Energie is een belangrijke industrie die een grote rol speelt in het menselijk leven. De energietoestand van het land hangt af van het werk van veel wetenschappers op dit gebied. Tegenwoordig zijn ze op zoek naar alternatieve energiebronnen. Voor deze doeleinden zijn ze klaar om alles te gebruiken, te beginnen met zonlicht en water, eindigend met de energie van lucht. Apparatuur die energie uit de omgeving kan opwekken, wordt zeer gewaardeerd.
Algemene informatie
Koolstofnanobuizen zijn verlengde gewalste grafietvlakken met een cilindrische vorm. In de regel bereikt hun dikte enkele tientallen nanometers, met een lengte van enkele centimeters. Aan het uiteinde van de nanobuisjes wordt een bolvormige kop gevormd, een van de onderdelen van het fullereen.
Er zijn twee soorten koolstofnanobuisjes: metaal en halfgeleider. Hun belangrijkste verschil is de geleidbaarheid van de stroom. Het eerste type kan stroom geleiden bij een temperatuur gelijk aan 0ºС, en het tweede - alleen bij verhoogde temperaturen.
Koolstof nanobuisjes: eigenschappen
Meestmoderne gebieden, zoals toegepaste chemie of nanotechnologie, worden geassocieerd met nanobuisjes, die een framestructuur van koolstof hebben. Wat het is? Deze structuur verwijst naar grote moleculen die alleen door koolstofatomen aan elkaar zijn verbonden. Koolstofnanobuisjes, waarvan de eigenschappen gebaseerd zijn op een gesloten omhulsel, worden zeer gewaardeerd. Bovendien hebben deze formaties een cilindrische vorm. Dergelijke buizen kunnen worden verkregen door een grafietvel te vouwen, of groeien uit een bepaalde katalysator. Koolstofnanobuisjes, waarvan de foto's hieronder worden weergegeven, hebben een ongebruikelijke structuur.
Ze zijn er in verschillende vormen en maten: enkellaags en meerlaags, recht en bochtig. Ondanks dat nanobuisjes er nogal fragiel uitzien, zijn ze een sterk materiaal. Als resultaat van veel onderzoeken is gebleken dat ze eigenschappen hebben zoals uitrekken en buigen. Onder invloed van ernstige mechanische belastingen scheuren of breken de elementen niet, dat wil zeggen dat ze zich kunnen aanpassen aan verschillende spanningen.
Toxiciteit
Als resultaat van meerdere onderzoeken is gebleken dat koolstofnanobuisjes dezelfde problemen kunnen veroorzaken als asbestvezels, dat wil zeggen dat er verschillende kwaadaardige tumoren optreden, evenals longkanker. De mate van negatieve impact van asbest hangt af van het type en de dikte van de vezels. Omdat koolstofnanobuisjes klein van gewicht en formaat zijn, komen ze gemakkelijk met lucht het menselijk lichaam binnen. Verder komen ze de pleura binnen en gaan ze de borst binnen, en na verloop van tijdverschillende complicaties veroorzaken. Wetenschappers voerden een experiment uit en voegden deeltjes nanobuisjes toe aan het voedsel van muizen. Producten met een kleine diameter bleven praktisch niet in het lichaam hangen, maar grotere groeven zich in de wanden van de maag en veroorzaakten verschillende ziekten.
Methoden ophalen
Tegenwoordig zijn er de volgende methoden om koolstofnanobuizen te verkrijgen: booglading, ablatie, dampafzetting.
Elektrische boogontlading. Verkrijgen (koolstofnanobuisjes worden in dit artikel beschreven) in een plasma van elektrische lading, dat brandt met behulp van helium. Een dergelijk proces kan worden uitgevoerd met speciale technische apparatuur voor de productie van fullerenen. Maar met deze methode worden andere manieren van boogbranden gebruikt. Zo wordt de stroomdichtheid verminderd en worden ook kathoden van enorme dikte gebruikt. Om een atmosfeer van helium te creëren, is het noodzakelijk om de druk van dit chemische element te verhogen. Koolstofnanobuisjes worden verkregen door te sputteren. Om hun aantal te vergroten, is het noodzakelijk om een katalysator in de grafietstaaf te introduceren. Meestal is het een mengsel van verschillende metaalgroepen. Verder is er een verandering in druk en wijze van sproeien. Zo wordt een kathodische afzetting verkregen, waarbij koolstofnanobuisjes worden gevormd. Afgewerkte producten groeien loodrecht op de kathode en worden in bundels verzameld. Ze zijn 40 µm lang.
Ablatie. Deze methode is uitgevonden door Richard Smalley. De essentie is om verschillende grafietoppervlakken te verdampen in een reactor die bij hoge temperaturen werkt. Koolstofnanobuisjes worden gevormd door de verdamping van grafiet op de bodemdelen van de reactor.
Ze worden gekoeld en opgevangen met behulp van een koeloppervlak. Als in het eerste geval het aantal elementen gelijk was aan 60%, dan nam met deze methode het cijfer toe met 10%. De kosten van de laserabsolatiemethode zijn duurder dan alle andere. In de regel worden enkelwandige nanobuisjes verkregen door de reactietemperatuur te veranderen.
