Uhlíkové nanotrubice: výroba, aplikace, vlastnosti

Energie je důležitý průmysl, který hraje obrovskou roli v lidském životě. Energetická situace v zemi závisí na práci mnoha vědců v tomto odvětví. K dnešnímu dni vyhledávají alternativních zdrojů energie.

Obecné informace

Uhlíkové nanotrubice jsou dlouhé, skládané grafitové roviny, které mají válcový tvar. Obecně platí, že jejich tloušťka dosahuje několika desítek nanometrů, o délce několika centimetrů. Na konci nanotrubic se vytvoří kulovitá hlava, která je jednou z částí fullerenu.

Existují typy uhlíkových nanotrubiček: kov a polovodič. Jejich hlavní rozdíl je vodivost proudu. První typ může provádět proud při teplotě rovnající se 0ordm-C a druhé - pouze při zvýšených teplotách.

Uhlíkové nanotrubičky: Vlastnosti

Většina moderních trendů, jako je aplikovaná chemie nebo nanotechnologie, je spojena s nanotrubkami, které mají karbonovou strukturu. Co to je? Pod touto strukturou se míní velké molekuly, které jsou spojeny pouze atomy uhlíku. Uhlíkové nanotrubice, jejichž vlastnosti jsou založeny na uzavřené podobě pláště, jsou velmi ceněny. Kromě toho mají údaje o vytvoření válcového tvaru. Takové zkumavky lze získat skládáním grafitového plechu nebo růstem z určitého katalyzátoru. Uhlíkové nanotrubice, jejichž fotografie jsou uvedeny níže, mají neobvyklou strukturu. Přicházejí v různých tvarech a velikostech: jednovrstvá a vícevrstvá, rovná a zvlněná. Navzdory skutečnosti, že nanotrubky vypadají spíše křehké, jsou odolným materiálem. V důsledku mnoha studií bylo zjištěno, že mají přirozené vlastnosti, jako je napínání a ohýbání. Při působení vážných mechanických zátěží se prvky neotvírají a neroztrhnou, tzn. Mohou být nastaveny na různé napětí.

Toxicita

V důsledku několika studií bylo zjištěno, že uhlíkové nanotrubice mohou způsobit stejné problémy jako azbestová vlákna, tedy různé maligní nádory a rakovina plic. Stupeň negativního vlivu azbestu závisí na druhu a tloušťce jeho vláken. Protože uhlíkové nanotrubice jsou malé hmotnosti a velikosti, snadno vstupují do lidského těla společně se vzduchem. Dále vstupují do pleury a vstupují do hrudníku a časem způsobují různé komplikace. Vědci provedli experiment a přidali částice nanotrubic do jídla myší. Výrobky malého průměru prakticky nebyly v těle zadržovány, ale větší se vykopaly do stěn žaludku a způsobily různé nemoci.

Metody získání

K dnešnímu dni existují následující metody pro získání uhlíkových nanotrubic: obloukové náboje, ablace, depozice z plynné fáze.

Elektrické obloukové výboje. Příprava (uhlíkové nanotrubice jsou popsány v tomto článku) v plazce s elektrickým nábojem, který hoří pomocí hélia. Takový proces lze provést pomocí speciálního technického vybavení pro získání fullerenů. Při této metodě se však používají další režimy pro spalování oblouku. Například, proudová hustota Je spuštěna a používají se také katody o obrovské tloušťce. K vytvoření atmosféry helia je nutné zvýšit tlak tohoto chemického prvku. Uhlíkové nanotrubice se získávají postřikem. Pro zvýšení jejich počtu je nutné do grafitové tyče zavést katalyzátor. Nejčastěji jde o směs různých kovových skupin. Dále se změní tlak a metoda stříkání. Tím se získá ložisko katody, kde se vytvářejí uhlíkové nanotrubice. Hotové výrobky rostou kolmo na katodu a jsou sestaveny do svazků. Mají délku 40 μm.

Ablace. Tato metoda byla vynalezena Richardem Smalli. Jeho podstatou je odpaření různých grafitových povrchů v reaktoru, který pracuje při vysokých teplotách. Uhlíkové nanotrubice se tvoří v důsledku odpařování grafitu v dolní části reaktoru. Chlazení a sběr se provádí pomocí chladicího povrchu. Pokud byl v prvním případě počet prvků 60%, pak se tato metoda zvýšila o 10%. Náklady na metodu laserové ablace jsou dražší než všechny ostatní. Jednoduché nanotrubice jsou zpravidla způsobeny změnou reakční teploty.

