Energie ist eine wichtige Industrie, die eine große Rolle im menschlichen Leben spielt. Der Energiezustand des Landes hängt von der Arbeit vieler Wissenschaftler auf diesem Gebiet ab. Heute suchen sie nach alternativen Energiequellen. Für diese Zwecke sind sie bereit, alles zu verwenden, angefangen bei Sonnenlicht und Wasser bis hin zur Energie der Luft. Geräte, die Energie aus der Umgebung erzeugen können, werden sehr geschätzt.
Allgemeine Informationen
Kohlenstoffnanoröhren sind verlängerte, gerollte Graphitflächen mit zylindrischer Form. Ihre Dicke erreicht in der Regel mehrere zehn Nanometer bei einer Länge von mehreren Zentimetern. Am Ende der Nanoröhrchen bildet sich ein kugelförmiger Kopf, der einer der Bestandteile der Fullerene ist.
Es gibt zwei Arten von Kohlenstoffnanoröhren: Metall und Halbleiter. Ihr Hauptunterschied ist die Leitfähigkeit des Stroms. Der erste Typ kann Strom bei einer Temperatur von 0 ° C leiten und der zweite - nur bei erhöhten Temperaturen.
Carbon Nanotubes: Eigenschaften
Die meistenmoderne Bereiche wie angewandte Chemie oder Nanotechnologie werden mit Nanoröhren in Verbindung gebracht, die eine Kohlenstoffgerüststruktur aufweisen. Was ist das? Diese Struktur bezieht sich auf große Moleküle, die nur durch Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind. Kohlenstoffnanoröhrchen, deren Eigenschaften auf einer geschlossenen Hülle beruhen, werden hoch geschätzt. Außerdem haben diese Gebilde eine zylindrische Form. Solche Rohre können durch F alten einer Graphitfolie erh alten werden oder aus einem bestimmten Katalysator wachsen. Kohlenstoffnanoröhren, deren Fotos unten gezeigt werden, haben eine ungewöhnliche Struktur.
Es gibt sie in verschiedenen Formen und Größen: einlagig und mehrlagig, gerade und geschwungen. Trotz der Tatsache, dass Nanoröhren ziemlich zerbrechlich aussehen, sind sie ein starkes Material. Als Ergebnis vieler Studien wurde festgestellt, dass sie Eigenschaften wie Dehnung und Biegung haben. Unter Einwirkung starker mechanischer Belastungen reißen oder brechen die Elemente nicht, dh sie können sich unterschiedlichen Spannungen anpassen.
Toxizität
Als Ergebnis mehrerer Studien wurde festgestellt, dass Kohlenstoffnanoröhrchen die gleichen Probleme verursachen können wie Asbestfasern, dh es können verschiedene bösartige Tumore sowie Lungenkrebs auftreten. Der Grad der negativen Auswirkungen von Asbest hängt von der Art und Dicke seiner Fasern ab. Da Kohlenstoffnanoröhren ein geringes Gewicht und eine geringe Größe haben, gelangen sie leicht mit Luft in den menschlichen Körper. Außerdem dringen sie in die Pleura und in die Brust ein und im Laufe der Zeitverschiedene Komplikationen verursachen. Wissenschaftler führten ein Experiment durch und fügten der Nahrung von Mäusen Partikel von Nanoröhren hinzu. Produkte mit kleinem Durchmesser blieben praktisch nicht im Körper, aber größere gruben sich in die Magenwände ein und verursachten verschiedene Krankheiten.
Getting-Methoden
Heute gibt es folgende Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffnanoröhren: Lichtbogenladung, Ablation, Dampfabscheidung.
