Nanotubau carbon: cynhyrchu, cymwysiadau, eiddo

Mae ynni yn ddiwydiant pwysig, sy'n chwarae rhan enfawr ym mywyd dynol. Mae'r sefyllfa egni yn y wlad yn dibynnu ar waith llawer o wyddonwyr yn y diwydiant. Hyd yn hyn, maent yn chwilio am ffynonellau ynni amgen. At y diben hwn, maen nhw'n barod i ddefnyddio unrhyw beth maen nhw'n ei hoffi, gan ddechrau gyda golau haul a dŵr, gan ddod i ben ag egni'r awyr. Gwerthfawrogir yn fawr yr offer hwnnw sy'n gallu cynhyrchu ynni o'r amgylchedd.

Gwybodaeth gyffredinol

Mae nanotubau carbon yn cael eu tynnu'n hir â phlanedau fflatig fflat sydd â siâp silindrig. Fel rheol, mae eu trwch yn cyrraedd sawl deg o nanometrydd, gyda hyd o sawl centimedr. Ar ddiwedd y nanotubau, ffurfir pen sfferig, sef un o'r rhannau o'r fullerene.

Mae yna fathau o'r fath o nanotubau carbon: metel a lled-ddargludyddion. Eu prif wahaniaeth yw cynhyrchedd y presennol. Gall y math cyntaf gynnal cyfredol ar dymheredd o 0 ° C, a'r ail - dim ond ar dymheredd uchel.

Nanotubau carbon: eiddo

Mae'r rhan fwyaf o dueddiadau modern, fel cemeg neu nanotechnoleg gymhwysol, yn gysylltiedig â nanotubau sydd â fframwaith carbon. Beth ydyw? O dan y strwythur hwn, mae moleciwlau mawr sy'n gysylltiedig ag atomau carbon yn unig. Gwerthfawrogir yn fawr nanotubau carbon, y mae eu heiddo yn seiliedig ar ffurf caeedig y gragen. Yn ogystal, mae gan y data ffurfio siâp silindrog. Gellir cael tiwbiau o'r fath trwy blygu'r daflen graffit, neu'n tyfu o gatalydd penodol. Mae gan nanotubau carbon, y lluniau a gyflwynir isod, strwythur anarferol. Maent yn dod mewn gwahanol siapiau a meintiau: un-haenog ac aml-haenog, syth a swnllyd. Er gwaethaf y ffaith bod nanotubau'n edrych yn eithaf prin, maent yn ddeunydd gwydn. O ganlyniad i lawer o astudiaethau canfuwyd bod ganddynt eiddo cynhenid megis ymestyn a phlygu. O dan weithrediadau llwyth mecanyddol difrifol, nid yw'r elfennau'n chwistrellu ac nid ydynt yn torri, hynny yw, gellir eu haddasu i wahanol folteddau.

Gwenwyndra

O ganlyniad i astudiaethau lluosog, canfuwyd bod nanotubau carbon yn gallu achosi yr un problemau â ffibrau asbestos, hynny yw, mae yna amrywiol tiwmorau malign, yn ogystal â chanser yr ysgyfaint. Mae dylanwad negyddol asbestos yn dibynnu ar fath a thryb y ffibrau. Gan fod pwysau a dimensiynau bach gan nanotubau, maent yn hawdd mynd i'r corff dynol ynghyd ag aer. Ymhellach, maent yn mynd i'r pleura ac yn mynd i'r thorax, ac mewn pryd yn achosi cymhlethdodau amrywiol. Cynhaliodd gwyddonwyr arbrawf, ac fe'ichwanegwyd at fwydynnau llygod llygod nanotubau. Nid oedd cynhyrchion diamedr bach yn cael eu cadw yn y corff yn ymarferol, ond roedd rhai mwy yn cloddio i mewn i waliau'r stumog ac yn achosi gwahanol glefydau.

Dulliau o gael

Hyd yn hyn, mae'r dulliau canlynol ar gyfer cael nanotubau carbon: tâl arc, abladiad, dyddodiad o'r cyfnod nwy.