Srážení z plynné fáze. Způsob nanášení uhlíkových par byl vynalezen koncem padesátých let minulého století. Ale nikdo si ani neuvědomoval, že s tím mohou být vyrobeny uhlíkové nanotrubice. Takže nejprve musíte připravit povrch s katalyzátorem. Jelikož může sloužit jemným částicím různých kovů, například kobaltu, niklu a mnoha dalších. Nanotuby začínají vystupovat z katalyzátorového lůžka. Jejich tloušťka přímo závisí na velikosti katalyzátoru. Povrch se ohřeje na vysoké teploty a pak se přivádí plyn obsahující uhlík. Mezi ně patří metan, acetal, ethanol, atd. Dalším technickým plynem je amoniak. Tento způsob získávání nanotrubic je nejčastější. Samotný proces probíhá v různých průmyslových podnicích, což znamená, že méně peněz je vynaloženo na výrobu velkého počtu trubek. Další výhodou této metody je, že vertikální prvky mohou být získány z jakýchkoliv kovových částic sloužících jako katalyzátor. Produkce (uhlíkové nanotrubice jsou popsány ze všech stran) se stala možnou díky studiím Suomi Iijimu, který po mikroorganismu pozoroval mikroskop jako výsledek syntézy uhlíku.

Základní pohledy

Uhlíkové prvky jsou klasifikovány podle počtu vrstev. Nejjednodušší formou jsou jednovrstvé uhlíkové nanotrubice. Každý z nich má tloušťku asi 1 nm a jejich délka může být mnohem větší. Pokud uvažujeme o struktuře, pak produkt vypadá jako zabalení grafitu se šestihrannou mřížkou. Na jeho vrcholech jsou atomy uhlíku. Tudíž trubka má tvar válce, která nemá švy. Horní část zařízení je uzavřena víčky složenými z molekul fullerenu.

Dalším typem jsou vícevrstvé uhlíkové nanotrubice. Skládají se z několika vrstev grafitu, které jsou uloženy ve tvaru válce. Mezi nimi se udržuje vzdálenost 0,34 nm. Struktura tohoto typu je popsána dvěma způsoby. Na prvním, vícevrstvých trubkách je několik vnořených jednovrstvých trubek, které jsou podobné hnízdící panenku. Ve druhé, vícevrstvé nanotrubice jsou list grafitu, který se několikrát otočí, což vypadá jako složené noviny.

Uhlíkové nanotrubice: aplikace

Prvky jsou absolutním novým představitelem třídy nanomateriálů. Jak bylo uvedeno výše, mají strukturu kostry, která se liší vlastnostmi od grafitu nebo diamantu. Proto jsou používány mnohem častěji než jiné materiály.

Kvůli takovým vlastnostem, jako je pevnost, ohýbání, vodivost, se používají v mnoha oblastech:

• jako přísady do polymerů;
• katalyzátor pro osvětlovací zařízení, stejně jako ploché displeje a trubky v telekomunikačních sítích;
• jako absorbér elektromagnetických vln;
• pro konverzi energie;
• výroba anod v různých typech baterií;
• skladování vodíku;
• výroba snímačů a kondenzátorů;
• výrobu kompozitů a posílení jejich struktury a vlastností.

Po mnoho let se uhlíkové nanotrubice, jejichž použití není omezeno na jediný průmysl, používají ve vědeckém výzkumu. Takový materiál má na trhu slabé pozice, neboť se vyskytují problémy s velkou produkcí. Dalším důležitým bodem jsou vysoké náklady na uhlíkové nanotrubice, což je asi 120 dolarů za gram takové látky.

Používají se jako hlavní prvek pro výrobu mnoha kompozitních materiálů, které se používají k výrobě mnoha sportovních produktů. Dalším odvětvím je výroba automobilů. Funkcionalizace uhlíkových nanotrubic v tomto poli je redukována tak, aby polymery přenesly vodivé vlastnosti.

Koeficient tepelné vodivosti nanotrubiček je dostatečně vysoký, a proto mohou být použity jako chladicí zařízení pro různá masivní zařízení. Také z nich jsou vytvořeny špičky, které jsou připojeny k trubkám sondy.

Nejdůležitější oblastí použití je počítačová technologie. Díky nanotrubám jsou vytvořeny zejména ploché displeje. S jejich pomocí můžete významně snížit celkové rozměry počítače a zvýšit jeho technický výkon. Dokončené vybavení bude několikrát lepší než současné technologie. Na základě těchto studií lze vytvořit vysokonapěťové kinezopy.

Postupně se trubice používají nejen v elektronice, ale i v lékařských a energetických polích.