Lichtbogenentladung. Erh alten (Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden in diesem Artikel beschrieben) in einem Plasma von elektrischer Ladung, die unter Verwendung von Helium brennt. Ein solches Verfahren kann mit speziellen technischen Anlagen zur Herstellung von Fullerenen durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren werden jedoch andere Arten des Lichtbogenbrennens verwendet. Beispielsweise wird die Stromdichte reduziert und es werden auch Kathoden mit enormer Dicke verwendet. Um eine Atmosphäre aus Helium zu erzeugen, muss der Druck dieses chemischen Elements erhöht werden. Kohlenstoffnanoröhren werden durch Sputtern erh alten. Um ihre Anzahl zu erhöhen, ist es erforderlich, einen Katalysator in den Graphitstab einzubringen. Meist handelt es sich um eine Mischung verschiedener Metallgruppen. Außerdem ändert sich der Druck und das Sprühverfahren. Somit wird eine kathodische Abscheidung erh alten, wo Kohlenstoffnanoröhren gebildet werden. Fertigprodukte wachsen senkrecht zur Kathode und werden gebündelt gesammelt. Sie sind 40 µm lang.
Ablation. Diese Methode wurde von Richard Smalley erfunden. Seine Essenz besteht darin, verschiedene Graphitoberflächen in einem bei hohen Temperaturen betriebenen Reaktor zu verdampfen. Durch die Verdampfung von Graphit auf der Unterseite entstehen KohlenstoffnanoröhrchenTeile des Reaktors.
Sie werden über eine Kühlfläche gekühlt und gesammelt. Wenn im ersten Fall die Anzahl der Elemente 60 % betrug, stieg die Zahl bei dieser Methode um 10 %. Die Kosten für das Laser-Absolationsverfahren sind teurer als alle anderen. In der Regel werden einwandige Nanoröhren durch Veränderung der Reaktionstemperatur erh alten.
Abscheidung aus der Gasphase. Das Kohlenstoffdampfabscheidungsverfahren wurde Ende der 50er Jahre erfunden. Aber niemand ahnte auch nur, dass man damit Kohlenstoffnanoröhren erh alten könnte. Also müssen Sie zuerst die Oberfläche mit einem Katalysator vorbereiten. Als solche können kleine Partikel verschiedener Metalle dienen, beispielsweise Kob alt, Nickel und viele andere. Nanoröhren beginnen aus dem Katalysatorbett aufzutauchen. Ihre Dicke hängt direkt von der Größe des katalysierenden Metalls ab. Die Oberfläche wird auf hohe Temperaturen erhitzt und dann wird ein kohlenstoffh altiges Gas zugeführt. Darunter sind Methan, Acetylen, Ethanol etc. Ammoniak dient als zusätzliches technisches Gas. Dieses Verfahren zur Gewinnung von Nanoröhren ist das gebräuchlichste. Der Prozess selbst findet in verschiedenen Industrieunternehmen statt, wodurch weniger finanzielle Mittel für die Herstellung einer großen Anzahl von Rohren aufgewendet werden. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass vertikale Elemente aus beliebigen Metallpartikeln gewonnen werden können, die als Katalysator dienen. Das Erh alten (Kohlenstoffnanoröhren werden von allen Seiten beschrieben) wurde dank der Forschung von Suomi Iijima möglich, dieunter einem Mikroskop auf ihr Aussehen als Ergebnis der Kohlenstoffsynthese beobachtet.
Hauptarten
Kohlenstoffelemente werden nach der Anzahl der Schichten klassifiziert. Der einfachste Typ sind einwandige Kohlenstoffnanoröhren. Jeder von ihnen hat eine Dicke von etwa 1 nm, und ihre Länge kann viel länger sein. Wenn wir die Struktur betrachten, sieht das Produkt aus, als würde man Graphit mit einem sechseckigen Gitter umwickeln. An seinen Spitzen befinden sich Kohlenstoffatome. Somit hat das Rohr die Form eines Zylinders, der keine Nähte hat. Der obere Teil der Geräte ist mit Hüllen aus Fullerenmolekülen verschlossen.
Die nächste Ansicht sind mehrschichtige Kohlenstoffnanoröhren. Sie bestehen aus mehreren Schichten Graphit, die zu einer Zylinderform gef altet sind. Zwischen ihnen wird ein Abstand von 0,34 sm eingeh alten. Eine Struktur dieses Typs wird auf zwei Arten beschrieben. Nach dem ersten sind Mehrschichtröhren mehrere ineinander verschachtelte einschichtige Röhren, die wie eine Nistpuppe aussehen. Dem zweiten zufolge sind mehrschichtige Nanoröhren eine sich mehrfach um sich selbst wickelnde Schicht aus Graphit, die wie eine gef altete Zeitung aussieht.