Rhyddhau arc trydan. Mae'r paratoad (disgrifir nanotubau carbon yn y papur hwn) mewn plasma tâl trydan sy'n llosgi gyda'r defnydd o heliwm. Gellir gwneud proses o'r fath gyda chymorth offer technegol arbennig ar gyfer cael fullerenes. Ond mae'r dull hwn yn defnyddio dulliau eraill o losgi arc. Er enghraifft, mae'r dwysedd presennol yn cael ei ostwng, a chaiff cathodau o drwch enfawr eu defnyddio hefyd. Er mwyn creu awyrgylch o helio, mae angen cynyddu pwysedd yr elfen gemegol hon. Ceir nanotubau carbon drwy chwistrellu. Er mwyn cynyddu eu rhif, mae angen cyflwyno catalydd i'r gwialen graffit. Yn fwyaf aml mae'n gymysgedd o wahanol grwpiau metel. Ymhellach, mae'r pwysau a'r dull o chwistrellu yn newid. Felly, ceir blaendal cathod, lle mae nanotubau carbon yn cael eu ffurfio. Mae cynhyrchion gorffenedig yn tyfu yn berpendiclyd o'r cathod ac yn cael eu cynnwys mewn bwndeli. Mae ganddynt hyd o 40 μm.

Ablad. Dyfeisiwyd y dull hwn gan Richard Smalli. Ei hanfod yw anweddu arwynebau graffit gwahanol mewn adweithydd sy'n gweithredu ar dymheredd uchel. Mae nanotubau carbon yn cael eu ffurfio o ganlyniad i anweddiad graffit ar ran isaf yr adweithydd. Mae oeri a chasglu ohonynt yn digwydd gyda chymorth arwyneb oeri. Os yn yr achos cyntaf, roedd nifer yr elfennau yn 60%, yna gyda'r dull hwn cynyddodd y ffigwr 10%. Mae cost y dull abladiad laser yn ddrutach na'r holl bobl eraill. Fel rheol, cynhyrchir nanotubau â waliau sengl oherwydd newid yn y tymheredd ymateb.

Gwres o'r cyfnod nwy. Dyfeisiwyd y dull o adael anwedd carbon yn y 1950au hwyr. Ond ni wnaeth unrhyw un hyd yn oed ddychmygu y gellid cynhyrchu nanotubau carbon gyda'i help. Felly, yn gyntaf mae angen i chi baratoi arwyneb gyda gatalydd. Gan ei fod yn gallu gwasanaethu gronynnau dirwy o wahanol fetelau, er enghraifft, cobalt, nicel a llawer o bobl eraill. Mae Nanotubes yn dechrau dod i'r amlwg o'r gwely catalydd. Mae eu trwch yn dibynnu'n uniongyrchol ar faint y metel catalio. Caiff yr wyneb ei gynhesu i dymheredd uchel, ac yna cyflenwir nwy sy'n cynnwys carbon. Yn eu plith - methan, acetal, ethanol, ac ati. Fel nwy technegol ychwanegol mae amonia. Y dull hwn o gael nanotubau yw'r mwyaf cyffredin. Mae'r broses ei hun yn digwydd mewn amrywiol fentrau diwydiannol, sy'n golygu bod llai o arian yn cael ei wario i gynhyrchu nifer fawr o diwbiau. Mantais arall o'r dull hwn yw y gellir cael elfennau fertigol o unrhyw gronynnau metel sy'n gweithredu fel catalydd. Daeth y cynhyrchu (disgrifir carbon nanotubau o bob ochr) yn bosibl, diolch i astudiaethau Suomi Iijima, a arsylwyd o dan ficrosgop ar ôl eu hymddangosiad o ganlyniad i synthesis carbon.

Golygfeydd sylfaenol

Mae elfennau carbon yn cael eu dosbarthu gan nifer yr haenau. Y ffurf symlaf yw nanotiwbiau carbon sengl. Mae gan bob un ohonynt drwch o tua 1 nm, a gall eu hyd fod yn llawer mwy. Os ydym yn ystyried y strwythur, yna mae'r cynnyrch yn edrych fel graffit lapio gyda grid hecsagonol. Ar ei fertigau ceir atomau carbon. Felly, mae gan y tiwb siâp silindr, nad oes ganddo unrhyw hawnau. Mae rhan uchaf y dyfeisiau ar gau gyda chaeadau sy'n cynnwys moleciwlau fullerene.

Y math nesaf yw nanotubau carbon aml-haen. Maent yn cynnwys nifer o haenau o graffit, sydd wedi'u pentyrru yn siâp silindr. Rhyngddynt, cynhelir pellter o 0.34 nm. Disgrifir strwythur o'r math hwn mewn dwy ffordd. Ar y cyntaf, mae tiwbiau multilayer yn nifer o tiwbiau un-haenog sy'n nythu sy'n debyg i ddol nythu. Yn yr ail, mae nanotubau aml-haen yn daflen o graffit, sy'n troi o gwmpas ei hun sawl gwaith, sy'n edrych fel papur newydd plygu.

