Вуглецеві нанотрубки: виробництво, застосування, властивості

Енергетика є важливою галуззю промисловості, яка відіграє величезну роль у житті людини. Енергетичне стан у країні залежить від роботи багатьох вчених у даній галузі. На сьогоднішній день вони займаються пошуком альтернативних джерел енергії. Для цих цілей вони готові використати все що завгодно, починаючи сонячним світлом і водою, закінчуючи енергією повітря. Те обладнання, яке здатне виробляти енергію з навколишнього середовища, дуже цінується.

Загальні відомості

Вуглецеві нанотрубки — це протяжні згорнуті графітові площині, мають циліндричну форму. Як правило, товщина їх досягає декількох десятків нанометрів, з довжиною в кілька сантиметрів. На кінці нанотрубок утворюється сферична головка, яка є однією з частин фулерену.


Існують такі типи вуглецевих нанотрубок: металеві та напівпровідникові. Головним їх відмінністю є провідність струму. Перший вид може проводити струм при температурі, рівній 0?С, а другий — тільки при підвищених температурах.

Вуглецеві нанотрубки: властивості

Більшість сучасних напрямів, таких як прикладна хімія або нанотехнології, пов'язані з нанотрубками, які мають вуглецеву каркасну структуру. Що це таке? Під даною структурою мають на увазі великі молекули, пов'язані між собою тільки атомами вуглецю. Вуглецеві нанотрубки, властивості яких засновані на замкнутому вигляді оболонки, дуже цінуються. Крім того, ці утворення мають циліндричну форму. Такі трубки можуть отримуватися шляхом згортання графітового листа, або рости з певного каталізатора. Вуглецеві нанотрубки, фото яких представлені нижче, мають незвичайну структуру. Вони бувають різних форм і розмірів: одношарові і багатошарові, прямі і звивисті. Незважаючи на те, що нанотрубки виглядають досить крихкими, вони є міцним матеріалом. У результаті багатьох досліджень було з'ясовано, що їм притаманні такі властивості, як розтяг і вигин. При дії серйозних механічних навантажень, елементи не рвуться і не ламаються, тобто можуть підлаштовуватися під різне напруга.

Токсичність

У результаті численних досліджень було з'ясовано, що вуглецеві нанотрубки можуть викликати такі ж проблеми, як і азбестові волокна, тобто виникають різні злоякісні пухлини, а також рак легенів. Ступінь негативного впливу азбесту залежить від типу і товщини його волокон. Так як вуглецеві нанотрубки мають маленьку вагу і розміри, вони легко потрапляють в організм людини разом з повітрям. Далі, вони потрапляють в плевру і входять в грудну клітку, і з часом викликають різні ускладнення. Вчені провели експеримент, і додали в їжу мишей частинки нанотрубок. Вироби малого діаметра практично не затримувалися в організмі, а ось більш великі — впиналися в стінки шлунка і викликали різні захворювання.

Методи отримання

На сьогоднішній день існують наступні методи одержання вуглецевих нанотрубок: дуговим заряд, абляція, осадження з газової фази. Електродугового розряду. Отримання (вуглецеві нанотрубки описуються в цій статті) у плазмі електричного заряду, який горить із застосуванням гелію. Такий процес може виконуватися за допомогою спеціального технічного обладнання для отримання фулеренів. Але при даному способі використовуються інші режими горіння дуги. Наприклад, щільність струму знижується, а також використовують катоди величезних товщин. Для створення атмосфери з гелію необхідно підвищити тиск цього хімічного елемента. Вуглецеві нанотрубки отримуються методом розпилення. Щоб їх кількість збільшилася, необхідно ввести в графітовий стрижень каталізатор. Найчастіше це суміш різних груп металу. Далі, відбувається зміна тиску і способу розпилення. Таким чином, виходить катодний осад, де і утворюються вуглецеві нанотрубки. Готові вироби ростуть перпендикулярно від катода і збираються в пучки. Вони мають довжину 40 мкм.
Аблясация. Такий спосіб був винайдений Річардом Смалли. Суть його полягає в тому, щоб випаровувати різні графітові поверхні в реакторі, що працює при високих температурах. Вуглецеві нанотрубки утворюються в результаті випаровування графіту на нижній частини реактора. Охолодження і збір їх відбувається за допомогою охолоджуючої поверхні. Якщо в першому випадку, кількість елементів було одно 60%, то при даному способі цифра збільшилася на 10%. Вартість методу лазерної абсоляции дорожче, ніж всі інші. Як правило, отримують одношарові нанотрубки завдяки зміні температури реакції. Осадження з газової фази. Метод осадження парів вуглецю був винайдений в кінці 50-х років. Але ніхто навіть і не припускав, що за допомогою нього можна отримувати вуглецеві нанотрубки. Отже, для початку необхідно підготувати поверхню з каталізатором. В якості нього можуть служити дрібні частинки різних металів, наприклад, кобальту, нікелю і багатьох інших. Нанотрубки починають з'являтися з шару каталізатора. Їх товщина безпосередньо залежить від розміру каталізує металу. Поверхня нагрівається до високих температур, а потім відбувається підведення газу, що містить вуглець. Серед них - метан, ацетелен, етанол і т. д. якості додаткового технічного газу служить аміак. Даний спосіб отримання нанотрубок є найпоширенішим. Сам процес відбувається на різних промислових підприємствах, завдяки чому витрачається менше коштів для виготовлення великої кількості трубок. Ще однією перевагою такого методу є те, що вертикальні елементи можуть вийти з будь-яких частинок металу, службовців каталізатором. Отримання (вуглецеві нанотрубки описуються з усіх сторін) стало можливим завдяки дослідженням Суомі Ииджима, який спостерігав під мікроскопом за їх появою в результаті синтезу вуглецю.

