انرژی صنعت مهمی است که نقش بسیار زیادی در زندگی انسان دارد. وضعیت انرژی کشور به کار بسیاری از دانشمندان در این زمینه بستگی دارد. امروزه آنها به دنبال منابع انرژی جایگزین هستند. برای این منظور، آنها آماده استفاده از هر چیزی هستند، از نور خورشید و آب شروع می شود و با انرژی هوا خاتمه می یابد. تجهیزاتی که می توانند از محیط زیست انرژی تولید کنند ارزش بالایی دارند.
اطلاعات عمومی
نانولوله های کربنی صفحات گرافیتی نورد شده گسترده ای هستند که شکل استوانه ای دارند. به عنوان یک قاعده، ضخامت آنها به چند ده نانومتر، با طول چند سانتی متر می رسد. در انتهای نانولوله ها یک سر کروی شکل تشکیل می شود که یکی از قسمت های فولرن است.
دو نوع نانولوله کربنی وجود دارد: فلزی و نیمه هادی. تفاوت اصلی آنها در هدایت جریان است. نوع اول می تواند جریان را در دمایی برابر با 0ºС هدایت کند و نوع دوم فقط در دماهای بالا.
نانولوله های کربنی: خواص
بیشترینحوزه‌های مدرن، مانند شیمی کاربردی یا فناوری نانو، با نانولوله‌هایی مرتبط هستند که ساختار قاب کربنی دارند. آن چیست؟ این ساختار به مولکول های بزرگی اطلاق می شود که تنها توسط اتم های کربن به یکدیگر متصل شده اند. نانولوله‌های کربنی که ویژگی‌های آنها بر پایه یک پوسته بسته است، ارزش بالایی دارند. علاوه بر این، این سازندها شکل استوانه ای دارند. چنین لوله هایی را می توان با تا کردن یک صفحه گرافیتی به دست آورد یا از یک کاتالیزور خاص رشد کرد. نانولوله‌های کربنی که عکس‌های آن در زیر ارائه شده‌اند، ساختار غیرعادی دارند.
آنها در اشکال و اندازه های مختلف وجود دارند: تک لایه و چند لایه، مستقیم و سینوسی. علیرغم این واقعیت که نانولوله ها کاملاً شکننده به نظر می رسند، آنها ماده ای قوی هستند. در نتیجه مطالعات بسیاری مشخص شد که دارای خواصی مانند کشش و خم شدن هستند. در اثر بارهای مکانیکی جدی، المان ها پاره نمی شوند و نمی شکنند، یعنی می توانند با ولتاژهای مختلف سازگار شوند.
مسمومیت
در نتیجه مطالعات متعدد، مشخص شد که نانولوله های کربنی می توانند مشکلاتی مشابه الیاف آزبست ایجاد کنند، یعنی تومورهای بدخیم مختلف و همچنین سرطان ریه را ایجاد کنند. میزان تاثیر منفی آزبست به نوع و ضخامت الیاف آن بستگی دارد. از آنجایی که نانولوله های کربنی از نظر وزن و اندازه کوچک هستند، به راحتی با هوا وارد بدن انسان می شوند. علاوه بر این، آنها وارد پلور شده و وارد قفسه سینه می شوند و به مرور زمانعوارض مختلفی ایجاد کند. دانشمندان آزمایشی انجام دادند و ذرات نانولوله را به غذای موش اضافه کردند. محصولات با قطر کم عملاً در بدن باقی نمی‌ماند، اما محصولات بزرگ‌تر در دیواره‌های معده فرو رفته و باعث بیماری‌های مختلفی می‌شوند.
روش‌های دریافت
امروزه روش های زیر برای به دست آوردن نانولوله های کربنی وجود دارد: بار قوس الکتریکی، فرسایش، رسوب بخار.
