الطاقة صناعة مهمة تلعب دورًا كبيرًا في حياة الإنسان. تعتمد حالة الطاقة في البلاد على عمل العديد من العلماء في هذا المجال. اليوم يبحثون عن مصادر طاقة بديلة. لهذه الأغراض ، فهم جاهزون لاستخدام أي شيء ، بدءًا من ضوء الشمس والماء وانتهاءً بطاقة الهواء. المعدات التي يمكن أن تولد الطاقة من البيئة ذات قيمة عالية.
معلومات عامة
الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن طائرات من الجرافيت مدرفلة ممتدة لها شكل أسطواني. كقاعدة عامة ، يصل سمكها إلى عدة عشرات من النانومترات ، ويبلغ طولها عدة سنتيمترات. في نهاية الأنابيب النانوية ، يتكون رأس كروي ، وهو أحد أجزاء الفوليرين.
هناك نوعان من الأنابيب النانوية الكربونية: المعدن وأشباه الموصلات. الفرق الرئيسي بينهما هو موصلية التيار. النوع الأول يمكنه توصيل التيار عند درجة حرارة تساوي 0 درجة مئوية ، والثاني - فقط عند درجات حرارة مرتفعة.
الأنابيب النانوية الكربونية: الخصائص
معظمترتبط المجالات الحديثة ، مثل الكيمياء التطبيقية أو تقنية النانو ، بالأنابيب النانوية ، التي لها هيكل إطار كربوني. ما هذا؟ يشير هذا الهيكل إلى جزيئات كبيرة مرتبطة ببعضها البعض فقط بواسطة ذرات الكربون. الأنابيب النانوية الكربونية ، التي تعتمد خصائصها على غلاف مغلق ، ذات قيمة عالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه التكوينات لها شكل أسطواني. يمكن الحصول على هذه الأنابيب عن طريق طي ورقة الجرافيت ، أو النمو من محفز معين. الأنابيب النانوية الكربونية ، الصور معروضة أدناه ، لها هيكل غير عادي.
تأتي بأشكال وأحجام مختلفة: طبقة واحدة ومتعددة الطبقات ، مستقيمة ومتعرجة. على الرغم من حقيقة أن الأنابيب النانوية تبدو هشة للغاية ، إلا أنها مادة قوية. نتيجة للعديد من الدراسات ، وجد أن لها خصائص مثل التمدد والانحناء. تحت تأثير الأحمال الميكانيكية الخطيرة ، لا تتمزق العناصر أو تنكسر ، أي أنها يمكن أن تتكيف مع الفولتية المختلفة.
السمية
نتيجة لدراسات متعددة ، وجد أن الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تسبب نفس مشاكل ألياف الأسبست ، أي أن الأورام الخبيثة المختلفة تحدث ، وكذلك سرطان الرئة. تعتمد درجة التأثير السلبي للأسبستوس على نوع وسمك أليافه. نظرًا لأن الأنابيب النانوية الكربونية صغيرة الوزن والحجم ، فإنها تدخل جسم الإنسان بسهولة بالهواء. علاوة على ذلك ، يدخلون غشاء الجنب ويدخلون الصدر ، ومع مرور الوقتتسبب مضاعفات مختلفة. أجرى العلماء تجربة وأضافوا جزيئات من الأنابيب النانوية إلى طعام الفئران. المنتجات ذات القطر الصغير عمليا لم تبق في الجسم ، لكن المنتجات الأكبر حجما حفرت في جدران المعدة وتسببت في أمراض مختلفة.
الحصول على الأساليب
اليوم ، هناك الطرق التالية للحصول على الأنابيب النانوية الكربونية: شحنة القوس ، الاجتثاث ، ترسيب البخار.