Výroba

Uhlíkové trubky, jejichž výroba je rozdělena mezi dva druhy, jsou rozloženy nerovnoměrně. To znamená, že MWNT produkuje mnohem víc než SWNT. Druhý druh se provádí v případě akutní nutnosti. Různé firmy neustále vyrábějí uhlíkové nanotrubice. Ale prakticky nevyužívají poptávku, neboť jejich náklady jsou nadhodnoceny.

Vedoucí výroby

K dnešnímu dni zaujímají přední místo ve výrobě uhlíkových nanotrubek země Asie, výrobních příležitostí což je třikrát vyšší než v jiných zemích Evropy a Ameriky. Zejména Japonsko je výrobcem MWNT. Jiné země, jako je Korea a Čína, v tomto ukazateli v žádném případě nejsou horší.

Výroba v Rusku

Domácí výroba uhlíkových nanotrubic zaostává za ostatními zeměmi. Ve skutečnosti vše závisí na kvalitě výzkumu v této oblasti. Neuvádí dostatečné finanční prostředky na zřízení vědeckých a technologických center v zemi. Mnoho lidí vnímá vývoj v oblasti nanotechnologií, protože neví, jak lze v průmyslu používat. Proto je přechod ekonomiky na novou cestu poměrně obtížný.

Proto prezident Ruska vydal vyhlášku, která uvádí vývoj různých oblastí nanotechnologie včetně uhlíkových prvků. Pro tyto účely je zvláštní program pro rozvoj a vlastní technologií. Aby bylo zajištěno, že byly provedeny všechny položky objednávky, vznikla společnost "Rosnanotech". Významná částka ze státního rozpočtu byla vyčleněna na její fungování. Je to ona, která by měla řídit proces vývoje, výroby a zavádění do průmyslové sféry uhlíkových nanotrubic. Přidělená částka bude vynaložena na vytvoření různých výzkumných ústavů a ​​laboratoří a zároveň umožní posílit již dosažené výsledky domácích vědců. Také tyto prostředky budou použity k nákupu vysoce kvalitního zařízení pro výrobu uhlíkových nanotrubic. Je také nutné pečovat o ty přístroje, které ochrání lidské zdraví, protože tento materiál způsobuje řadu nemocí.

Jak již bylo řečeno, celý problém přitahuje finanční prostředky. Většina investorů nechce investovat do vědeckého vývoje, zejména na dlouhou dobu. Všichni podnikatelé chtějí vidět zisk, ale nanoskop může jít po mnoho let. Právě to odráží představitele malých a středních podniků. Navíc bez veřejných investic nebude možné zcela spustit výrobu nanomateriálů. Dalším problémem je nedostatek právního rámce, jelikož mezi jednotlivými úrovněmi podnikání neexistuje mezilehlá vazba. Proto uhlíkové nanotrubice, jejichž výroba v Rusku není v poptávce, vyžadují nejen finanční, ale i duševní investice. Zatímco Rusko je daleko od zemí Asie, které vedou v rozvoji nanotechnologie.

Dosavadní vývoj v této oblasti probíhá na chemických fakultách různých univerzit v Moskvě, Tambově, Petrohradě, Novosibirsku a Kazani. Předními výrobci uhlíkových nanotrubic jsou společnost Granat a závod Tambov Komsomolets.

Pozitivní a negativní strany

Mezi zásluhy lze vyvodit zvláštní vlastnosti uhlíkových nanotrubic. Jsou odolným materiálem, který se nezhoršuje pod vlivem mechanických vlivů. Navíc fungují dobře pro ohýbání a protahování. To umožnilo uzavřená struktura rámu. Jejich aplikace není omezena na jediný průmysl. Trubky nalezly uplatnění v automobilovém, elektronickém, lékařství a energetice.

Obrovskou nevýhodou je negativní dopad na lidské zdraví. Částice nanotrubků, které se dostávají do lidského těla, vedou k výskytu maligních nádorů a rakoviny.

Základním aspektem je financování tohoto odvětví. Mnoho lidí nechce investovat do vědy, protože na to, aby bylo dosaženo zisku, je spousta času. A bez fungování vědeckých výzkumných laboratoří není vývoj nanotechnologie možný.

Závěr

Uhlíkové nanotrubice hrají důležitou roli v inovačních technologiích. Mnoho odborníků předpovídá růst tohoto odvětví v nadcházejících letech. Dochází k výraznému nárůstu výrobních příležitostí, což povede ke snížení nákladů na zboží. Se sníženou cenou budou trubky ve velké poptávce a stanou se nepostradatelným materiálem pro mnoho zařízení a zařízení.

Tak jsme zjistili, co tyto produkty představují.