Depositie uit de gasfase. De koolstofdampdepositiemethode werd eind jaren 50 uitgevonden. Maar niemand had zelfs gedacht dat er koolstofnanobuisjes mee konden worden verkregen. Dus eerst moet je het oppervlak voorbereiden met een katalysator. Kleine deeltjes van verschillende metalen, bijvoorbeeld kob alt, nikkel en vele andere, kunnen als zodanig dienen. Nanobuisjes beginnen uit het katalysatorbed te komen. Hun dikte hangt rechtstreeks af van de grootte van het katalyserende metaal. Het oppervlak wordt verwarmd tot hoge temperaturen, waarna een koolstofhoudend gas wordt toegevoerd. Onder hen zijn methaan, acetyleen, ethanol, enz. Ammoniak dient als een bijkomend technisch gas. Deze methode om nanobuisjes te verkrijgen is de meest voorkomende. Het proces zelf vindt plaats in verschillende industriële ondernemingen, waardoor er minder financiële middelen worden besteed aan de vervaardiging van een groot aantal buizen. Een ander voordeel van deze methode is dat uit alle metaaldeeltjes die als katalysator dienen verticale elementen kunnen worden verkregen. Het verkrijgen (koolstofnanobuisjes worden van alle kanten beschreven) werd mogelijk dankzij het onderzoek van Suomi Iijima, diewaargenomen onder een microscoop op hun uiterlijk als resultaat van koolstofsynthese.
Belangrijkste soorten
Koolstofelementen worden geclassificeerd op basis van het aantal lagen. Het eenvoudigste type zijn enkelwandige koolstofnanobuisjes. Elk van hen heeft een dikte van ongeveer 1 nm en hun lengte kan veel langer zijn. Als we de structuur beschouwen, ziet het product eruit als grafiet met een zeshoekig raster. Aan de toppen bevinden zich koolstofatomen. Zo heeft de buis de vorm van een cilinder, die geen naden heeft. Het bovenste deel van de apparaten is afgesloten met afdekkingen die bestaan uit fullereenmoleculen.
De volgende weergave is meerlagige koolstofnanobuisjes. Ze bestaan uit meerdere lagen grafiet, die in een cilindervorm zijn gevouwen. Daartussen wordt een afstand van 0,34 nm aangehouden. Een structuur van dit type wordt op twee manieren beschreven. Volgens de eerste zijn meerlagige buizen verschillende in elkaar geneste enkellaagse buizen, die eruitzien als een nestpop. Volgens de tweede zijn meerlagige nanobuisjes een vel grafiet dat zich meerdere keren om zichzelf wikkelt, wat eruitziet als een opgevouwen krant.
Koolstof nanobuisjes: toepassingen
Elements zijn een absoluut nieuwe vertegenwoordiger van de klasse van nanomaterialen.
Zoals eerder vermeld, hebben ze een framestructuur die qua eigenschappen verschilt van grafiet of diamant. Daarom worden ze veel vaker gebruikt dan andere materialen.
Vanwege zijn kenmerken zoals sterkte, buiging, geleidbaarheid, wordt het op veel gebieden gebruikt:
- als additieven voor polymeren;
- katalysator voor verlichtingsapparatuur, maar ook voor platte beeldschermen en handsets in telecommunicatienetwerken;
- als een elektromagnetische golfabsorbeerder;
- voor energieconversie;
- fabricage van anodes in verschillende soorten batterijen;
- waterstofopslag;
- fabricage van sensoren en condensatoren;
- productie van composieten en versterking van hun structuur en eigenschappen.
Al vele jaren worden koolstofnanobuisjes, waarvan de toepassing niet beperkt is tot één bepaalde industrie, gebruikt in wetenschappelijk onderzoek. Dergelijk materiaal heeft een zwakke marktpositie, omdat er problemen zijn met grootschalige productie. Een ander belangrijk punt zijn de hoge kosten van koolstofnanobuisjes, die ongeveer $ 120 per gram van een dergelijke stof bedragen.
Ze worden gebruikt als basiselement voor de productie van veel composieten, die worden gebruikt om veel sportartikelen te maken. Een andere branche is de auto-industrie. De functionalisering van koolstofnanobuisjes op dit gebied wordt gereduceerd tot polymeren met geleidende eigenschappen.
De thermische geleidbaarheid van nanobuisjes is zo hoog dat ze kunnen worden gebruikt als koelapparaat voor verschillende massieve apparatuur. Ze worden ook gebruikt om tips te maken die aan de sondebuizen worden bevestigd.
Het belangrijkste toepassingsgebied is computertechnologie. Dankzij nanobuisjes ontstaan vooral platte displays. Ze kunnen worden gebruikt om aanzienlijk te verminderen:de algehele afmetingen van de computer zelf, evenals de technische prestaties verbeteren. De afgewerkte apparatuur zal meerdere malen superieur zijn aan de huidige technologieën. Op basis van deze onderzoeken kunnen hoogspanningskinescopen worden gemaakt.
