Вугляродныя нанатрубкі: вытворчасць, прымяненне, ўласцівасці

Энергетыка з'яўляецца важнай галіной прамысловасці, якая адыгрывае вялікую ролю ў жыцці чалавека. Энергетычнае стан у краіне залежыць ад працы шматлікіх вучоных у гэтай галіне. На сённяшні дзень яны займаюцца пошукам альтэрнатыўных крыніц энергіі. Для гэтых мэтаў яны гатовыя выкарыстоўваць усё што заўгодна, пачынаючы сонечным святлом і вадой, заканчваючы энергіяй паветра. Тое абсталяванне, якое здольнае выпрацоўваць энергію з навакольнага асяроддзя, вельмі шануецца.

Агульныя звесткі

Вугляродныя нанатрубкі - гэта працяглыя згорнутыя графітавыя плоскасці, якія маюць цыліндрычную форму. Як правіла, таўшчыня іх дасягае некалькіх дзесяткаў нанаметраў, з даўжынёй у некалькі сантыметраў. На канцы нанотрубок утворыцца сферычная галоўка, якая з'яўляецца адной з частак Фуллер.

Існуюць такія тыпы вугляродных нанотрубок: металічныя і паўправадніковыя. Галоўным іх адрозненнем з'яўляецца праводнасць току. Першы выгляд можа праводзіць ток пры тэмпературы, роўнай 0ºС, а другі - толькі пры падвышаных тэмпературах.

Вугляродныя нанатрубкі: ўласцівасці

Большасць сучасных напрамкаў, такіх як прыкладная хімія або нанатэхналогіі, звязаныя з нанатрубкі, якія маюць вугляродныя каркасную структуру. Што гэта такое? Пад дадзенай структурай маюць на ўвазе вялікія малекулы, звязаныя паміж сабой толькі атамамі вугляроду. Вугляродныя нанатрубкі, ўласцівасці якіх заснаваныя на замкнёнай выглядзе абалонкі, вельмі цэняцца. Акрамя таго, дадзеныя адукацыі маюць цыліндрычную форму. Такія трубкі могуць атрымлівацца шляхам згортвання графітавага ліста, альбо расці з пэўнага каталізатара. Вугляродныя нанатрубкі, фота якіх прадстаўлены ніжэй, маюць незвычайную структуру. Яны бываюць розных формаў і памераў: аднаслаёвыя і шматслойныя, прамыя і звілістыя. Нягледзячы на тое, што нанатрубкі выглядаюць даволі далікатнымі, яны з'яўляюцца трывалым матэрыялам. У выніку шматлікіх даследаванняў было высветлена, што ім уласцівыя такія ўласцівасці, як расцяжэнне і выгін. Пры дзеянні сур'ёзных механічных нагрузак, элементы не рвуцца і ня ламаюцца, гэта значыць могуць падладжвацца пад розны напружанне.

таксічнасць

У выніку множных даследаванняў было высветлена, што вугляродныя нанатрубкі могуць выклікаць такія ж праблемы, як і азбеставыя валакна, гэта значыць узнікаюць розныя злаякасныя пухліны, а таксама рак лёгкіх. Ступень адмоўнага ўплыву азбесту залежыць ад тыпу і таўшчыні яго валокнаў. Так як вугляродныя нанатрубкі маюць маленькі вага і памеры, яны лёгка трапляюць у арганізм чалавека разам з паветрам. Далей, яны трапляюць у плевру і ўваходзяць у грудную клетку, і з часам выклікаюць розныя ўскладненні. Навукоўцы правялі эксперымент, і дадалі ў ежу мышэй часцінкі нанотрубок. Вырабы малога дыяметра практычна не затрымліваліся ў арганізме, а вось больш буйныя - ўпіваліся ў сценкі страўніка і выклікалі розныя захворванні.

метады атрымання

На сённяшні дзень існуюць наступныя метады атрымання вугляродных нанотрубок: дуговой зарад, абляцыя, асаджэнне з газавай фазы.