Основні види

Вуглецеві елементи класифікують за кількістю шарів. Найпростіший вид — одностінні вуглецеві нанотрубки. Кожна з них має товщину приблизно 1 нм, причому їх довжина може бути набагато більше. Якщо розглядати будову, то виріб виглядає як обгортання графіту з допомогою шестикутної сітки. В її вершинах розташовані атоми вуглецю. Таким чином, трубка має форму циліндра, у якого немає швів. Верхня частина пристроїв закривається кришками, що складаються з молекул фулерену. Наступний вид — багатошарові вуглецеві нанотрубки. Вони складаються з декількох шарів графіту, які складені у форму циліндра. Між ними витримується відстань 034 нм. Структуру даного типу описують за допомогою двох способів. По першому, багатошарові трубки — це кілька вкладених один в одного одношарових трубок, що схоже на матрьошку. По другому, багатошарові нанотрубки являють собою аркуш графіту, який кілька разів обертається навколо себе, що схоже на згорнуту газету.

Вуглецеві нанотрубки: застосування

Елементи є абсолютним новим представником класу наноматеріалів. Як говорилося раніше, вони мають каркасну структуру, яка за властивостями відрізняється від графіту або алмазу. Саме тому і застосовуються набагато частіше, ніж інші матеріали. Завдяки таким характеристикам, як міцність, вигин, провідність, використовуються в багатьох галузях:

в якості добавок до полімерів;

каталізатором для освітлювальних пристроїв, а також плоских дисплеїв і трубок в телекомунікаційних мережах;

в якості поглинача електромагнітних хвиль;

для перетворення енергії;

виготовлення анодів в різних видах батарейок;

зберігання водню;

виготовлення датчиків і конденсаторів;

виробництва композитів і посилення їх структури і властивостей.

Протягом багатьох років вуглецеві нанотрубки, застосування яких не обмежується однією певною галуззю, що використовуються в наукових дослідженнях. Такий матеріал має слабкі позиції на ринку, так як існують проблеми з масштабним виробництвом. Ще одним важливим моментом є велика вартість вуглецевих нанотрубок, яка становить приблизно 120 доларів за один грам такого речовини. Вони застосовуються як основний елемент для виробництва багатьох композитів, які використовуються для виготовлення багатьох спортивних товарів. Ще одна галузь —автомобілебудування. Функціоналізація вуглецевих нанотрубок в даній галузі зводиться до надання полімерів провідними властивостями. Коефіцієнт теплопровідності нанотрубок досить високий, тому їх можна використовувати в якості охолоджувального пристрою для різного масивного обладнання. Також з них виготовляють наконечники, які приєднуються до зондовым трубах. Найважливішою галуззю застосування є комп'ютерні технології. Завдяки нанотрубок створюються особливо плоскі дисплеї. За допомогою їх можна суттєво зменшити габаритні розміри самого комп'ютера, а також збільшити його технічні показники. Готове обладнання буде в кілька разів перевищувати нинішні технології. На основі цих досліджень можна створити високовольтні кінескопи. З часом, трубки будуть використовуватися не тільки в електроніці, але і медичних і енергетичних сферах.