Na verloop van tijd zullen buizen niet alleen worden gebruikt in de elektronica, maar ook in de medische en energiesector.
Productie
Koolstofbuizen, waarvan de productie over de twee typen is verdeeld, is ongelijk verdeeld.
MWNT's maken dus veel meer dan SWNT's. Het tweede type wordt gedaan in geval van dringende behoefte. Verschillende bedrijven produceren constant koolstofnanobuisjes. Maar er is praktisch geen vraag naar, omdat hun kosten te hoog zijn.
Productieleiders
Tegenwoordig wordt de leidende plaats in de productie van koolstofnanobuisjes ingenomen door Aziatische landen, waarvan de productiecapaciteit 3 keer hoger is dan in andere landen van Europa en Amerika. Japan houdt zich met name bezig met de vervaardiging van MWNT. Maar andere landen, zoals Korea en China, doen niet onder voor deze indicator.
Productie in Rusland
Binnenlandse productie van koolstofnanobuisjes blijft ver achter bij andere landen. In feite hangt het allemaal af van de kwaliteit van het onderzoek op dit gebied. Het wijst niet voldoende financiële middelen toe om wetenschappelijke en technologische centra in het land te creëren. Veel mensen accepteren ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie niet omdat ze niet weten hoe deze in de industrie kan worden toegepast. Daarom is de transitie van de economiehet nieuwe pad is best moeilijk.
Daarom heeft de president van Rusland een decreet uitgevaardigd dat de ontwikkeling aangeeft van verschillende gebieden van nanotechnologie, inclusief koolstofelementen. Voor deze doeleinden werd een speciaal programma voor de ontwikkeling en productie van onze eigen technologieën gecreëerd.
Om aan alle punten van de bestelling te voldoen, is het bedrijf Rosnanotech opgericht. Voor de werking ervan werd een aanzienlijk bedrag uit de staatsbegroting toegewezen. Zij is het die het proces van ontwikkeling, productie en introductie van koolstofnanobuizen in de industriële sfeer moet beheersen. Het toegewezen bedrag zal worden besteed aan de oprichting van verschillende onderzoeksinstituten en laboratoria, en zal ook de bestaande prestaties van binnenlandse wetenschappers versterken. Ook zullen deze fondsen worden gebruikt om hoogwaardige apparatuur aan te schaffen voor de productie van koolstofnanobuisjes. Het is ook de moeite waard om voor die apparaten te zorgen die de menselijke gezondheid beschermen, aangezien dit materiaal veel ziekten veroorzaakt.
Zoals eerder vermeld, is het hele probleem om fondsen te werven. De meeste beleggers willen niet investeren in onderzoek en ontwikkeling, vooral niet voor een lange tijd. Alle ondernemers willen winst zien, maar nanoontwikkeling kan jaren duren. Dit stoot vertegenwoordigers van het midden- en kleinbedrijf af. Bovendien zal het zonder overheidsinvesteringen niet mogelijk zijn om de productie van nanomaterialen volledig op gang te brengen.
Een ander probleemis het ontbreken van een wettelijk kader, aangezien er geen intermediair verband bestaat tussen verschillende bedrijfsfasen. Daarom vereisen koolstofnanobuizen, waarvan de productie in Rusland niet veel gevraagd is, niet alleen financiële, maar ook mentale investeringen. Tot dusver is de Russische Federatie verre van Aziatische landen, die leidend zijn in de ontwikkeling van nanotechnologie.
Tegenwoordig vinden ontwikkelingen in deze industrie plaats op de chemische afdelingen van verschillende universiteiten in Moskou, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk en Kazan. De toonaangevende fabrikanten van koolstofnanobuisjes zijn het bedrijf Granat en de Komsomolets-fabriek in Tambov.
Goede en slechte kanten
Een van de voordelen zijn de speciale eigenschappen van koolstofnanobuisjes. Het is een duurzaam materiaal dat niet bezwijkt onder invloed van mechanische invloeden. Bovendien werken ze goed voor buigen en strekken. Dit wordt mogelijk gemaakt door de gesloten framestructuur. Hun toepassing is niet beperkt tot één branche. De buizen worden gebruikt in auto's, elektronica, medicijnen en energie.
Een groot nadeel is de negatieve impact op de menselijke gezondheid.
Deeltjes van nanobuisjes, die het menselijk lichaam binnendringen, leiden tot het ontstaan van kwaadaardige tumoren en kanker.
De essentiële kant is de financiering van deze industrie. Veel mensen willen niet in wetenschap investeren, omdat het lang duurt om winst te maken. En zonder het functioneren van onderzoekslaboratoria, de ontwikkeling van nanotechnologieonmogelijk.
Conclusie
Koolstofnanobuisjes spelen een belangrijke rol in innovatieve technologieën. Veel experts voorspellen de groei van deze industrie in de komende jaren. De productiecapaciteit zal aanzienlijk toenemen, wat zal leiden tot een daling van de kosten van goederen. Nu de prijs da alt, zal er veel vraag zijn naar buizen en zullen ze een onmisbaar materiaal worden voor veel apparaten en apparatuur.
Dus we hebben ontdekt wat deze producten zijn.