Электрадугавой разрад. Атрыманне (вугляродныя нанатрубкі апісваюцца ў дадзеным артыкуле) у плазме электрычнага зарада, які гарыць з ужываннем гелія. Такі працэс можа выконвацца пры дапамозе адмысловага тэхнічнага абсталявання для атрымання фуллеренов. Але пры дадзеным спосабе выкарыстоўваюцца іншыя рэжымы гарэння дугі. Напрыклад, шчыльнасць току паніжаецца, а таксама выкарыстоўваюць катоды велізарных таўшчынь. Для стварэння атмасферы з гелія неабходна павысіць ціск гэтага хімічнага элемента. Вугляродныя нанатрубкі атрымліваюцца метадам распылення. Каб іх колькасць павялічылася, неабходна ўвесці ў графітавых стрыжань каталізатар. Часцей за ўсё гэта сумесь розных груп металу. Далей, адбываецца змена ціску і спосабу распылення. Такім чынам, атрымліваецца катодны асадак, дзе і ўтвараюцца вугляродныя нанатрубкі. Гатовыя вырабы растуць перпендыкулярна ад катода і збіраюцца ў пучкі. Яны маюць даўжыню 40 мкм.

Аблясация. Такі спосаб быў прыдуманы Рычардам Смалли. Сутнасць яго складаецца ў тым, каб выпарацца розныя графітавыя паверхні ў рэактары, які працуе пры высокіх тэмпературах. Вугляродныя нанатрубкі ўтвараюцца ў выніку выпарэння графіту на ніжняй частцы рэактара. Астуджэнне і збор іх адбываецца пры дапамозе астуджальнай паверхні. Калі ў першым выпадку, колькасць элементаў было роўна 60%, то пры дадзеным спосабе лічба павялічылася на 10%. Кошт метаду лазернай абсоляции даражэй, чым усе астатнія. Як правіла, атрымліваюць аднаслаёвыя нанатрубкі дзякуючы змене тэмпературы рэакцыі.

Асаджэнне з газавай фазы. Метад аблогі пароў вугляроду быў прыдуманы ў канцы 50-х гадоў. Але ніхто нават і не меркаваў, што з дапамогай яго можна атрымліваць вугляродныя нанатрубкі. Такім чынам, для пачатку неабходна падрыхтаваць паверхню з каталізатарам. У якасці яго могуць служыць дробныя часціцы розных металаў, напрыклад, кобальту, нікеля і многіх іншых. Нанатрубкі пачынаюць з'яўляцца з пласта каталізатара. Іх таўшчыня напрамую залежыць ад памеру каталізуе металу. Паверхню награваецца да высокіх тэмператур, а затым адбываецца фурманак газу, які змяшчае вуглярод. Сярод іх - метан, ацетелен, этанол і т. Д. У якасці дадатковага тэхнічнага газу служыць аміяк. Дадзены спосаб атрымання нанотрубок з'яўляецца самым распаўсюджаным. Сам працэс адбываецца на розных прамысловых прадпрыемствах, дзякуючы чаму затрачваецца менш фінансавых сродкаў для вырабу вялікай колькасці трубак. Яшчэ адным перавагай такога метаду з'яўляецца тое, што вертыкальныя элементы могуць атрымацца з любых часціц металу, служачых каталізатарам. Атрыманне (вугляродныя нанатрубкі апісваюцца з усіх бакоў) стала магчымым дзякуючы даследаванням Суомі Ииджима, які назіраў пад мікраскопам за іх з'яўленнем у выніку сінтэзу вугляроду.

асноўныя віды

Вугляродныя элементы класіфікуюць па колькасці слаёў. Самы просты выгляд - одностенные вугляродныя нанатрубкі. Кожная з іх мае таўшчыню прыкладна 1 нм, прычым іх даўжыня можа быць нашмат больш. Калі разглядаць будынак, то выраб выглядае як абкручванне графіту з дапамогай шасцікутнай сеткі. У яе вяршынях размешчаны атамы вугляроду. Такім чынам, трубка мае форму цыліндру, у якога няма швоў. Верхняя частка прылад зачыняецца вечкамі, якія складаюцца з малекул Фуллер.

Наступны выгляд - шматслойныя вугляродныя нанатрубкі. Яны складаюцца з некалькіх слаёў графіту, якія складзеныя ў форму цыліндру. Паміж імі вытрымліваецца адлегласць у 0,34 нм. Структуру дадзенага тыпу апісваюць з дапамогай двух спосабаў. Па першым, шматслойныя трубкі - гэта некалькі ўкладзеных сябар у сябра аднаслаёвых трубак, што падобна на матрошку. Па другім, шматслойныя нанатрубкі ўяўляюць сабой ліст графіту, які некалькі разоў абгортваецца вакол сябе, што падобна на згорнутую газету.