Nanotubau carbon: cais

Mae'r elfennau yn gynrychiolydd absoliwt newydd o'r dosbarth o nanatalogau. Fel y crybwyllwyd o'r blaen, mae ganddynt strwythur fframwaith, sy'n wahanol i eiddo o graffit neu diemwnt. Dyna pam eu bod yn cael eu defnyddio llawer yn fwy aml na deunyddiau eraill.

Oherwydd nodweddion o'r fath fel cryfder, plygu, dargludedd, yn cael eu defnyddio mewn sawl ardal:

• Fel ychwanegion i bolymerau;
• Catalydd ar gyfer dyfeisiau goleuo, yn ogystal ag arddangosfeydd gwastad a thiwbiau mewn rhwydweithiau telathrebu;
• Fel amsugno o tonnau electromagnetig;
• Am drosi ynni;
• Gweithgynhyrchu anodau mewn gwahanol fathau o batris;
• Storio hydrogen;
• Gweithgynhyrchu synwyryddion a chynwysorau;
• Cynhyrchu cyfansawdd a chryfhau eu strwythur a'u heiddo.

Am flynyddoedd lawer, ni ddefnyddir carbon nanotubau, nad yw ei ddefnydd yn gyfyngedig i un diwydiant penodol, mewn ymchwil wyddonol. Mae gan ddeunydd o'r fath swyddi gwan yn y farchnad, gan fod problemau gyda chynhyrchu ar raddfa fawr. Pwynt pwysig arall yw cost uchel nanotubau carbon, sydd tua $ 120 y gram o sylwedd o'r fath.

Fe'u defnyddir fel y prif elfen ar gyfer cynhyrchu llawer o gyfansoddion, a ddefnyddir i gynhyrchu llawer o gynhyrchion chwaraeon. Diwydiant ceir yw diwydiant arall. Mae swyddogaethu nanotubau carbon yn y maes hwn yn cael ei ostwng i roi polymerau i eiddo cyrchol.

Mae cyfernod cynhwysedd thermol nanotubau yn ddigon uchel, felly gellir eu defnyddio fel dyfais oeri ar gyfer gwahanol offer enfawr. Hefyd, ohonynt, mae'r awgrymiadau'n cael eu gwneud, sydd ynghlwm wrth y tiwbiau chwilio.

Y maes cais pwysicaf yw technolegau cyfrifiadurol. Diolch i nanotubau, yn enwedig mae crëwyd arddangosfeydd gwastad. Gyda'u cymorth, gallwch leihau'r dimensiynau cyffredinol y cyfrifiadur ei hun yn sylweddol, yn ogystal â chynyddu ei berfformiad technegol. Bydd offer gorffenedig sawl gwaith yn uwch na thechnolegau presennol. Yn seiliedig ar yr astudiaethau hyn, gellir creu kinescopes uchel-foltedd.

Dros amser, bydd y tiwbiau'n cael eu defnyddio nid yn unig mewn electroneg, ond hefyd mewn meysydd meddygol ac ynni.

Cynhyrchu

Caiff tiwbiau carbon, y mae eu cynhyrchu yn cael ei ddosbarthu rhwng eu dau rywogaeth, wedi'i ddosbarthu'n anwastad. Hynny yw, mae MWNT yn cynhyrchu llawer mwy na SWNT. Mae'r ail fath yn cael ei wneud rhag ofn bod angen anghenus. Mae cwmnïau gwahanol yn cynhyrchu nanotubau carbon yn gyson. Ond nid ydynt yn ymarferol yn defnyddio'r galw, gan fod eu cost yn cael ei orbwysleisio.

Arweinwyr Cynhyrchu

Hyd yma, mae gwledydd Asia yn byw yn y lle blaenllaw wrth gynhyrchu nanotubau carbon, y mae eu gallu cynhyrchu yn dair gwaith yn uwch nag mewn gwledydd eraill Ewrop ac America. Yn benodol, Japan yw gwneuthurwr MWNT. Ond nid yw gwledydd eraill, megis Korea a Tsieina, yn israddol yn y dangosydd hwn.

Cynhyrchu yn Rwsia

Mae cynhyrchu domestig o nanotubau carbon yn gorwedd ymhell y tu ôl i wledydd eraill. Mewn gwirionedd, mae popeth yn dibynnu ar ansawdd yr ymchwil yn yr ardal hon. Nid yw'n dyrannu digon o adnoddau ariannol i greu canolfannau gwyddonol a thechnolegol yn y wlad. Nid yw llawer o bobl yn gweld datblygiadau ym maes nanotechnoleg, gan nad ydynt yn gwybod sut y gellir ei ddefnyddio mewn diwydiant. Felly, mae pontio yr economi i lwybr newydd yn eithaf anodd.

