Энергетика – адам өмірінде үлкен рөл атқаратын маңызды сала. Еліміздің энергетикалық жағдайы осы саладағы көптеген ғалымдардың еңбектеріне байланысты. Бүгінде олар баламалы энергия көздерін іздеуде. Осы мақсаттар үшін олар күн сәулесі мен судан бастап, ауа энергиясына дейін кез келген нәрсені пайдалануға дайын. Қоршаған ортадан энергия өндіре алатын жабдық жоғары бағаланады.
Жалпы ақпарат
Көміртекті нанотүтікшелер цилиндрлік пішіні бар ұзартылған илектелген графиттік ұшақтар. Әдетте, олардың қалыңдығы бірнеше ондаған нанометрге жетеді, ұзындығы бірнеше сантиметр. Нанотүтіктердің соңында фуллерен бөліктерінің бірі болып табылатын сфералық басы пайда болады.
Көміртекті нанотүтіктердің екі түрі бар: металл және жартылай өткізгіш. Олардың негізгі айырмашылығы токтың өткізгіштігі болып табылады. Бірінші түрі токты 0ºС-қа тең температурада, ал екіншісі - тек жоғары температурада өткізе алады.
Көміртекті нанотүтіктер: қасиеттері
Көбісіқолданбалы химия немесе нанотехнология сияқты заманауи салалар көміртекті жақтау құрылымы бар нанотүтіктермен байланысты. Бұл не? Бұл құрылым тек көміртек атомдарымен байланысқан үлкен молекулаларға жатады. Қасиеттері жабық қабықшаға негізделген көміртекті нанотүтікшелер жоғары бағаланады. Сонымен қатар, бұл түзілімдер цилиндрлік пішінге ие. Мұндай түтіктерді графит парағын бүктеу арқылы алуға немесе белгілі бір катализатордан өсіруге болады. Фотосуреттері төменде берілген көміртекті нанотүтіктердің құрылымы ерекше.
Олар әртүрлі пішіндер мен өлшемдерде келеді: бір қабатты және көп қабатты, түзу және қиғаш. Нанотүтіктер өте нәзік көрінгенімен, олар берік материал. Көптеген зерттеулер нәтижесінде олардың созылу, иілу сияқты қасиеттері бар екені анықталды. Күрделі механикалық жүктемелердің әсерінен элементтер жыртылмайды және сынбайды, яғни олар әртүрлі кернеулерге бейімделе алады.
Улылық
Көптеген зерттеулер нәтижесінде көміртекті нанотүтіктер асбест талшықтары сияқты проблемаларды тудыруы мүмкін екендігі анықталды, яғни әртүрлі қатерлі ісіктер, сонымен қатар өкпе ісігі пайда болады. Асбесттің теріс әсер ету дәрежесі оның талшықтарының түріне және қалыңдығына байланысты. Көміртекті нанотүтіктер салмағы мен көлемі жағынан шағын болғандықтан, олар адам ағзасына ауамен оңай енеді. Әрі қарай, олар плевраға еніп, кеудеге енеді және уақыт өте келетүрлі асқынулар туғызады. Ғалымдар эксперимент жүргізіп, тышқандардың азығына нанотүтіктердің бөлшектерін қосты. Кішігірім диаметрлі өнімдер іс жүзінде денеде ұзаққа созылмады, бірақ үлкеніректері асқазанның қабырғаларын қазып, әртүрлі ауруларды тудырды.
Әдістерді алу
Бүгінгі таңда көміртекті нанотүтіктерді алудың келесі әдістері бар: доғалық заряд, абляция, бумен тұндыру.
Электр доғасының разряды. Гелийді қолдану арқылы жанатын электр зарядының плазмасында (көміртекті нанотүтіктер осы мақалада сипатталған) алу. Мұндай процесті фуллерендер өндіруге арналған арнайы техникалық жабдықты қолдану арқылы жүзеге асыруға болады. Бірақ бұл әдіспен доғаны жағудың басқа режимдері қолданылады. Мысалы, токтың тығыздығы азаяды, сонымен қатар үлкен қалыңдықтағы катодтар қолданылады. Гелий атмосферасын құру үшін осы химиялық элементтің қысымын арттыру қажет. Көміртекті нанотүтіктер тозаңдату арқылы алынады. Олардың санын көбейту үшін графит таяқшасына катализаторды енгізу керек. Көбінесе бұл әртүрлі металл топтарының қоспасы. Әрі қарай қысымның және бүрку әдісінің өзгеруі байқалады. Осылайша, көміртекті нанотүтікшелер түзілетін катодтық кен орны алынады. Дайын өнімдер катодқа перпендикуляр өседі және дестелерге жиналады. Олардың ұзындығы 40 мкм.