Виробництво

Вуглецеві трубки, виробництво яких розподілено між двома їх видами, розподілено нерівномірно. Тобто, MWNT виготовляють набагато більше, ніж SWNT. Другий вид роблять в разі гострої необхідності. Різні фірми постійно виробляють вуглецеві нанотрубки. Але попитом вони практично не користуються, так як їх вартість завищена.

Лідери виробництва

На сьогодні провідне місце у виробництві вуглецевих нанотрубок займають країни Азії, виробничі можливості яких вище в 3 рази, ніж в інших країнах Європи та Америки. Зокрема, виготовленням MWNT займається Японія. Але інші країни, такі як Корея і Китай, ніяк не поступаються в цьому показнику.

Виробництво в Росії

Вітчизняне виробництво вуглецевих нанотрубок істотно відстає від інших країн. Насправді все залежить від якості проведених досліджень в даній області. Тут не виділяється достатньо фінансових коштів для створення науково-технологічних центрів у країні. Багато людей не сприймають розробки в галузі нанотехнологій, тому що не знають, як це можна використовувати у промисловості. Тому перехід економіки на нову стежку проходить досить складно. Тому президентом Росії був виданий указ, в якому вказуються шляхи розвитку різних областей нанотехнологій, в тому числі і вуглецевих елементів. Для цих цілей була створена особлива програма розвитку і виробництва власних технологій. Щоб всі пункти наказу виконувалися, була створена компанія «Роснанотех». На її функціонування була виділена значна сума з державного бюджету. Саме вона повинна контролювати процес розробки, виробництва та впровадження у промислову сферу вуглецевих нанотрубок. Виділена сума витратиться на створення різноманітних науково-дослідних інститутів і лабораторій, а також дозволить зміцнити вже існуючі напрацювання вітчизняних науковців. Також ці кошти підуть на закупівлю високоякісного обладнання для одержання вуглецевих нанотрубок. Варто також подбати про тих пристроях, які будуть захищати здоров'я людини, так як даний матеріал викликає безліч хвороб. Як говорилося раніше, вся проблема полягає в залученні коштів. Більшість інвесторів не хочуть вкладатися в наукові розробки, тим більше на тривалий час. Всі бізнесмени хочуть бачити прибуток, але наноразработки можуть йти роками. Саме це відштовхує представників малого і середнього бізнесу. Крім того, без державного інвестування не вийде повною мірою запустити виробництво наноматеріалів. Ще однією проблемою є відсутність правової бази, так як немає проміжної ланки між різними ступенями бізнесу. Тому вуглецеві нанотрубки, виробництво в Росії яких не затребуване, вимагають не тільки фінансових, але і розумових вкладень. Поки РФ далека від країн Азії, які є провідними у розробці нанотехнологій. На тода день розробками в цій галузі займаються на хімічних факультетах різних університетів Москви, Тамбова, Санкт-Петербурга, Новосибірська і Казані. Провідними виробниками вуглецевих нанотрубок є фірма «Гранат» і тамбовський завод «Комсомолець».

Позитивні і негативні сторони

Серед переваг можна виділити особливі властивості вуглецевих нанотрубок. Вони є міцним матеріалом, який під дією механічних впливів не руйнується. Крім того, вони добре працюють на вигин і розтягування. Це стало можливим завдяки замкнутої каркасною структурою. Їх застосування не обмежується однією галуззю. Трубки знайшли застосування в автомобілебудуванні, електроніці, медицині та енергетиці. Величезним недоліком є негативний вплив на здоров'я людини. Частинки нанотрубок, потрапляючи в організм людини, призводять до виникнення злоякісних пухлин і раку. Істотною стороною є фінансування цієї галузі. Багато людей не хочуть вкладатися в науку, так як для отримання прибутку необхідно багато часу. А без функціонування науково-дослідних лабораторій розвиток нанотехнологій неможливо.

Висновок

Вуглецеві нанотрубки грають важливу роль в інноваційних технологіях. Багато фахівці прогнозують зростання даної галузі в найближчі роки. Буде спостерігатися значне зростання виробничих можливостей, що призведе до зниження вартості на товар. Із зменшенням ціни, трубки будуть користуватися величезним попитом, і стануть незамінним матеріалом для багатьох пристроїв і обладнання. Отже, ми з'ясували, що собою являють дані вироби.