L'energia è un'industria importante che svolge un ruolo enorme nella vita umana. Lo stato energetico del paese dipende dal lavoro di molti scienziati in questo campo. Oggi sono alla ricerca di fonti di energia alternative. Per questi scopi, sono pronti a tutto, a cominciare dalla luce solare e dall'acqua, per finire con l'energia dell'aria. Le apparecchiature che possono generare energia dall'ambiente sono molto apprezzate.
Informazioni generali
I nanotubi di carbonio sono piani di grafite laminati estesi aventi una forma cilindrica. Di norma, il loro spessore raggiunge diverse decine di nanometri, con una lunghezza di diversi centimetri. Alla fine dei nanotubi si forma una testa sferica, che è una delle parti del fullerene.
Ci sono due tipi di nanotubi di carbonio: metallo e semiconduttore. La loro principale differenza è la conduttività della corrente. Il primo tipo può condurre corrente a una temperatura pari a 0ºС e il secondo solo a temperature elevate.
Nanotubi di carbonio: proprietà
La maggior partearee moderne, come la chimica applicata o la nanotecnologia, sono associate ai nanotubi, che hanno una struttura a telaio in carbonio. Cos'è? Questa struttura si riferisce a grandi molecole legate tra loro solo da atomi di carbonio. I nanotubi di carbonio, le cui proprietà si basano su un guscio chiuso, sono molto apprezzati. Inoltre, queste formazioni hanno una forma cilindrica. Tali tubi possono essere ottenuti piegando un foglio di grafite o crescere da un determinato catalizzatore. I nanotubi di carbonio, le cui foto sono presentate di seguito, hanno una struttura insolita.
Sono disponibili in diverse forme e dimensioni: monostrato e multistrato, dritte e sinuose. Nonostante il fatto che i nanotubi sembrino piuttosto fragili, sono un materiale resistente. Come risultato di molti studi, è stato scoperto che hanno proprietà come allungamento e flessione. Sotto l'azione di carichi meccanici gravi, gli elementi non si strappano né si rompono, cioè possono adattarsi a diverse tensioni.
Tossicità
Come risultato di numerosi studi, è stato scoperto che i nanotubi di carbonio possono causare gli stessi problemi delle fibre di amianto, ovvero si verificano vari tumori maligni e cancro ai polmoni. Il grado di impatto negativo dell'amianto dipende dal tipo e dallo spessore delle sue fibre. Poiché i nanotubi di carbonio sono piccoli per peso e dimensioni, entrano facilmente nel corpo umano con l'aria. Inoltre, entrano nella pleura ed entrano nel torace e nel tempocausare varie complicazioni. Gli scienziati hanno condotto un esperimento e aggiunto particelle di nanotubi al cibo dei topi. I prodotti di piccolo diametro praticamente non indugiavano nel corpo, ma quelli più grandi scavavano nelle pareti dello stomaco e causavano varie malattie.
Metodi di acquisizione
Oggi esistono i seguenti metodi per ottenere nanotubi di carbonio: carica ad arco, ablazione, deposizione di vapore.
Scarica dell'arco elettrico. Ottenere (i nanotubi di carbonio sono descritti in questo articolo) in un plasma di carica elettrica, che brucia con l'uso di elio. Tale processo può essere eseguito utilizzando attrezzature tecniche speciali per la produzione di fullereni. Ma con questo metodo vengono utilizzate altre modalità di combustione dell'arco. Ad esempio, la densità di corrente viene ridotta e vengono utilizzati anche catodi di enorme spessore. Per creare un'atmosfera di elio, è necessario aumentare la pressione di questo elemento chimico. I nanotubi di carbonio sono ottenuti mediante sputtering. Per aumentare il loro numero, è necessario introdurre un catalizzatore nella barra di grafite. Molto spesso è una miscela di diversi gruppi metallici. Inoltre, c'è un cambiamento nella pressione e nel metodo di spruzzatura. Si ottiene così un deposito catodico, dove si formano nanotubi di carbonio. I prodotti finiti crescono perpendicolarmente al catodo e vengono raccolti in fasci. Sono lunghi 40 µm.
Ablazione. Questo metodo è stato inventato da Richard Smalley. La sua essenza è far evaporare diverse superfici di grafite in un reattore funzionante ad alte temperature. I nanotubi di carbonio si formano a seguito dell'evaporazione della grafite sul fondoparti del reattore.
Sono raffreddati e raccolti utilizzando una superficie di raffreddamento. Se nel primo caso il numero di elementi era pari al 60%, con questo metodo la cifra aumentava del 10%. Il costo del metodo di ablazione laser è più costoso di tutti gli altri. Di norma, i nanotubi a parete singola si ottengono modificando la temperatura di reazione.