Абляция. Бұл әдісті Ричард Смолли ойлап тапқан. Оның мәні жоғары температурада жұмыс істейтін реакторда әртүрлі графит беттерін буландыру болып табылады. Көміртекті нанотүтікшелер түбіндегі графиттің булануы нәтижесінде пайда боладыреактор бөліктері.
Олар салқындатады және салқындатқыш бетті пайдаланып жиналады. Егер бірінші жағдайда элементтер саны 60%-ға тең болса, онда бұл әдіспен көрсеткіш 10%-ға өсті. Лазерлік абсолюция әдісінің құны басқаларына қарағанда қымбатырақ. Әдетте, бір қабырғалы нанотүтіктер реакция температурасын өзгерту арқылы алынады.
Газ фазасынан тұндыру. Көміртек буларын тұндыру әдісі 50-ші жылдардың соңында ойлап табылды. Бірақ онымен көміртекті нанотүтіктерді алуға болатынын ешкім елестеткен де жоқ. Сонымен, алдымен катализатормен бетті дайындау керек. Оған әртүрлі металдардың ұсақ бөлшектері, мысалы, кобальт, никель және басқалары қызмет ете алады. Нанотүтіктер катализатор қабатынан шыға бастайды. Олардың қалыңдығы катализдеуші металдың мөлшеріне тікелей байланысты. Беткі қабат жоғары температураға дейін қызады, содан кейін көміртегі бар газ беріледі. Олардың ішінде метан, ацетилен, этанол және т.б.. Аммиак қосымша техникалық газ қызметін атқарады. Нанотүтіктерді алудың бұл әдісі ең кең таралған. Процестің өзі әртүрлі өнеркәсіптік кәсіпорындарда орын алады, соның арқасында түтіктердің көп мөлшерін өндіруге аз қаржы ресурстары жұмсалады. Бұл әдістің тағы бір артықшылығы катализатор қызметін атқаратын кез келген металл бөлшектерінен тік элементтерді алуға болады. Алу (көміртекті нанотүтіктер барлық жағынан сипатталған) Суоми Иидзиманың зерттеулерінің арқасында мүмкін болды, олмикроскоппен олардың көміртегі синтезі нәтижесінде пайда болуын бақылайды.
Негізгі түрлер
Көміртек элементтері қабаттар саны бойынша жіктеледі. Ең қарапайым түрі - бір қабырғалы көміртекті нанотүтіктер. Олардың әрқайсысының қалыңдығы шамамен 1 нм, ал олардың ұзындығы әлдеқайда ұзағырақ болуы мүмкін. Егер құрылымды қарастыратын болсақ, онда өнім алтыбұрышты тормен графитті орауға ұқсайды. Оның жоғарғы жағында көміртегі атомдары орналасқан. Осылайша, түтік цилиндрдің пішініне ие, оның тігістері жоқ. Құрылғылардың жоғарғы бөлігі фуллерен молекулаларынан тұратын қақпақтармен жабылған.
Келесі көрініс - көп қабатты көміртекті нанотүтіктер. Олар цилиндр пішініне бүктелген графиттің бірнеше қабаттарынан тұрады. Олардың арасында 0,34 нм қашықтық сақталады. Бұл түрдегі құрылым екі жолмен сипатталады. Біріншісі бойынша, көп қабатты түтіктер - бұл ұя салатын қуыршаққа ұқсайтын бір-біріне салынған бірнеше бір қабатты түтіктер. Екіншісіне сәйкес, көпқабатты нанотүтікшелер - бүктелген газетке ұқсайтын бірнеше рет айналатын графит парағы.
Көміртекті нанотүтіктер: қолданбалар
Элементтер наноматериалдар класының абсолютті жаңа өкілі.