تخلیه قوس الکتریکی. به دست آوردن (نانولوله های کربنی در این مقاله توضیح داده شده است) در پلاسمای بار الکتریکی که با استفاده از هلیوم می سوزد. چنین فرآیندی را می توان با استفاده از تجهیزات فنی ویژه برای تولید فولرن انجام داد. اما با این روش از حالت های دیگر سوزاندن قوس استفاده می شود. به عنوان مثال، چگالی جریان کاهش می یابد و کاتدهایی با ضخامت بسیار زیاد نیز استفاده می شود. برای ایجاد جوی از هلیوم، باید فشار این عنصر شیمیایی را افزایش داد. نانولوله های کربنی با کندوپاش به دست می آیند. برای افزایش تعداد آنها، لازم است یک کاتالیزور به میله گرافیت وارد شود. اغلب مخلوطی از گروه های فلزی مختلف است. علاوه بر این، تغییر در فشار و روش سمپاشی وجود دارد. بنابراین، یک رسوب کاتدی به دست می آید که در آن نانولوله های کربنی تشکیل می شوند. محصولات تمام شده عمود بر کاتد رشد می کنند و در بسته ها جمع آوری می شوند. طول آنها 40 میکرومتر است.
Ablation. این روش توسط ریچارد اسمالی ابداع شد. ماهیت آن تبخیر سطوح مختلف گرافیت در راکتوری است که در دمای بالا کار می کند. نانولوله های کربنی در نتیجه تبخیر گرافیت در قسمت زیرین تشکیل می شوندبخش هایی از راکتور.
آنها با استفاده از یک سطح خنک کننده سرد و جمع آوری می شوند. اگر در حالت اول تعداد عناصر برابر با 60 درصد بود، با این روش این رقم 10 درصد افزایش یافت. هزینه روش ابسلاسیون لیزری نسبت به بقیه گرانتر است. به عنوان یک قاعده، نانولوله های تک جداره با تغییر دمای واکنش به دست می آیند.
رسوب از فاز گاز. روش رسوب بخار کربن در اواخر دهه 50 ابداع شد. اما هیچ کس حتی تصور نمی کرد که می توان با آن نانولوله های کربنی به دست آورد. بنابراین، ابتدا باید سطح را با یک کاتالیزور آماده کنید. ذرات کوچک فلزات مختلف، به عنوان مثال، کبالت، نیکل و بسیاری دیگر، می توانند به عنوان آن عمل کنند. نانولوله ها از بستر کاتالیزور شروع به بیرون آمدن می کنند. ضخامت آنها مستقیماً به اندازه فلز کاتالیزور بستگی دارد. سطح تا دمای بالا گرم می شود و سپس گاز حاوی کربن عرضه می شود. از جمله آنها می توان به متان، استیلن، اتانول و غیره اشاره کرد. آمونیاک به عنوان گاز فنی اضافی عمل می کند. این روش برای بدست آوردن نانولوله رایج ترین است. خود این فرآیند در شرکت های صنعتی مختلف انجام می شود که به همین دلیل منابع مالی کمتری برای ساخت تعداد زیادی لوله صرف می شود. مزیت دیگر این روش این است که عناصر عمودی را می توان از هر ذره فلزی که به عنوان کاتالیزور عمل می کند به دست آورد. به دست آوردن (نانولوله های کربنی از همه طرف توصیف شده است) به لطف تحقیقات Suomi Iijima امکان پذیر شد.ظاهر آنها در نتیجه سنتز کربن زیر میکروسکوپ مشاهده شد.
گونه اصلی
عناصر کربن بر اساس تعداد لایه ها طبقه بندی می شوند. ساده ترین نوع نانولوله های کربنی تک جداره است. هر یک از آنها ضخامتی در حدود 1 نانومتر دارند و طول آنها می تواند بسیار بیشتر باشد. اگر ساختار را در نظر بگیریم، آنگاه محصول به نظر می رسد که گرافیت را با یک شبکه شش ضلعی بسته بندی می کند. در بالای آن اتم های کربن وجود دارد. بنابراین، لوله شکل استوانه ای دارد که بدون درز است. قسمت بالایی دستگاه ها با روکش هایی متشکل از مولکول های فولرن بسته شده است.
نمای بعدی نانولوله های کربنی چندلایه است. آنها از چندین لایه گرافیت تشکیل شده اند که به شکل استوانه ای تا می شوند. فاصله 0.34 نانومتر بین آنها حفظ می شود. ساختاری از این نوع به دو صورت توصیف می شود. طبق اولی، لوله های چندلایه، چندین لوله تک لایه هستند که در یکدیگر قرار گرفته اند که شبیه یک عروسک تودرتو هستند. طبق دوم، نانولوله‌های چندلایه ورقه‌ای از گرافیت هستند که چندین بار به دور خود می‌پیچد که شبیه یک روزنامه تا شده است.