Вугляродныя нанатрубкі: прымяненне

Элементы з'яўляюцца абсалютным новым прадстаўніком класа нанаматэрыялаў. Як гаварылася раней, яны маюць каркасную структуру, якая па ўласцівасцях адрозніваецца ад графіту або дыямента. Менавіта таму і ўжываюцца значна часцей, чым астатнія матэрыялы.

Дзякуючы такім характарыстыках, як трываласць, выгіб, праводнасць, выкарыстоўваюцца ў многіх галінах:

• у якасці дадаткаў да палімерах;
• каталізатарам для асвятляльных прылад, а таксама плоскіх дысплеяў і трубак ў тэлекамунікацыйных сетках;
• ў якасці паглынальнік электрамагнітных хваль;
• для пераўтварэння энергіі;
• вырабу анодам ў розных відах батарэек;
• захоўвання вадароду;
• вырабу датчыкаў і кандэнсатараў;
• вытворчасці кампазітаў і ўзмацнення іх структуры і уласцівасцяў.

На працягу многіх гадоў вугляродныя нанатрубкі, ужыванне якіх не абмяжоўваецца адной пэўнай галіной, выкарыстоўваюцца ў навуковых даследаваннях. Такі матэрыял мае слабыя пазіцыі на рынку, так як існуюць праблемы з маштабным вытворчасцю. Яшчэ адным важным момантам з'яўляецца вялікая кошт вугляродных нанотрубок, якая складае прыкладна 120 даляраў за адзін грам такога рэчыва.

Яны ўжываюцца як асноўны элемент для вытворчасці многіх кампазітаў, якія выкарыстоўваюцца для вырабу шматлікіх спартовых тавараў. Яшчэ адна галіна -автомобилестроение. Функционализация вугляродных нанотрубок ў дадзенай галіне зводзіцца да надзяленню палімераў праводзяць ўласцівасцямі.

Каэфіцыент цеплаправоднасці нанотрубок досыць высокі, таму іх можна выкарыстоўваць у якасці астуджальнага прылады для рознага масіўнага абсталявання. Таксама з іх вырабляюць наканечнікі, якія далучаюцца да зондавага трубах.

Найважнейшай галіной прымянення з'яўляюцца камп'ютэрныя тэхналогіі. Дзякуючы нанатрубкі ствараюцца асабліва плоскія дысплеі. Пры дапамозе іх можна істотна паменшыць габарытныя памеры самога кампутара, а таксама павялічыць яго тэхнічныя паказчыкі. Гатовае абсталяванне будзе ў некалькі разоў пераўзыходзіць цяперашнія тэхналогіі. На аснове гэтых даследаванняў можна стварыць высакавольтныя кінескопы.

З часам, трубкі будуць выкарыстоўвацца не толькі ў электроніцы, але і медыцынскіх і энергетычных сферах.

вытворчасць

Вугляродныя трубкі, вытворчасць якіх размеркавана паміж двума іх відамі, размеркавана нераўнамерна. Гэта значыць, MWNT вырабляюць нашмат больш, чым SWNT. Другі выгляд робяць у выпадку вострай неабходнасці. Розныя фірмы пастаянна вырабляюць вугляродныя нанатрубкі. Але попытам яны практычна не карыстаюцца, бо іх кошт завышаны.

лідэры вытворчасці

На сёння вядучае месца ў вытворчасці вугляродных нанотрубок займаюць краіны Азіі, вытворчыя магчымасці якіх вышэй у 3 разы, чым у іншых краінах Еўропы і Амерыкі. У прыватнасці, вырабам MWNT займаецца Японія. Але іншыя краіны, такія як Карэя і Кітай, ніяк не саступаюць ў гэтым паказчыку.

Вытворчасць у Расіі

Айчынную вытворчасць вугляродных нанотрубок істотна адстае ад іншых краін. На самай справе ўсё залежыць ад якасці праводзяцца даследаванняў у дадзенай вобласці. Тут не выдзяляецца дастаткова фінансавых сродкаў для стварэння навукова-тэхналагічных цэнтраў у краіне. Многія людзі не ўспрымаюць распрацоўкі ў галіне нанатэхналогій, таму што не ведаюць, як гэта можна выкарыстаць у прамысловасці. Таму пераход эканомікі на новую сцежку праходзіць даволі складана.