Бұрын айтылғандай, олардың графиттен немесе алмаздан қасиеттерімен ерекшеленетін жақтау құрылымы бар. Сондықтан олар басқа материалдарға қарағанда әлдеқайда жиі пайдаланылады.
Мықтылық, иілу, өткізгіштік сияқты сипаттамаларының арқасында ол көптеген салаларда қолданылады:
- полимерлерге қоспалар ретінде;
- жарықтандыру құрылғыларына, сондай-ақ телекоммуникация желілеріндегі жалпақ панельдік дисплейлерге және телефон телефондарына арналған катализатор;
- электромагниттік толқын сіңіргіш ретінде;
- энергияны түрлендіру үшін;
- әр түрлі аккумуляторлардағы анодтарды өндіру;
- сутегі қоймасы;
- датчиктер мен конденсаторлар өндірісі;
- композиттер өндіру және олардың құрылымы мен қасиеттерін нығайту.
Көптеген жылдар бойы қолдануы белгілі бір саламен шектелмейтін көміртекті нанотүтіктер ғылыми зерттеулерде қолданылып келеді. Мұндай материал нарықта әлсіз позицияға ие, өйткені ауқымды өндірісте проблемалар бар. Тағы бір маңызды мәселе - көміртекті нанотүтіктердің жоғары құны, ол мұндай заттың бір граммына шамамен $120 құрайды.
Олар көптеген спорттық тауарларды жасау үшін қолданылатын көптеген композиттерді өндіру үшін негізгі элемент ретінде пайдаланылады. Тағы бір сала – автомобиль өнеркәсібі. Бұл саладағы көміртекті нанотүтіктердің функционалдығы өткізгіштік қасиеттері бар полимерлерге дейін азаяды.
Нанотүтіктердің жылу өткізгіштігі жеткілікті жоғары, сондықтан оларды әртүрлі массивтік жабдықты салқындату құрылғысы ретінде пайдалануға болады. Олар сонымен қатар зонд түтіктеріне бекітілген ұштарды жасау үшін қолданылады.
Ең маңызды қолданбалы сала – компьютерлік технология. Нанотүтіктердің арқасында әсіресе тегіс дисплейлер жасалады. Оларды айтарлықтай азайту үшін пайдалануға боладыкомпьютердің өзінің жалпы өлшемдері, сонымен қатар оның техникалық өнімділігін арттыру. Дайын жабдық қазіргі технологиялардан бірнеше есе жоғары болады. Осы зерттеулер негізінде жоғары вольтты кинескоптарды жасауға болады.
Уақыт өте келе түтіктер электроникада ғана емес, медициналық және энергетикалық салаларда да қолданылатын болады.
Өндіріс
Өндірісі екі түрге бөлінген көміртекті түтіктер біркелкі таралмаған.
Сондықтан MWNTs SWNT-ге қарағанда әлдеқайда көп жасайды. Екінші түрі шұғыл қажет болған жағдайда жасалады. Әртүрлі компаниялар көміртекті нанотүтіктерді үздіксіз шығарады. Бірақ олар іс жүзінде сұранысқа ие емес, өйткені олардың құны тым жоғары.
Өндіріс көшбасшылары
Бүгінгі таңда көміртекті нанотүтіктерді өндіруде жетекші орынды Азия елдері алады, олардың өндірістік мүмкіндіктері Еуропа мен Американың басқа елдерімен салыстырғанда 3 есе жоғары. Атап айтқанда, Жапония MWNT өндірумен айналысады. Бірақ Корея мен Қытай сияқты басқа елдер бұл көрсеткіштен кем түспейді.
Ресейдегі өндіріс
Көміртекті нанотүтіктердің отандық өндірісі басқа елдерден әлдеқайда артта қалды. Шын мәнінде, бәрі осы саладағы зерттеулердің сапасына байланысты. Елімізде ғылыми-техникалық орталықтар құруға қаржы ресурстарын жеткіліксіз бөледі. Көптеген адамдар нанотехнология саласындағы әзірлемелерді қабылдамайды, өйткені олар оны өнеркәсіпте қалай қолдануға болатынын білмейді. Сондықтан экономиканың ауысуыжаңа жол өте қиын.
