Energeetika on oluline tööstusharu, mis mängib inimelus tohutut rolli. Riigi energiaseisund sõltub paljude selle valdkonna teadlaste tööst. Täna otsivad nad alternatiivseid energiaallikaid. Nendel eesmärkidel on nad valmis kasutama kõike, alustades päikesevalgusest ja veest ning lõpetades õhu energiaga. Seadmed, mis suudavad keskkonnast energiat toota, on kõrgelt hinnatud.
Üldine teave
Süsinik-nanotorud on silindrilise kujuga pikendatud v altsitud grafiiditasapinnad. Reeglina ulatub nende paksus mitmekümne nanomeetrini, pikkusega mitu sentimeetrit. Nanotorude otsas moodustub sfääriline pea, mis on fullereeni üks osadest.
Süsiniknanotorusid on kahte tüüpi: metall ja pooljuht. Nende peamine erinevus on voolu juhtivus. Esimene tüüp suudab juhtida voolu temperatuuril, mis on võrdne 0ºС, ja teine - ainult kõrgendatud temperatuuril.
Süsinik-nanotorud: omadused
Enamikkaasaegsed valdkonnad, nagu rakenduskeemia või nanotehnoloogia, on seotud nanotorudega, millel on süsiniku raami struktuur. Mis see on? See struktuur viitab suurtele molekulidele, mis on omavahel seotud ainult süsinikuaatomite kaudu. Süsiniknanotorud, mille omadused põhinevad suletud kestal, on kõrgelt hinnatud. Lisaks on need koosseisud silindrilise kujuga. Selliseid torusid saab hankida grafiitlehe voltimisel või kasvatada teatud katalüsaatorist. Süsiniknanotorudel, mille fotod on esitatud allpool, on ebatavaline struktuur.
Neid on erineva kuju ja suurusega: ühekihilised ja mitmekihilised, sirged ja looklevad. Vaatamata sellele, et nanotorud näevad üsna haprad välja, on nad tugeva materjaliga. Paljude uuringute tulemusena leiti, et neil on sellised omadused nagu venitus ja painutamine. Tõsise mehaanilise koormuse mõjul elemendid ei rebene ega purune, see tähendab, et nad võivad kohaneda erinevate pingetega.
Toksilisus
Mitme uuringute tulemusena leiti, et süsinik-nanotorud võivad põhjustada samu probleeme, mis asbestikiud ehk tekivad erinevad pahaloomulised kasvajad, aga ka kopsuvähk. Asbesti negatiivse mõju määr sõltub selle kiudude tüübist ja paksusest. Kuna süsinik-nanotorud on väikese kaalu ja suurusega, satuvad nad õhuga kergesti inimkehasse. Lisaks sisenevad nad rinnakelmesse ja rindkeresse ning aja jooksulpõhjustada erinevaid tüsistusi. Teadlased viisid läbi katse ja lisasid hiirte toidule nanotorude osakesi. Väikese läbimõõduga tooted kehas praktiliselt ei püsinud, kuid suuremad kaevasid mao seintesse ja põhjustasid erinevaid haigusi.
Meetodite hankimine
Tänapäeval on süsiniknanotorude saamiseks järgmised meetodid: kaarlaeng, ablatsioon, aurustamine-sadestamine.
Elektrikaarlahendus. Elektrilaengu plasmas saamine (süsinik-nanotorusid kirjeldatakse käesolevas artiklis), mis põleb heeliumi abil. Sellist protsessi saab läbi viia fullereenide tootmiseks mõeldud spetsiaalsete tehniliste seadmete abil. Kuid selle meetodi puhul kasutatakse muid kaarepõletusviise. Näiteks väheneb voolutihedus ja kasutatakse ka tohutu paksusega katoode. Heeliumi atmosfääri loomiseks on vaja selle keemilise elemendi rõhku tõsta. Süsiniknanotorud saadakse pihustamise teel. Nende arvu suurendamiseks on vaja grafiitvarda sisse viia katalüsaator. Enamasti on see erinevate metallirühmade segu. Lisaks muutub rõhk ja pihustusmeetod. Nii saadakse katoodladestus, kus moodustuvad süsiniknanotorud. Valmistooted kasvavad katoodiga risti ja kogutakse kimpudesse. Need on 40 µm pikad.
Ablatsioon. Selle meetodi leiutas Richard Smalley. Selle olemus on erinevate grafiidipindade aurustamine kõrgel temperatuuril töötavas reaktoris. Süsiniknanotorud tekivad põhjas oleva grafiidi aurustumise tulemusenareaktori osad.
Need jahutatakse ja kogutakse jahutuspinna abil. Kui esimesel juhul oli elementide arv 60%, siis selle meetodi puhul suurenes see arv 10%. Laserabsolatsioonimeetodi maksumus on kõigist teistest kallim. Reeglina saadakse ühe seinaga nanotorud reaktsioonitemperatuuri muutmisega.