نانولوله های کربنی: کاربردها
عناصر یک نماینده مطلق جدید از کلاس نانومواد هستند.
همانطور که قبلا ذکر شد، آنها ساختار قاب دارند که از نظر خواص با گرافیت یا الماس متفاوت است. به همین دلیل است که آنها بسیار بیشتر از سایر مواد استفاده می شوند.
به دلیل ویژگی هایی مانند استحکام، خمش، رسانایی، در بسیاری از زمینه ها استفاده می شود:
- به عنوان افزودنی به پلیمرها;
- کاتالیزور برای دستگاه های روشنایی و همچنین نمایشگرهای صفحه تخت و گوشی در شبکه های مخابراتی؛
- به عنوان جاذب امواج الکترومغناطیسی؛
- برای تبدیل انرژی؛
- ساخت آند در انواع باتری؛
- ذخیره هیدروژن؛
- ساخت حسگر و خازن؛
- تولید کامپوزیت ها و تقویت ساختار و خواص آنها.
سال‌هاست که نانولوله‌های کربنی که کاربرد آنها به یک صنعت خاص محدود نمی‌شود، در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. چنین موادی موقعیت ضعیفی در بازار دارد، زیرا مشکلاتی در تولید در مقیاس بزرگ وجود دارد. نکته مهم دیگر هزینه بالای نانولوله های کربنی است که تقریباً 120 دلار در هر گرم از چنین ماده ای است.
از آنها به عنوان عنصر اساسی برای تولید بسیاری از کامپوزیت ها استفاده می شود که برای ساخت بسیاری از کالاهای ورزشی استفاده می شود. صنعت دیگر خودروسازی است. عامل دار شدن نانولوله های کربنی در این ناحیه به پلیمرهایی با خواص رسانایی کاهش می یابد.
رسانایی حرارتی نانولوله ها به اندازه ای بالا است که می توان از آنها به عنوان یک وسیله خنک کننده برای تجهیزات مختلف عظیم استفاده کرد. آنها همچنین برای ساختن نوک هایی که به لوله های پروب متصل می شوند استفاده می شود.
مهمترین حوزه کاربردی فناوری رایانه است. به لطف نانولوله ها، نمایشگرهای مسطح به خصوص ایجاد می شوند. می توان از آنها برای کاهش قابل توجه استفاده کردابعاد کلی خود کامپیوتر و همچنین افزایش عملکرد فنی آن. تجهیزات تکمیل شده چندین برابر تکنولوژی های فعلی برتری خواهند داشت. بر اساس این مطالعات، می توان کینسکوپ های ولتاژ بالا ایجاد کرد.
به مرور زمان، لوله ها نه تنها در الکترونیک، بلکه در زمینه های پزشکی و انرژی نیز مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
تولید
لوله کربنی که تولید آن بین دو نوع توزیع می شود، به طور نابرابر توزیع شده است.
بنابراین MWNT ها بسیار بیشتر از SWNT ها تولید می کنند. نوع دوم در صورت نیاز فوری انجام می شود. شرکت های مختلف به طور مداوم نانولوله های کربنی تولید می کنند. اما آنها عملاً مورد تقاضا نیستند، زیرا هزینه آنها بسیار بالا است.
رهبران تولید
امروزه جایگاه پیشرو در تولید نانولوله های کربنی در اختیار کشورهای آسیایی است که توانایی تولید آنها 3 برابر سایر کشورهای اروپایی و آمریکایی است. به ویژه، ژاپن در ساخت MWNT مشغول است. اما کشورهای دیگر مانند کره و چین در این شاخص کم نیستند.
تولید در روسیه
تولید داخلی نانولوله های کربنی با سایر کشورها بسیار عقب است. در واقع همه چیز به کیفیت تحقیق در این زمینه بستگی دارد. منابع مالی کافی برای ایجاد مراکز علمی و فناوری در کشور اختصاص نمی دهد. بسیاری از مردم پیشرفت های حوزه فناوری نانو را نمی پذیرند زیرا نمی دانند چگونه می توان از آن در صنعت استفاده کرد. بنابراین، گذار از اقتصادمسیر جدید بسیار دشوار است.