Сондықтан Ресей Президенті жарлық шығарды, онда нанотехнологияның әртүрлі бағыттарын, соның ішінде көміртегі элементтерін дамытуды көрсетеді. Осы мақсаттар үшін өзіміздің технологияларды әзірлеу және өндіру үшін арнайы бағдарлама жасалды.
Тапсырыстың барлық тармақтарын орындау үшін Rosnanotech компаниясы құрылды. Оның жұмыс істеуіне мемлекеттік бюджеттен қомақты сома бөлінді. Ол көміртекті нанотүтіктерді әзірлеу, өндіру және өнеркәсіптік салаға енгізу процесін бақылауы керек. Бөлінген сома түрлі ғылыми-зерттеу институттары мен зертханалар құруға жұмсалады, сонымен қатар отандық ғалымдардың қол жеткен жетістіктерін нығайтады. Сондай-ақ, бұл қаражат көміртекті нанотүтіктерді өндіруге арналған жоғары сапалы құрал-жабдықтарды сатып алуға жұмсалады. Сондай-ақ адам денсаулығын қорғайтын құрылғыларға қамқорлық жасаған жөн, өйткені бұл материал көптеген ауруларды тудырады.
Бұған дейін айтылғандай, барлық мәселе қаражат жинауда. Инвесторлардың көпшілігі ғылыми зерттеулер мен әзірлемелерге, әсіресе ұзақ уақыт бойы инвестиция салғысы келмейді. Барлық бизнесмендер пайда көргісі келеді, бірақ нанодамыту жылдарға созылуы мүмкін. Бұл шағын және орта бизнес өкілдерін тойтарып отыр. Сонымен қатар, мемлекеттік инвестициясыз наноматериалдар өндірісін толықтай іске қосу мүмкін емес.
Тағы бір мәселезаңдық базаның жоқтығы болып табылады, өйткені бизнестің әртүрлі кезеңдері арасында аралық байланыс жоқ. Сондықтан өндірісі Ресейде сұранысқа ие емес көміртекті нанотүтіктер тек қаржылық емес, сонымен қатар ақыл-ой инвестицияларын талап етеді. Әзірге Ресей Федерациясы нанотехнологияларды дамытуда көш бастап келе жатқан Азия елдерінен алыс.
Бүгінде бұл саладағы әзірлемелер Мәскеу, Тамбов, Санкт-Петербург, Новосибирск және Қазан қалаларындағы әртүрлі университеттердің химия факультеттерінде жүзеге асырылады. Көміртекті нанотүтіктердің жетекші өндірушілері - Гранат компаниясы мен Тамбовтағы Комсомолец зауыты.
Жақсы және жаман жақтары
Артықшылықтардың қатарында көміртекті нанотүтіктердің ерекше қасиеттері бар. Олар механикалық әсерлердің әсерінен құлап кетпейтін берік материал. Сонымен қатар, олар иілу және созылу үшін жақсы жұмыс істейді. Бұл жабық жақтау құрылымының арқасында мүмкін болды. Олардың қолданылуы бір саламен шектелмейді. Түтіктер автомобиль, электроника, медицина және энергетика салаларында қолданылады.
Үлкен кемшілігі – адам денсаулығына кері әсері.
Нанотүтікшелердің адам ағзасына түсетін бөлшектері қатерлі ісіктердің және қатерлі ісіктердің пайда болуына әкеледі.
Маңызды жағы – бұл саланы қаржыландыру. Көптеген адамдар ғылымға ақша салғысы келмейді, өйткені пайда табу үшін көп уақыт қажет. Ал ғылыми-зерттеу зертханалары жұмыс істемей, нанотехнологияларды дамытумүмкін емес.
Қорытынды
Көміртекті нанотүтіктер инновациялық технологияларда маңызды рөл атқарады. Көптеген сарапшылар бұл саланың алдағы жылдары өсетінін болжайды. Өндірістік мүмкіндіктер айтарлықтай артады, бұл өнімнің өзіндік құнының төмендеуіне әкеледі. Бағаның төмендеуімен түтіктер үлкен сұранысқа ие болады және көптеген құрылғылар мен жабдықтар үшін таптырмас материал болады.
Сонымен біз бұл өнімдердің не екенін білдік.