Felly, cyhoeddodd Llywydd Rwsia archddyfarniad, sy'n nodi datblygiad gwahanol feysydd nanotechnoleg, gan gynnwys elfennau carbon. At y dibenion hyn, crewyd rhaglen arbennig ar gyfer datblygu a chynhyrchu technolegau ei hun . Er mwyn sicrhau bod pob eitem o'r gorchymyn yn cael ei weithredu, sefydlwyd y cwmni "Rosnanotech". Dyrannwyd swm sylweddol o gyllideb y wladwriaeth ar gyfer ei weithrediad. Hi yw pwy sy'n gorfod rheoli'r broses o ddatblygu, cynhyrchu a chyflwyno i mewn i faes diwydiannol nanotubau carbon. Bydd y swm a ddyrennir yn cael ei wario ar greu amrywiol sefydliadau ymchwil a labordai, a bydd hefyd yn caniatáu cryfhau cyflawniadau presennol gwyddonwyr domestig. Hefyd, bydd y cronfeydd hyn yn mynd i brynu offer o ansawdd uchel ar gyfer cynhyrchu nanotubau carbon. Mae hefyd yn angenrheidiol gofalu am yr addasiadau hynny a fydd yn diogelu iechyd pobl, gan fod y deunydd hwn yn achosi llawer o afiechydon.

Fel y nodwyd yn gynharach, y broblem gyfan yw denu arian. Nid yw'r rhan fwyaf o fuddsoddwyr am fuddsoddi mewn datblygiadau gwyddonol, yn enwedig ers amser maith. Mae pob busnes eisiau gweld elw, ond gall nanoscale fynd am flynyddoedd. Dyma sy'n cynrychioli cynrychiolwyr busnesau bach a chanolig eu maint. Yn ogystal, heb fuddsoddiad cyhoeddus, ni fydd yn bosibl lansio cynhyrchiad nanomaterials yn llawn. Problem arall yw diffyg fframwaith cyfreithiol, gan nad oes cysylltiad canolradd rhwng y gwahanol lefelau busnes. Felly, nid yw nanotubau carbon, nad yw eu cynhyrchu yn Rwsia yn y galw, yn gofyn nid yn unig yn fuddsoddiadau ariannol ond hefyd yn feddyliol. Er bod Rwsia ymhell o wledydd Asia, sy'n arwain wrth ddatblygu nanotechnoleg.

Hyd yn hyn, mae datblygiadau yn y maes hwn yn cael eu cynnal yn y cyfadrannau cemegol o wahanol brifysgolion ym Moscow, Tambov, St Petersburg, Novosibirsk a Kazan. Cynhyrchwyr blaenllaw nanotubau carbon yw'r cwmni Granat a'r planhigyn Tambov Komsomolets.

Ochrau cadarnhaol a negyddol

Ymhlith y teilyngdod, gall un allan eiddo arbennig carbon nanotubau. Maent yn ddeunydd gwydn nad yw'n cwympo o dan ddylanwad dylanwadau mecanyddol. Yn ogystal, maent yn gweithio'n dda ar gyfer plygu ac ymestyn. Gwnaed hyn yn bosib trwy strwythur ffrâm caeëdig. Nid yw eu cais yn gyfyngedig i un diwydiant. Mae tiwbiau wedi dod o hyd i gais mewn modurol, electroneg, meddygaeth ac egni.

Anfantais anferth yw'r effaith negyddol ar iechyd pobl. Mae elfennau o nanotubau, mynd i mewn i'r corff dynol, yn arwain at ymddangosiad tiwmorau a chanser malaen.

Y rhan hanfodol yw ariannu'r diwydiant hwn. Nid yw llawer o bobl am fuddsoddi mewn gwyddoniaeth, gan ei fod yn cymryd llawer o amser i wneud elw. Ac heb weithrediad labordai ymchwil gwyddonol, mae datblygu nanotechnoleg yn amhosibl.

Casgliad

Mae nanotubau carbon yn chwarae rhan bwysig mewn technolegau arloesol. Mae llawer o arbenigwyr yn rhagfynegi twf y diwydiant hwn yn y blynyddoedd i ddod. Bydd cynnydd sylweddol mewn cyfleoedd cynhyrchu, a fydd yn arwain at ostyngiad yng nghost y nwyddau. Gyda'r gostyngiad yn y pris, bydd galw mawr ar y tiwbiau, a byddant yn dod yn ddeunydd anhepgor ar gyfer llawer o ddyfeisiau ac offer.

Felly, fe wnaethom ddarganfod beth mae'r cynhyrchion hyn yn eu cynrychioli.