Ladestumine gaasifaasist. Süsinikuaurude sadestamise meetod leiutati 50ndate lõpus. Kuid keegi isegi ei kujutanud ette, et sellega on võimalik saada süsiniknanotorusid. Niisiis, kõigepe alt peate pinna katalüsaatoriga ette valmistama. Selleks võivad olla väikesed osakesed erinevatest metallidest, näiteks koob alt, nikkel ja paljud teised. Katalüsaatorikihist hakkavad välja tulema nanotorud. Nende paksus sõltub otseselt katalüüsiva metalli suurusest. Pind kuumutatakse kõrge temperatuurini ja seejärel suunatakse süsinikku sisaldav gaas. Nende hulgas on metaan, atsetüleen, etanool jne. Ammoniaak toimib täiendava tehnilise gaasina. See nanotorude saamise meetod on kõige levinum. Protsess ise toimub erinevates tööstusettevõtetes, mille tõttu kulub suure hulga torude valmistamiseks vähem rahalisi vahendeid. Selle meetodi teine eelis on see, et vertikaalseid elemente saab saada mis tahes metalliosakestest, mis toimivad katalüsaatorina. Saamine (süsiniknanotorusid kirjeldatakse igast küljest) sai võimalikuks tänu Suomi Iijima uuringutele, kesmikroskoobi all vaadeldakse nende välimust süsiniku sünteesi tulemusena.
Peamised liigid
Süsinikelemendid klassifitseeritakse kihtide arvu järgi. Lihtsaim tüüp on ühe seinaga süsiniknanotorud. Igaüks neist on umbes 1 nm paksune ja nende pikkus võib olla palju pikem. Kui arvestada struktuuri, näeb toode välja nagu grafiidi pakkimine kuusnurkse võrega. Selle ülaosas on süsinikuaatomid. Seega on toru silindri kuju, millel pole õmblusi. Seadmete ülemine osa on suletud fullereeni molekulidest koosnevate katetega.
Järgmine vaade on mitmekihilised süsiniknanotorud. Need koosnevad mitmest grafiidikihist, mis on volditud silindrikujuliseks. Nende vaheline kaugus on 0,34 nm. Seda tüüpi struktuuri kirjeldatakse kahel viisil. Esimese järgi on mitmekihilised torud mitmed üksteises pesastunud ühekihilised torud, mis näevad välja nagu pesanukk. Teise järgi on mitmekihilised nanotorud mitu korda enda ümber keerduv grafiidileht, mis näeb välja nagu kokkuvolditud ajaleht.
Süsinik-nanotorud: rakendused
Elements on nanomaterjalide klassi absoluutselt uus esindaja.
Nagu varem mainitud, on neil raami struktuur, mis erineb omaduste poolest grafiidist või teemandist. Seetõttu kasutatakse neid palju sagedamini kui muid materjale.
Oma omaduste, nagu tugevus, paindumine, juhtivus, tõttu kasutatakse seda paljudes valdkondades:
- polümeeride lisandina;
- valgustusseadmete, aga ka telekommunikatsioonivõrkude lameekraanide ja mobiiltelefonide katalüsaator;
- elektromagnetlainete neelajana;
- energia muundamiseks;
- anoodide tootmine erinevat tüüpi akudele;
- vesinikuhoidla;
- andurite ja kondensaatorite tootmine;
- komposiitide tootmine ning nende struktuuri ja omaduste tugevdamine.
Palju aastaid on teadusuuringutes kasutatud süsiniknanotorusid, mille kasutusala ei piirdu ühe konkreetse tööstusharuga. Sellisel materjalil on turul nõrk positsioon, kuna suuremahulise tootmisega on probleeme. Teine oluline punkt on süsiniknanotorude kõrge hind, mis on ligikaudu 120 dollarit sellise aine grammi kohta.
Neid kasutatakse põhielemendina paljude komposiitide tootmisel, mida kasutatakse paljude spordikaupade valmistamiseks. Teine tööstusharu on autotööstus. Süsinik-nanotorude funktsionaliseerimine selles piirkonnas väheneb nii, et polümeeridele antakse juhtivad omadused.
Nanotorude soojusjuhtivus on piisav alt kõrge, et neid saaks kasutada erinevate massiivsete seadmete jahutusseadmena. Neid kasutatakse ka otsikute valmistamiseks, mis kinnitatakse sonditorude külge.
Kõige olulisem rakendusvaldkond on arvutitehnoloogia. Tänu nanotorudele luuakse eriti lamedaid kuvareid. Nende abil saab oluliselt vähendadaarvuti enda üldmõõtmed, samuti suurendada selle tehnilist jõudlust. Valmis seadmed on mitu korda paremad kui praegused tehnoloogiad. Nende uuringute põhjal saab luua kõrgepinge kineskoope.
Aja jooksul hakatakse torusid kasutama mitte ainult elektroonikas, vaid ka meditsiinis ja energeetikas.
