forma d'un cilindre, que no té costures. La part superior dels dispositius està tancada amb cobertes formades per molècules de fullerè.
La següent vista són nanotubs de carboni multicapa. Consten de diverses capes de grafit, que es dobleguen en forma de cilindre. Es manté una distància de 0,34 nm entre ells. Una estructura d'aquest tipus es descriu de dues maneres. Segons el primer, els tubs multicapa són diversos tubs d'una sola capa imbricats entre si, que sembla una nina nidificant. Segons el segon, els nanotubs multicapa són una làmina de grafit que s'envolta diverses vegades, que sembla un diari plegat.
Nanotubs de carboni: aplicacions
Els elements són un nou representant absolut de la classe dels nanomaterials.
Com s'ha esmentat anteriorment, tenen una estructura de marc, que difereix en propietats del grafit o el diamant. És per això que s'utilitzen molt més sovint que altres materials.
A causa de les seves característiques com la resistència, la flexió, la conductivitat, s'utilitza en molts camps:
- com a additius als polímers;
- catalitzador per a dispositius d'il·luminació, així com pantalles de pantalla plana i telèfons en xarxes de telecomunicacions;
- com a absorbent d'ones electromagnètiques;
- per a la conversió d'energia;
- fabricació d'ànodes en diversos tipus de bateries;
- emmagatzematge d'hidrogen;
- fabricació de sensors i condensadors;
- producció de composites i reforç de la seva estructura i propietats.
Durant molts anys, els nanotubs de carboni, l'aplicació dels quals no es limita a una indústria en particular, s'han utilitzat en la investigació científica. Aquest material té una posició feble al mercat, ja que hi ha problemes amb la producció a gran escala. Un altre punt important és l' alt cost dels nanotubs de carboni, que és d'aproximadament 120 dòlars per gram d'aquesta substància.
S'utilitzen com a element bàsic per a la producció de molts composites, que s'utilitzen per fer molts articles esportius. Un altre sector és el de l'automoció. La funcionalització dels nanotubs de carboni en aquesta àrea es redueix a dotar els polímers de propietats conductores.
La conductivitat tèrmica dels nanotubs és prou alta perquè es puguin utilitzar com a dispositiu de refrigeració per a diversos equips massius. També s'utilitzen per fer puntes que s'uneixen als tubs de la sonda.
L'àrea d'aplicació més important és la tecnologia informàtica. Gràcies als nanotubs, es creen pantalles especialment planes. Es poden utilitzar per reduir significativamentles dimensions generals del propi ordinador, així com augmentar el seu rendiment tècnic. L'equip acabat serà diverses vegades superior a les tecnologies actuals. A partir d'aquests estudis, es poden crear cinescopis d' alta tensió.
Amb el temps, els tubs s'utilitzaran no només en l'electrònica, sinó també en els camps mèdics i energètics.
Producció
Els tubs de carboni, la producció dels quals es distribueix entre els dos tipus, es distribueixen de manera desigual.
Així que els MWNT fan molt més que els SWNT. El segon tipus es fa en cas de necessitat urgent. Diverses empreses estan produint constantment nanotubs de carboni. Però pràcticament no tenen demanda, ja que el seu cost és massa elevat.
Líders de producció
Avui, el primer lloc en la producció de nanotubs de carboni l'ocupen els països asiàtics, les capacitats de producció dels quals són 3 vegades superiors a les d' altres països d'Europa i Amèrica. En particular, el Japó es dedica a la fabricació de MWNT. Però altres països, com Corea i la Xina, no són inferiors en aquest indicador.
Producció a Rússia
La producció domèstica de nanotubs de carboni va molt endarrerida d' altres països. De fet, tot depèn de la qualitat de la recerca en aquesta àrea. No destina prou recursos econòmics per crear centres científics i tecnològics al país. Molta gent no accepta els desenvolupaments en el camp de la nanotecnologia perquè no saben com es pot utilitzar a la indústria. Per tant, la transició de l'economiael nou camí és força difícil.
Per tant, el president de Rússia va emetre un decret, que indica el desenvolupament de diverses àrees de la nanotecnologia, inclosos els elements de carboni. Amb aquests propòsits, es va crear un programa especial per al desenvolupament i producció de les nostres pròpies tecnologies.
Per tal de complir amb tots els punts de la comanda, es va crear l'empresa Rosnanotech. Es va destinar una quantitat important del pressupost de l'Estat per al seu funcionament. És ella qui hauria de controlar el procés de desenvolupament, producció i introducció de nanotubs de carboni a l'àmbit industrial. L'import assignat es destinarà a la creació de diversos instituts i laboratoris de recerca, i també reforçarà els assoliments existents dels científics nacionals. A més, aquests fons es destinaran a comprar equips d' alta qualitat per a la producció de nanotubs de carboni. També val la pena tenir cura d'aquells aparells que protegiran la salut humana, ja que aquest material provoca moltes mal alties.
Com s'ha esmentat anteriorment, tot el problema és recaptar fons. La majoria dels inversors no volen invertir en investigació i desenvolupament, sobretot durant molt de temps. Tots els empresaris volen obtenir beneficis, però el nanodesenvolupament pot trigar anys. Això és el que rebutja els representants de les petites i mitjanes empreses. A més, sense la inversió del govern, no serà possible llançar completament la producció de nanomaterials.
Un altre problemaés la manca d'un marc legal, ja que no hi ha un vincle intermedi entre les diferents etapes del negoci. Per tant, els nanotubs de carboni, la producció dels quals no es demanda a Rússia, requereixen no només inversions financeres, sinó també mentals. Fins ara, la Federació de Rússia està lluny dels països asiàtics, que lideren el desenvolupament de la nanotecnologia.
Avui, els desenvolupaments en aquesta indústria es duen a terme als departaments de química de diverses universitats de Moscou, Tambov, Sant Petersburg, Novosibirsk i Kazan. Els principals fabricants de nanotubs de carboni són l'empresa Granat i la planta de Komsomolets a Tambov.
Els costats bo i dolent
Entre els avantatges es troben les propietats especials dels nanotubs de carboni. Són un material durador que no es col·lapsa sota la influència de les influències mecàniques. A més, funcionen bé per doblegar i estirar. Això és possible gràcies a l'estructura de marc tancat. La seva aplicació no es limita a una indústria. Els tubs s'utilitzen en automoció, electrònica, medicina i energia.
Un gran desavantatge és l'impacte negatiu sobre la salut humana.
Les partícules de nanotubs, que entren al cos humà, provoquen l'aparició de tumors malignes i càncer.
La part essencial és el finançament d'aquesta indústria. Molta gent no vol invertir en ciència, perquè es necessita molt de temps per obtenir beneficis. I sense el funcionament dels laboratoris de recerca, el desenvolupament de la nanotecnologiaimpossible.
Conclusió
Els nanotubs de carboni tenen un paper important en les tecnologies innovadores. Molts experts prediuen el creixement d'aquesta indústria en els propers anys. Hi haurà un augment significatiu de les capacitats de producció, la qual cosa comportarà una disminució del cost de les mercaderies. Amb la disminució del preu, els tubs tindran una gran demanda i es convertiran en un material indispensable per a molts dispositius i equips.
Així que, vam descobrir quins són aquests productes.