Deposizione dalla fase gassosa. Il metodo di deposizione di vapore di carbonio è stato inventato alla fine degli anni '50. Ma nessuno immaginava nemmeno che con esso si potessero ottenere nanotubi di carbonio. Quindi, prima devi preparare la superficie con un catalizzatore. Piccole particelle di metalli diversi, ad esempio cob alto, nichel e molti altri, possono fungere da esso. I nanotubi iniziano ad emergere dal letto del catalizzatore. Il loro spessore dipende direttamente dalla dimensione del metallo catalizzante. La superficie viene riscaldata a temperature elevate e quindi viene fornito un gas contenente carbonio. Tra questi ci sono metano, acetilene, etanolo, ecc. L'ammoniaca funge da gas tecnico aggiuntivo. Questo metodo per ottenere nanotubi è il più comune. Il processo stesso si svolge in varie imprese industriali, grazie alle quali vengono spese meno risorse finanziarie per la produzione di un gran numero di tubi. Un altro vantaggio di questo metodo è che gli elementi verticali possono essere ottenuti da qualsiasi particella metallica che funge da catalizzatore. L'ottenimento (i nanotubi di carbonio sono descritti da tutte le parti) è diventato possibile grazie alla ricerca di Suomi Iijima, cheosservati al microscopio per il loro aspetto come risultato della sintesi del carbonio.
Specie principali
Gli elementi in carbonio sono classificati in base al numero di strati. Il tipo più semplice sono i nanotubi di carbonio a parete singola. Ognuno di loro ha uno spessore di circa 1 nm e la loro lunghezza può essere molto più lunga. Se consideriamo la struttura, il prodotto sembra avvolgere la grafite con una griglia esagonale. Alla sua sommità ci sono atomi di carbonio. Pertanto, il tubo ha la forma di un cilindro, che non ha cuciture. La parte superiore dei dispositivi è chiusa con coperchi costituiti da molecole di fullerene.
La prossima vista è costituita da nanotubi di carbonio multistrato. Sono costituiti da diversi strati di grafite, che sono piegati a forma di cilindro. Tra di loro viene mantenuta una distanza di 0,34 nm. Una struttura di questo tipo è descritta in due modi. Secondo il primo, i tubi multistrato sono diversi tubi a strato singolo annidati l'uno nell' altro, che sembra una bambola che nidifica. Secondo il secondo, i nanotubi multistrato sono un foglio di grafite che si avvolge più volte su se stesso, che sembra un giornale piegato.
Nanotubi di carbonio: applicazioni
Gli elementi sono un nuovo rappresentante assoluto della classe dei nanomateriali.
Come accennato in precedenza, hanno una struttura del telaio, che differisce nelle proprietà dalla grafite o dal diamante. Ecco perché vengono utilizzati molto più spesso di altri materiali.
Per le sue caratteristiche come resistenza, flessione, conducibilità, viene utilizzato in molti campi:
- come additivi ai polimeri;
- catalizzatore per dispositivi di illuminazione, nonché display a schermo piatto e telefoni nelle reti di telecomunicazioni;
- come assorbitore di onde elettromagnetiche;
- per la conversione di energia;
- fabbricazione di anodi in vari tipi di batterie;
- accumulo di idrogeno;
- produzione di sensori e condensatori;
- produzione di compositi e rafforzamento della loro struttura e proprietà.
Per molti anni, i nanotubi di carbonio, la cui applicazione non è limitata a un particolare settore, sono stati utilizzati nella ricerca scientifica. Tale materiale ha una posizione debole nel mercato, poiché ci sono problemi con la produzione su larga scala. Un altro punto importante è l' alto costo dei nanotubi di carbonio, che è di circa $ 120 per grammo di tale sostanza.
Sono usati come elemento base per la produzione di molti compositi, che vengono utilizzati per realizzare molti articoli sportivi. Un altro settore è quello automobilistico. La funzionalizzazione dei nanotubi di carbonio in quest'area si riduce a dotare i polimeri di proprietà conduttive.
La conduttività termica dei nanotubi è sufficientemente elevata da poter essere utilizzati come dispositivo di raffreddamento per varie apparecchiature di grandi dimensioni. Sono anche usati per realizzare punte che sono attaccate ai tubi della sonda.
L'area applicativa più importante è la tecnologia informatica. Grazie ai nanotubi si creano display particolarmente piatti. Possono essere utilizzati per ridurre significativamentel'ingombro del computer stesso, oltre ad aumentarne le prestazioni tecniche. L'attrezzatura finita sarà parecchie volte superiore alle tecnologie attuali. Sulla base di questi studi, è possibile creare cinescopi ad alta tensione.
Nel tempo, i tubi verranno utilizzati non solo in elettronica, ma anche in campo medico ed energetico.