بنابراین رئیس جمهور روسیه فرمانی صادر کرد که حاکی از توسعه حوزه های مختلف فناوری نانو از جمله عناصر کربنی است. برای این منظور، برنامه ویژه ای برای توسعه و تولید فناوری های خودمان ایجاد شد.
به منظور تحقق تمامی نکات سفارش، شرکت Rosnanotech ایجاد شد. مبلغ قابل توجهی از بودجه دولتی برای عملکرد آن اختصاص یافت. این اوست که باید روند توسعه، تولید و ورود نانولوله های کربنی به حوزه صنعتی را کنترل کند. مبلغ تخصیص یافته صرف ایجاد موسسات تحقیقاتی و آزمایشگاه های مختلف می شود و دستاوردهای موجود دانشمندان داخلی را نیز تقویت می کند. همچنین این سرمایه ها برای خرید تجهیزات باکیفیت برای تولید نانولوله های کربنی استفاده می شود. همچنین ارزش مراقبت از وسایلی را دارد که از سلامت انسان محافظت می کنند، زیرا این ماده باعث بسیاری از بیماری ها می شود.
همانطور که قبلاً ذکر شد، کل مشکل در جمع آوری سرمایه است. اکثر سرمایه گذاران نمی خواهند در تحقیق و توسعه سرمایه گذاری کنند، به خصوص برای مدت طولانی. همه تجار می خواهند سود ببینند، اما توسعه نانو ممکن است سال ها طول بکشد. این چیزی است که نمایندگان مشاغل کوچک و متوسط را دفع می کند. علاوه بر این، بدون سرمایه گذاری دولت، راه اندازی کامل تولید نانومواد امکان پذیر نخواهد بود.
مشکل دیگرفقدان یک چارچوب قانونی است، زیرا هیچ ارتباط میانی بین مراحل مختلف تجارت وجود ندارد. بنابراین، نانولوله های کربنی که تولید آنها در روسیه مورد تقاضا نیست، نه تنها نیاز به سرمایه گذاری مالی، بلکه همچنین سرمایه گذاری ذهنی دارد. فدراسیون روسیه تا کنون با کشورهای آسیایی که در توسعه فناوری نانو پیشرو هستند فاصله دارد.
امروزه، پیشرفت‌ها در این صنعت در بخش‌های شیمی دانشگاه‌های مختلف در مسکو، تامبوف، سن پترزبورگ، نووسیبیرسک و کازان انجام می‌شود. تولید کنندگان پیشرو نانولوله های کربنی شرکت Granat و کارخانه Komsomolets در تامبوف هستند.
جنبه های خوب و بد
از جمله مزایا، خواص ویژه نانولوله های کربنی است. آنها یک ماده بادوام هستند که تحت تأثیر تأثیرات مکانیکی فرو نمی ریزند. علاوه بر این، آنها برای خم شدن و کشش به خوبی عمل می کنند. این امر با ساختار قاب بسته امکان پذیر شده است. کاربرد آنها به یک صنعت محدود نمی شود. لوله ها در خودرو، الکترونیک، پزشکی و انرژی استفاده می شود.
یک ضرر بزرگ تاثیر منفی بر سلامت انسان است.
ذرات نانولوله ها با ورود به بدن انسان منجر به پیدایش تومورهای بدخیم و سرطان می شود.
جنبه ضروری تامین مالی این صنعت است. بسیاری از مردم مایل به سرمایه گذاری در علم نیستند، زیرا زمان زیادی طول می کشد تا سود حاصل شود. و بدون عملکرد آزمایشگاه های تحقیقاتی، توسعه فناوری نانوغیر ممکن است.
نتیجه گیری
نانولوله های کربنی نقش مهمی در فناوری های نوآورانه ایفا می کنند. بسیاری از کارشناسان رشد این صنعت را در سال های آینده پیش بینی می کنند. افزایش قابل توجهی در قابلیت های تولید خواهد بود که منجر به کاهش قیمت تمام شده کالا خواهد شد. با کاهش قیمت، لوله ها تقاضای زیادی خواهند داشت و به مواد ضروری برای بسیاری از دستگاه ها و تجهیزات تبدیل خواهند شد.
بنابراین، ما متوجه شدیم که این محصولات چیست.
