אנרגיה היא תעשייה חשובה שממלאת תפקיד עצום בחיי האדם. מצב האנרגיה של המדינה תלוי בעבודתם של מדענים רבים בתחום זה. היום הם מחפשים מקורות אנרגיה חלופיים. למטרות אלה, הם מוכנים להשתמש בכל דבר, החל מאור שמש ומים, וכלה באנרגיה של אוויר. ציוד שיכול להפיק אנרגיה מהסביבה מוערך מאוד.
מידע כללי
ננו-צינורות פחמן הם מטוסי גרפיט מגולגלים מורחבים בעלי צורה גלילית. ככלל, עובים מגיע לכמה עשרות ננומטרים, באורך של כמה סנטימטרים. בקצה הננו-צינורות נוצר ראש כדורי שהוא אחד מחלקי הפולרן.
ישנם שני סוגים של ננו-צינורות פחמן: מתכת ומוליך למחצה. ההבדל העיקרי ביניהם הוא מוליכות הזרם. הסוג הראשון יכול להוליך זרם בטמפרטורה השווה ל-0ºС, והשני - רק בטמפרטורות גבוהות.
ננו-צינוריות פחמן: נכסים
הרובאזורים מודרניים, כגון כימיה יישומית או ננוטכנולוגיה, קשורים לננו-צינורות, בעלי מבנה מסגרת פחמן. מה זה? מבנה זה מתייחס למולקולות גדולות המקושרות ביניהן רק על ידי אטומי פחמן. ננו-צינוריות פחמן, שתכונותיהן מבוססות על מעטפת סגורה, זוכות להערכה רבה. בנוסף, תצורות אלה יש צורה גלילית. ניתן להשיג צינורות כאלה על ידי קיפול יריעת גרפיט, או לגדול מזרז מסוים. ננו-צינוריות פחמן, שתמונותיהן מוצגות להלן, הן בעלות מבנה יוצא דופן.
הם מגיעים בצורות וגדלים שונים: חד-שכבתיים ורב-שכבתיים, ישרים ומתפתלים. למרות העובדה שננו-צינורות נראים שבריריים למדי, הם חומר חזק. כתוצאה ממחקרים רבים, נמצא שיש להם תכונות כמו מתיחה וכיפוף. תחת פעולה של עומסים מכניים רציניים, האלמנטים אינם נקרעים או נשברים, כלומר, הם יכולים להסתגל למתחים שונים.
רעילות
כתוצאה ממחקרים רבים, נמצא שננו-צינוריות פחמן עלולות לגרום לאותן בעיות כמו סיבי אסבסט, כלומר, מתרחשים גידולים ממאירים שונים, כמו גם סרטן ריאות. מידת ההשפעה השלילית של האסבסט תלויה בסוג ובעובי הסיבים שלו. מכיוון שצינורות פחמן קטנים במשקל ובגודל, הם נכנסים בקלות לגוף האדם עם אוויר. יתר על כן, הם נכנסים לצדר ונכנסים לבית החזה, ולאורך זמןלגרום לסיבוכים שונים. מדענים ערכו ניסוי והוסיפו חלקיקים של ננו-צינורות למזון של עכברים. מוצרים בקוטר קטן כמעט לא נשארו בגוף, אבל גדולים יותר חפרו בדפנות הקיבה וגרמו למחלות שונות.
קבלת שיטות
היום, קיימות השיטות הבאות להשגת ננו-צינורות פחמן: מטען קשת, אבלציה, שקיעת אדים.