Carbon Nanotubes: Anwendungen
Elemente sind ein absolut neuer Vertreter der Klasse der Nanomaterialien.
Wie bereits erwähnt, haben sie eine Rahmenstruktur, die sich in ihren Eigenschaften von Graphit oder Diamant unterscheidet. Deshalb werden sie viel häufiger verwendet als andere Materialien.
Aufgrund seiner Eigenschaften wie Festigkeit, Biegung, Leitfähigkeit wird es in vielen Bereichen eingesetzt:
- als Additive zu Polymeren;
- Katalysator für Beleuchtungsgeräte sowie Flachbildschirme und Handapparate in Telekommunikationsnetzen;
- als Absorber für elektromagnetische Wellen;
- zur Energieumwandlung;
- Herstellung von Anoden in verschiedenen Batterietypen;
- Wasserstoffspeicherung;
- Herstellung von Sensoren und Kondensatoren;
- Herstellung von Verbundwerkstoffen und Stärkung ihrer Struktur und Eigenschaften.
Carbon Nanotubes, deren Anwendung nicht auf eine bestimmte Branche beschränkt ist, werden seit vielen Jahren in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Solches Material hat eine schwache Position auf dem Markt, da es Probleme bei der Produktion in großem Maßstab gibt. Ein weiterer wichtiger Punkt sind die hohen Kosten von Kohlenstoffnanoröhren, die bei etwa 120 $ pro Gramm einer solchen Substanz liegen.
Sie werden als Grundelement für die Herstellung vieler Verbundwerkstoffe verwendet, aus denen viele Sportartikel hergestellt werden. Eine weitere Branche ist die Automobilindustrie. Die Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren in diesem Bereich reduziert sich darauf, Polymere mit leitfähigen Eigenschaften auszustatten.
Die Wärmeleitfähigkeit von Nanoröhren ist hoch genug, dass sie als Kühlgerät für verschiedene massive Geräte verwendet werden können. Sie werden auch verwendet, um Spitzen herzustellen, die an den Sondenschläuchen befestigt werden.
Das wichtigste Anwendungsgebiet ist die Computertechnik. Dank Nanotubes entstehen besonders flache Displays. Sie können verwendet werden, um erheblich zu reduzierendie Gesamtabmessungen des Computers selbst sowie dessen technische Leistungsfähigkeit. Die fertige Ausrüstung wird den aktuellen Technologien um ein Vielfaches überlegen sein. Basierend auf diesen Studien können Hochspannungs-Bildröhren erstellt werden.
Im Laufe der Zeit werden Röhren nicht nur in der Elektronik, sondern auch in der Medizin und im Energiebereich eingesetzt.
Produktion
Karbonschläuche, deren Produktion auf die beiden Typen verteilt ist, sind ungleich verteilt.
MWNTs machen also viel mehr als SWNTs. Die zweite Art wird im Notfall durchgeführt. Verschiedene Unternehmen produzieren ständig Kohlenstoffnanoröhren. Aber sie sind praktisch nicht gefragt, da ihre Kosten zu hoch sind.
Produktionsleiter
Heute nehmen die asiatischen Länder den führenden Platz in der Produktion von Kohlenstoffnanoröhren ein, deren Produktionskapazitäten dreimal höher sind als in anderen Ländern Europas und Amerikas. Insbesondere Japan ist an der Herstellung von MWNT beteiligt. Aber auch andere Länder wie Korea und China stehen bei diesem Indikator nicht unterlegen.
Produktion in Russland
Die heimische Produktion von Kohlenstoffnanoröhren hinkt weit hinter anderen Ländern her. Tatsächlich hängt alles von der Qualität der Forschung in diesem Bereich ab. Es stellt nicht genügend finanzielle Mittel bereit, um wissenschaftliche und technologische Zentren im Land zu schaffen. Viele Menschen akzeptieren Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie nicht, weil sie nicht wissen, wie sie in der Industrie genutzt werden können. Daher der Übergang der Wirtschaftder neue Weg ist ziemlich schwierig.