Таму прэзідэнтам Расіі быў выдадзены ўказ, у якім паказваюцца шляхі развіцця розных абласцей нанатэхналогій, у тым ліку і вугляродных элементаў. Для гэтых мэтаў была створана адмысловая праграма развіцця і вытворчасці ўласных тэхналогій. Каб усе пункты загаду выконваліся, была створана кампанія «Роснанотех». На яе функцыянаванне была выдзелена істотная сума з дзяржаўнага бюджэту. Менавіта яна павінна кантраляваць працэс распрацоўкі, вытворчасці і ўкаранення ў прамысловую сферу вугляродных нанатрубак. Выдзеленая сума выдаткавацца на стварэнне розных навукова-даследчых інстытутаў і лабараторый, а таксама дасць магчымасць умацаваць ужо існуючыя напрацоўкі айчынных навукоўцаў. Таксама гэтыя сродкі пойдуць на закупку высакаякаснага абсталявання для атрымання вугляродных нанотрубок. Варта таксама паклапаціцца пра тых прынадах, якія будуць абараняць здароўе чалавека, так як дадзены матэрыял выклікае мноства хвароб.

Як гаварылася раней, уся праблема складаецца ў прыцягненні сродкаў. Большасць інвестараў не хочуць ўкладвацца ў навуковыя распрацоўкі, тым больш на доўгі час. Усе бізнесмены хочуць бачыць прыбытак, але наноразработки могуць ісці гадамі. Менавіта гэта адштурхвае прадстаўнікоў малога і сярэдняга бізнесу. Акрамя таго, без дзяржаўнага інвеставання не атрымаецца ў поўнай меры запусціць вытворчасць нанаматэрыялаў. Яшчэ адной праблемай з'яўляецца адсутнасць прававой базы, так як няма прамежкавага звяна паміж рознымі ступенямі бізнесу. Таму вугляродныя нанатрубкі, вытворчасць у Расіі якіх не запатрабавана, патрабуюць не толькі фінансавых, але і разумовых укладанняў. Пакуль РФ далёкая ад краін Азіі, якія з'яўляюцца вядучымі ў распрацоўцы нанатэхналогій.

На сённяшні дзень распрацоўкамі ў дадзенай галіне займаюцца на хімічных факультэтах розных універсітэтаў Масквы, Тамбова, Санкт-Пецярбурга, Новасібірска і Казані. Вядучымі вытворцамі вугляродных нанотрубок з'яўляюцца фірма «Гранат» і Тамбоўскі завод «Камсамолец».

Станоўчыя і адмоўныя бакі

Сярод вартасцяў можна вылучыць асаблівыя ўласцівасці вугляродных нанотрубок. Яны з'яўляюцца трывалым матэрыялам, які пад дзеяннем механічных уздзеянняў не руйнуецца. Акрамя таго, яны добра працуюць на выгіб і расцяжэння. Гэта стала магчымым дзякуючы замкнёнай каркаснай структуры. Іх ужыванне не абмяжоўваецца адной галіной. Трубкі знайшлі прымяненне ў аўтамабілебудаванні, электроніцы, медыцыне і энергетыцы.

Велізарным недахопам з'яўляецца негатыўнае ўздзеянне на здароўе чалавека. Часцінкі нанотрубок, трапляючы ў арганізм чалавека, прыводзяць да ўзнікнення злаякасных пухлін і рака.

Істотнай бокам з'яўляецца фінансаванне гэтай галіны. Многія людзі не хочуць ўкладвацца ў навуку, так як для атрымання прыбытку неабходна шмат часу. А без функцыянавання навукова-даследчых лабараторый развіццё нанатэхналогій немагчыма.

заключэнне

Вугляродныя нанатрубкі гуляюць важную ролю ў інавацыйных тэхналогіях. Многія спецыялісты прагназуюць рост дадзенай галіны ў бліжэйшыя гады. Будзе назірацца значны рост вытворчых магчымасцяў, што прывядзе да зніжэння кошту на тавар. З памяншэннем кошту, трубкі будуць карыстацца вялікім попытам, і стануць незаменным матэрыялам для шматлікіх прылад і абсталявання.

Такім чынам, мы высветлілі, што сабой уяўляюць дадзеныя вырабы.