פריקת קשת חשמלית. השגת (ננו-צינורות פחמן מתוארים במאמר זה) בפלזמה של מטען חשמלי, שנשרף עם השימוש בהליום. תהליך כזה יכול להתבצע באמצעות ציוד טכני מיוחד לייצור פולרנים. אבל בשיטה זו משתמשים במצבים אחרים של שריפת קשת. לדוגמה, צפיפות הזרם מופחתת, ומשתמשים גם בקתודות בעובי עצום. כדי ליצור אטמוספירה של הליום, יש צורך להגביר את הלחץ של יסוד כימי זה. ננו-צינוריות פחמן מתקבלות על ידי קיצוץ. כדי להגדיל את מספרם, יש צורך להכניס זרז למוט הגרפיט. לרוב מדובר בתערובת של קבוצות מתכות שונות. יתר על כן, חל שינוי בלחץ ובשיטת הריסוס. כך מתקבל מרבץ קתודי, שבו נוצרות ננו-צינוריות פחמן. מוצרים מוגמרים גדלים בניצב לקתודה ונאספים בחבילות. אורכם 40 מיקרומטר.
אבלציה. שיטה זו הומצאה על ידי ריצ'רד סמלי. המהות שלו היא אידוי משטחי גרפיט שונים בכור הפועל בטמפרטורות גבוהות. ננו-צינוריות פחמן נוצרות כתוצאה מהתאדות של גרפיט בתחתיתחלקים מהכור.
הם מקוררים ונאספים באמצעות משטח קירור. אם במקרה הראשון, מספר האלמנטים היה שווה ל-60%, אז בשיטה זו הנתון גדל ב-10%. העלות של שיטת ביטול הלייזר יקרה יותר מכל האחרות. ככלל, ננו-צינוריות חד-דפנות מתקבלות על ידי שינוי טמפרטורת התגובה.
תצהיר משלב הגז. שיטת שקיעת אדי הפחמן הומצאה בסוף שנות ה-50. אבל אף אחד אפילו לא תיאר לעצמו שאפשר להשיג בעזרתו ננו-צינוריות פחמן. אז, ראשית אתה צריך להכין את פני השטח עם זרז. חלקיקים קטנים של מתכות שונות, למשל, קובלט, ניקל ועוד רבים אחרים, יכולים לשמש אותו. ננו-צינורות מתחילים לצאת ממיטת הזרז. העובי שלהם תלוי ישירות בגודל המתכת המזרזת. פני השטח מחוממים לטמפרטורות גבוהות, ואז מסופק גז המכיל פחמן. ביניהם מתאן, אצטילן, אתנול וכו'. אמוניה משמשת כגז טכני נוסף. שיטה זו להשגת ננו-צינורות היא הנפוצה ביותר. התהליך עצמו מתרחש במפעלים תעשייתיים שונים, שבגללם מושקעים פחות משאבים כספיים לייצור מספר רב של צינורות. יתרון נוסף בשיטה זו הוא שניתן להשיג אלמנטים אנכיים מכל חלקיקי מתכת המשמשים כזרז. השגה (ננו-צינוריות פחמן מתוארות מכל עבר) התאפשרה הודות למחקר של Suomi Iijima, אשרנצפו תחת מיקרוסקופ על המראה שלהם כתוצאה מסינתזת פחמן.
מינים עיקריים
אלמנטים של פחמן מסווגים לפי מספר השכבות. הסוג הפשוט ביותר הוא ננו-צינורות פחמן בעלי דופן אחת. לכל אחד מהם עובי של כ-1 ננומטר, ואורכם יכול להיות ארוך בהרבה. אם ניקח בחשבון את המבנה, אז המוצר נראה כמו עטיפת גרפיט עם רשת משושה. בראשו נמצאים אטומי פחמן. לפיכך, לצינור יש צורה של גליל, שאין לו תפרים. החלק העליון של המכשירים סגור בכיסויים המורכבים ממולקולות פולרן.
התצוגה הבאה היא ננו-צינורות פחמן רב-שכבתיים. הם מורכבים מכמה שכבות של גרפיט, המקופלות לצורת גליל. מרחק של 0.34 ננומטר נשמר ביניהם. מבנה מסוג זה מתואר בשתי דרכים. לפי הראשון, צינורות רב-שכבתיים הם מספר צינורות חד-שכבתיים המקננים זה בזה, שנראים כמו בובת קינון. לפי השני, ננו-שכבות רב-שכבתיות הן יריעת גרפיט העוטפת את עצמה מספר פעמים, שנראית כמו עיתון מקופל.