Produzione
I tubi in carbonio, la cui produzione è distribuita tra i due tipi, è distribuita in modo non uniforme.
Quindi gli MWNT guadagnano molto di più degli SWNT. Il secondo tipo è fatto in caso di necessità urgente. Diverse aziende producono costantemente nanotubi di carbonio. Ma praticamente non sono richiesti, poiché il loro costo è troppo alto.
Direttori di produzione
Oggi il posto di primo piano nella produzione di nanotubi di carbonio è occupato dai paesi asiatici, le cui capacità produttive sono 3 volte superiori rispetto ad altri paesi dell'Europa e dell'America. In particolare, il Giappone è impegnato nella produzione di MWNT. Ma altri paesi, come la Corea e la Cina, non sono inferiori a questo indicatore.
Produzione in Russia
La produzione interna di nanotubi di carbonio è molto indietro rispetto ad altri paesi. In re altà, tutto dipende dalla qualità della ricerca in questo settore. Non stanzia risorse finanziarie sufficienti per creare centri scientifici e tecnologici nel Paese. Molte persone non accettano gli sviluppi nel campo della nanotecnologia perché non sanno come può essere utilizzata nell'industria. Pertanto, la transizione dell'economiail nuovo percorso è piuttosto difficile.
Pertanto, il Presidente della Russia ha emesso un decreto, che indica lo sviluppo di vari settori della nanotecnologia, compresi gli elementi di carbonio. A tal fine è stato creato un programma speciale per lo sviluppo e la produzione delle nostre tecnologie.
Per soddisfare tutti i punti dell'ordine, è stata creata la società Rosnanotech. Un importo significativo è stato stanziato dal bilancio dello Stato per il suo funzionamento. È lei che dovrebbe controllare il processo di sviluppo, produzione e introduzione dei nanotubi di carbonio nella sfera industriale. L'importo stanziato sarà speso per la creazione di vari istituti di ricerca e laboratori e rafforzerà anche i risultati esistenti degli scienziati nazionali. Inoltre, questi fondi saranno utilizzati per acquistare attrezzature di alta qualità per la produzione di nanotubi di carbonio. Vale anche la pena prendersi cura di quei dispositivi che proteggeranno la salute umana, poiché questo materiale causa molte malattie.
Come accennato in precedenza, l'intero problema è raccogliere fondi. La maggior parte degli investitori non vuole investire in ricerca e sviluppo, soprattutto per molto tempo. Tutti gli uomini d'affari vogliono vedere profitto, ma il nanosviluppo può richiedere anni. Questo è ciò che respinge i rappresentanti delle piccole e medie imprese. Inoltre, senza investimenti governativi, non sarà possibile avviare completamente la produzione di nanomateriali.
Un altro problemaè la mancanza di un quadro giuridico, poiché non esiste un collegamento intermedio tra le diverse fasi dell'attività. Pertanto, i nanotubi di carbonio, la cui produzione non è richiesta in Russia, richiedono non solo investimenti finanziari, ma anche mentali. Finora, la Federazione Russa è lontana dai paesi asiatici, leader nello sviluppo della nanotecnologia.
Oggi, gli sviluppi in questo settore sono realizzati nei dipartimenti di chimica di varie università di Mosca, Tambov, San Pietroburgo, Novosibirsk e Kazan. I principali produttori di nanotubi di carbonio sono l'azienda Granat e lo stabilimento Komsomolets di Tambov.
Lati buoni e cattivi
Tra i vantaggi ci sono le speciali proprietà dei nanotubi di carbonio. Sono un materiale durevole che non collassa sotto l'influenza di influenze meccaniche. Inoltre, funzionano bene per piegarsi e allungarsi. Ciò è reso possibile dalla struttura a telaio chiuso. La loro applicazione non è limitata a un settore. I tubi sono utilizzati nei settori automobilistico, elettronico, medico ed energetico.
Un enorme svantaggio è l'impatto negativo sulla salute umana.
Le particelle di nanotubi, che entrano nel corpo umano, portano alla comparsa di tumori maligni e cancro.
L'aspetto essenziale è il finanziamento di questo settore. Molte persone non vogliono investire nella scienza, perché ci vuole molto tempo per realizzare un profitto. E senza il funzionamento dei laboratori di ricerca, lo sviluppo delle nanotecnologieimpossibile.
Conclusione
I nanotubi di carbonio svolgono un ruolo importante nelle tecnologie innovative. Molti esperti prevedono la crescita di questo settore nei prossimi anni. Ci sarà un aumento significativo delle capacità produttive, che porterà a una diminuzione del costo delle merci. Con il prezzo in calo, i tubi saranno molto richiesti e diventeranno un materiale indispensabile per molti dispositivi e apparecchiature.
Quindi, abbiamo scoperto quali sono questi prodotti.