Daher erließ der russische Präsident ein Dekret, das die Entwicklung verschiedener Bereiche der Nanotechnologie, einschließlich der Kohlenstoffelemente, angibt. Zu diesem Zweck wurde ein spezielles Programm zur Entwicklung und Produktion eigener Technologien erstellt.
Um alle Punkte des Auftrags zu erfüllen, wurde die Firma Rosnanotech gegründet. Für sein Funktionieren wurde aus dem Staatshaush alt ein erheblicher Betrag bereitgestellt. Sie soll den Prozess der Entwicklung, Produktion und Einführung von Kohlenstoffnanoröhren in den industriellen Bereich steuern. Der zugewiesene Betrag wird für die Schaffung verschiedener Forschungsinstitute und Laboratorien ausgegeben und wird auch die bestehenden Errungenschaften einheimischer Wissenschaftler stärken. Außerdem werden diese Mittel verwendet, um hochwertige Ausrüstung für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu kaufen. Es lohnt sich auch, auf die Geräte zu achten, die die menschliche Gesundheit schützen, da dieses Material viele Krankheiten verursacht.
Wie bereits erwähnt, besteht das ganze Problem darin, Spenden zu sammeln. Die meisten Investoren wollen vor allem lange nicht in Forschung und Entwicklung investieren. Alle Geschäftsleute wollen Profit sehen, aber die Nanoentwicklung kann Jahre dauern. Das stößt Vertreter kleiner und mittelständischer Unternehmen ab. Außerdem wird es ohne staatliche Investitionen nicht möglich sein, die Produktion von Nanomaterialien vollständig zu starten.
Noch ein Problemist das Fehlen eines rechtlichen Rahmens, da es keine Zwischenverbindung zwischen verschiedenen Geschäftsstufen gibt. Daher erfordern Kohlenstoffnanoröhren, deren Produktion in Russland nicht gefragt ist, nicht nur finanzielle, sondern auch mentale Investitionen. Bisher ist die Russische Föderation weit entfernt von asiatischen Ländern, die in der Entwicklung der Nanotechnologie führend sind.
Heute werden Entwicklungen in dieser Branche an den chemischen Fakultäten verschiedener Universitäten in Moskau, Tambow, St. Petersburg, Nowosibirsk und Kasan durchgeführt. Die führenden Hersteller von Kohlenstoffnanoröhren sind die Firma Granat und das Werk Komsomolets in Tambov.
Gute und schlechte Seiten
Zu den Vorteilen gehören die besonderen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen. Sie sind ein langlebiges Material, das unter dem Einfluss mechanischer Einflüsse nicht zusammenbricht. Darüber hinaus eignen sie sich gut zum Biegen und Dehnen. Möglich macht dies die geschlossene Rahmenstruktur. Ihre Anwendung ist nicht auf eine Branche beschränkt. Die Röhren werden in den Bereichen Automotive, Elektronik, Medizin und Energie eingesetzt.
Ein großer Nachteil sind die negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit.
Partikel von Nanoröhren, die in den menschlichen Körper gelangen, führen zur Entstehung von bösartigen Tumoren und Krebs.
Das Wesentliche ist die Finanzierung dieser Branche. Viele Menschen wollen nicht in die Wissenschaft investieren, weil es lange dauert, Gewinne zu erzielen. Und ohne das Funktionieren von Forschungslabors die Entwicklung der Nanotechnologieunmöglich.
Schlussfolgerung
Carbon Nanotubes spielen eine wichtige Rolle in innovativen Technologien. Viele Experten prognostizieren das Wachstum dieser Branche in den kommenden Jahren. Es wird eine deutliche Erhöhung der Produktionskapazitäten geben, was zu einer Senkung der Warenkosten führen wird. Mit sinkenden Preisen werden Röhren sehr gefragt und zu einem unverzichtbaren Material für viele Geräte und Ausrüstungen.
Also haben wir herausgefunden, was diese Produkte sind.