ננו-צינוריות פחמן: יישומים
אלמנטים הם נציג חדש לחלוטין של מחלקת הננו-חומרים.
כפי שהוזכר קודם לכן, יש להם מבנה מסגרת, השונה בתכונות מגרפיט או יהלום. לכן משתמשים בהם לעתים קרובות יותר מאשר חומרים אחרים.
בשל מאפייניו כגון חוזק, כיפוף, מוליכות, הוא נמצא בשימוש בתחומים רבים:
- כתוספים לפולימרים;
- זרז עבור התקני תאורה, כמו גם צגים שטוחים ומכשירי טלפון ברשתות תקשורת;
- כמו בולם גלים אלקטרומגנטיים;
- להמרת אנרגיה;
- ייצור אנודות בסוגים שונים של סוללות;
- אחסון מימן;
- ייצור של חיישנים וקבלים;
- ייצור חומרים מרוכבים וחיזוק המבנה והמאפיינים שלהם.
במשך שנים רבות נעשה שימוש בצינורות פחמן, שיישומה אינו מוגבל לתעשייה מסוימת אחת, במחקר מדעי. לחומר כזה יש עמדה חלשה בשוק, שכן יש בעיות בייצור בקנה מידה גדול. נקודה חשובה נוספת היא העלות הגבוהה של ננו-צינוריות פחמן, שהיא כ-120 דולר לגרם של חומר כזה.
הם משמשים כמרכיב בסיסי לייצור חומרים מרוכבים רבים, המשמשים לייצור מוצרי ספורט רבים. ענף נוסף הוא תעשיית הרכב. הפונקציונליזציה של ננו-צינורות פחמן באזור זה מצטמצמת כדי להעניק לפולימרים תכונות מוליכות.
המוליכות התרמית של ננו-צינורות גבוהה מספיק כדי שיוכלו לשמש כמכשיר קירור לציוד מסיבי שונים. הם משמשים גם לייצור טיפים המחוברים לצינורות הבדיקה.
תחום היישומים החשוב ביותר הוא טכנולוגיית המחשב. הודות לננו-צינורות, נוצרים תצוגות שטוחות במיוחד. ניתן להשתמש בהם כדי להפחית באופן משמעותיהממדים הכוללים של המחשב עצמו, כמו גם להגדיל את הביצועים הטכניים שלו. הציוד המוגמר יהיה עדיף פי כמה על הטכנולוגיות הנוכחיות. בהתבסס על מחקרים אלה, ניתן ליצור קינסקופים במתח גבוה.
עם הזמן, צינורות ישמשו לא רק בתחום האלקטרוניקה, אלא גם בתחומי הרפואה והאנרגיה.
Production
צינורות פחמן, שייצורם מתחלק בין שני הסוגים, מחולקים בצורה לא אחידה.
אז MWNTs מרוויחים הרבה יותר מ-SWNTs. הסוג השני נעשה במקרה של צורך דחוף. חברות שונות מייצרות כל הזמן ננו-צינוריות פחמן. אבל הם כמעט לא מבוקשים, מכיוון שהעלות שלהם גבוהה מדי.
מובילי הפקה
היום, המקום המוביל בייצור ננו-צינוריות פחמן תופסות מדינות אסיה, שיכולות הייצור שלהן גבוהות פי 3 מאשר במדינות אחרות באירופה ובאמריקה. בפרט, יפן עוסקת בייצור של MWNT. אבל מדינות אחרות, כמו קוריאה וסין, אינן נחותות במדד זה.
ייצור ברוסיה
הייצור המקומי של ננו-צינוריות פחמן מפגר הרבה אחרי מדינות אחרות. למעשה, הכל תלוי באיכות המחקר בתחום זה. היא לא מקצה מספיק משאבים כספיים ליצירת מרכזים מדעיים וטכנולוגיים בארץ. אנשים רבים אינם מקבלים את הפיתוחים בתחום הננוטכנולוגיה כי הם אינם יודעים כיצד ניתן להשתמש בה בתעשייה. לכן, המעבר של המשקהנתיב החדש די קשה.