Tootmine
Süsiniktorud, mille toodang jaguneb kahe tüübi vahel, on jaotunud ebaühtlaselt.
Seega toodavad MWNT-d palju rohkem kui SWNT-d. Teist tüüpi tehakse kiireloomulise vajaduse korral. Erinevad ettevõtted toodavad pidev alt süsiniknanotorusid. Kuid need pole praktiliselt nõutud, kuna nende maksumus on liiga kõrge.
Tootmisliidrid
Tänapäeval on süsiniknanotorude tootmisel juhtival kohal Aasia riigid, mille tootmisvõimsus on 3 korda suurem kui teistes Euroopa ja Ameerika riikides. Eelkõige tegeleb Jaapan MWNT tootmisega. Kuid teised riigid, nagu Korea ja Hiina, ei jää selle näitaja poolest alla.
Tootmine Venemaal
Süsiniknanotorude kodumaine tootmine jääb teistest riikidest kõvasti maha. Tegelikult oleneb kõik selle valdkonna uurimistöö kvaliteedist. Ta ei eralda piisav alt rahalisi vahendeid teadus- ja tehnoloogiakeskuste loomiseks riigis. Paljud inimesed ei aktsepteeri nanotehnoloogia valdkonna arenguid, sest nad ei tea, kuidas seda tööstuses kasutada saab. Seega majanduse üleminekuus tee on üsna raske.
Seetõttu andis Venemaa president välja dekreedi, mis viitab nanotehnoloogia erinevate valdkondade, sealhulgas süsinikelementide arengule. Nendel eesmärkidel loodi spetsiaalne programm meie oma tehnoloogiate arendamiseks ja tootmiseks.
Kõigi tellimuse punktide täitmiseks loodi ettevõte Rosnanotech. Selle toimimiseks eraldati riigieelarvest märkimisväärne summa. Just tema peaks kontrollima süsiniknanotorude arendamise, tootmise ja tööstussfääri toomise protsessi. Eraldatud summa kulub erinevate uurimisinstituutide ja laborite loomiseks ning tugevdab ka kodumaiste teadlaste senist saavutust. Samuti ostetakse neid vahendeid kvaliteetsete seadmete ostmiseks süsiniknanotorude tootmiseks. Samuti tasub hoolitseda nende seadmete eest, mis kaitsevad inimeste tervist, kuna see materjal põhjustab palju haigusi.
Nagu varem mainitud, on kogu probleem raha kogumises. Enamik investoreid ei soovi investeerida teadus- ja arendustegevusse, eriti pik alt. Kõik ärimehed tahavad kasumit näha, kuid nanoarendus võib kesta aastaid. Just see tõrjub väikeste ja keskmise suurusega ettevõtete esindajaid. Lisaks ei ole ilma valitsuse investeeringuteta võimalik nanomaterjalide tootmist täielikult käivitada.
Veel üks probleemon õigusliku raamistiku puudumine, kuna puudub vahepealne seos äritegevuse erinevate etappide vahel. Seetõttu nõuavad süsiniknanotorud, mille tootmine Venemaal ei ole nõutud, mitte ainult rahalisi, vaid ka vaimseid investeeringuid. Seni on Venemaa Föderatsioon kaugel Aasia riikidest, mis on nanotehnoloogia arengus juhtpositsioonil.
Tänapäeval toimuvad selle valdkonna arendused Moskva, Tambovi, Peterburi, Novosibirski ja Kaasani erinevate ülikoolide keemiaosakondades. Juhtivad süsiniknanotorude tootjad on Granati ettevõte ja Komsomoletsi tehas Tambovis.
Head ja halvad küljed
Eeliste hulgas on süsiniknanotorude erilised omadused. Need on vastupidavad materjalid, mis ei vaju mehaaniliste mõjude mõjul kokku. Lisaks sobivad need hästi painutamiseks ja venitamiseks. Seda võimaldab suletud raami struktuur. Nende rakendus ei piirdu ühe tööstusharuga. Torusid kasutatakse autotööstuses, elektroonikas, meditsiinis ja energeetikas.
Suureks puuduseks on negatiivne mõju inimeste tervisele.
Nanotorude osakesed, mis satuvad inimkehasse, põhjustavad pahaloomuliste kasvajate ja vähi teket.
Oluline pool on selle tööstuse rahastamine. Paljud inimesed ei taha teadusesse investeerida, sest kasumi teenimine võtab kaua aega. Ja ilma uurimislaborite toimimiseta nanotehnoloogia arengvõimatu.
Järeldus
Süsiniknanotorudel on uuenduslikes tehnoloogiates oluline roll. Paljud eksperdid ennustavad selle valdkonna kasvu lähiaastatel. Tootmisvõimsused kasvavad oluliselt, mis toob kaasa kaupade omahinna languse. Hindade langedes on torude järele suur nõudlus ning neist saab paljude seadmete ja seadmete asendamatu materjal.
Nii, saime teada, mis need tooted on.