לכן, נשיא רוסיה הוציא צו, המצביע על התפתחותם של תחומים שונים של ננוטכנולוגיה, כולל יסודות פחמן. למטרות אלו נוצרה תוכנית מיוחדת לפיתוח וייצור של טכנולוגיות משלנו.
כדי למלא את כל נקודות ההזמנה, הוקמה חברת Rosnanotech. סכום משמעותי הוקצה מתקציב המדינה לתפקודו. היא זו שצריכה לשלוט בתהליך הפיתוח, הייצור והחדרה של ננו-צינוריות פחמן לתחום התעשייתי. הסכום המוקצה יוקדש להקמת מכוני מחקר ומעבדות שונות, וכן יחזק את ההישגים הקיימים של מדעני בית. כמו כן, כספים אלו ישמשו לרכישת ציוד איכותי לייצור ננו-צינוריות פחמן. כדאי גם לטפל באותם מכשירים שיגנו על בריאות האדם, שכן חומר זה גורם למחלות רבות.
כפי שצוין קודם לכן, כל הבעיה היא לגייס כספים. רוב המשקיעים לא רוצים להשקיע במחקר ופיתוח, במיוחד במשך זמן רב. כל אנשי העסקים רוצים לראות רווח, אבל פיתוח ננו יכול לקחת שנים. זה מה שדוחה נציגים של עסקים קטנים ובינוניים. בנוסף, ללא השקעה ממשלתית, לא ניתן יהיה להשיק באופן מלא את הייצור של ננו-חומרים.
בעיה נוספתהוא היעדר מסגרת חוקית, שכן אין קשר ביניים בין שלבים שונים בעסק. לכן, ננו-צינורות פחמן, שייצורם אינו מבוקש ברוסיה, דורשים לא רק השקעות כספיות, אלא גם נפשיות. עד כה, הפדרציה הרוסית רחוקה ממדינות אסיה, המובילות בפיתוח הננוטכנולוגיה.
היום, ההתפתחויות בתעשייה זו מתבצעות במחלקות הכימיות של אוניברסיטאות שונות במוסקבה, טמבוב, סנט פטרסבורג, נובוסיבירסק וקאזאן. היצרנים המובילים של ננו-צינורות פחמן הם חברת Granat ומפעל Komsomolets בטמבוב.
צדדים טובים ורעים
בין היתרונות הם התכונות המיוחדות של ננו-צינוריות פחמן. הם חומר עמיד שאינו קורס בהשפעת השפעות מכניות. בנוסף, הם עובדים היטב עבור כיפוף ומתיחה. זה מתאפשר על ידי מבנה המסגרת הסגורה. היישום שלהם אינו מוגבל לתעשייה אחת. הצינורות משמשים בתחום הרכב, האלקטרוניקה, הרפואה והאנרגיה.
חיסרון עצום הוא ההשפעה השלילית על בריאות האדם.
חלקיקי ננו-צינורות, הנכנסים לגוף האדם, מובילים להופעת גידולים ממאירים וסרטן.
הצד החיוני הוא המימון של התעשייה הזו. אנשים רבים לא רוצים להשקיע במדע, כי לוקח הרבה זמן להרוויח. וללא תפקוד מעבדות המחקר, פיתוח הננוטכנולוגיהבלתי אפשרי.
מסקנה
ננו-צינוריות פחמן ממלאות תפקיד חשוב בטכנולוגיות חדשניות. מומחים רבים צופים את הצמיחה של תעשייה זו בשנים הקרובות. תהיה עלייה משמעותית ביכולות הייצור, שתוביל לירידה בעלות הסחורה. עם ירידת המחיר, הצינורות יהיו מבוקשים מאוד, ויהפכו לחומר הכרחי עבור מכשירים וציוד רבים.
אז, גילינו מהם המוצרים האלה.