تفريغ القوس الكهربائي. الحصول على (الأنابيب النانوية الكربونية موصوفة في هذه المقالة) في بلازما من الشحنة الكهربائية ، والتي تحترق باستخدام الهيليوم. يمكن تنفيذ هذه العملية باستخدام معدات تقنية خاصة لإنتاج الفوليرين. ولكن باستخدام هذه الطريقة ، يتم استخدام طرق أخرى لحرق القوس. على سبيل المثال ، يتم تقليل كثافة التيار ، كما يتم استخدام الكاثودات ذات السماكة الهائلة. لخلق جو من الهيليوم ، من الضروري زيادة ضغط هذا العنصر الكيميائي. يتم الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق الرش. لزيادة عددها ، من الضروري إدخال محفز في قضيب الجرافيت. غالبًا ما يكون مزيجًا من مجموعات معدنية مختلفة. علاوة على ذلك ، هناك تغيير في الضغط وطريقة الرش. وهكذا ، يتم الحصول على ترسيب كاثودي ، حيث تتشكل الأنابيب النانوية الكربونية. تنمو المنتجات النهائية بشكل عمودي على القطب السالب ويتم تجميعها في حزم. طولها 40 ميكرومتر
الاجتثاث. اخترع ريتشارد سمالي هذه الطريقة. جوهرها هو تبخير أسطح الجرافيت المختلفة في مفاعل يعمل عند درجات حرارة عالية. تتشكل الأنابيب النانوية الكربونية نتيجة لتبخر الجرافيت في القاعأجزاء من المفاعل.
يتم تبريدها وجمعها باستخدام سطح تبريد. إذا كان عدد العناصر في الحالة الأولى يساوي 60 ٪ ، فبهذه الطريقة زاد الرقم بنسبة 10 ٪. تكلفة طريقة إبطال الليزر أغلى من جميع الطرق الأخرى. كقاعدة عامة ، يتم الحصول على الأنابيب النانوية أحادية الجدار عن طريق تغيير درجة حرارة التفاعل.
ترسب من طور الغاز. تم اختراع طريقة ترسيب بخار الكربون في أواخر الخمسينيات. لكن لم يتخيل أحد أنه يمكن الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية بواسطته. لذلك ، تحتاج أولاً إلى تحضير السطح بمحفز. يمكن استخدام جزيئات صغيرة من معادن مختلفة ، على سبيل المثال ، الكوبالت والنيكل وغيرها الكثير. تبدأ الأنابيب النانوية في الظهور من طبقة المحفز. سمكها يعتمد بشكل مباشر على حجم المعدن المحفز. يتم تسخين السطح إلى درجات حرارة عالية ، وبعد ذلك يتم توفير غاز يحتوي على الكربون. من بينها الميثان ، الأسيتيلين ، الإيثانول ، إلخ. تعمل الأمونيا كغاز تقني إضافي. هذه الطريقة في الحصول على الأنابيب النانوية هي الأكثر شيوعًا. تتم العملية نفسها في العديد من المؤسسات الصناعية ، حيث يتم إنفاق موارد مالية أقل لتصنيع عدد كبير من الأنابيب. ميزة أخرى لهذه الطريقة هي أنه يمكن الحصول على العناصر الرأسية من أي جسيمات معدنية تعمل كمحفز. أصبح الحصول على (الأنابيب النانوية الكربونية موصوفة من جميع الجوانب) ممكنًا بفضل بحث Suomi Iijima ، الذيلوحظ تحت المجهر لمظهرها نتيجة لتخليق الكربون.
الأنواع الرئيسية
يتم تصنيف عناصر الكربون حسب عدد الطبقات. أبسط نوع هو الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. يبلغ سمك كل منها حوالي 1 نانومتر ، ويمكن أن يكون طولها أطول من ذلك بكثير. إذا أخذنا في الاعتبار الهيكل ، فإن المنتج يبدو وكأنه غلاف الجرافيت بشبكة سداسية. في قممها ذرات الكربون. وبالتالي ، فإن الأنبوب له شكل أسطوانة ، بدون طبقات. الجزء العلوي من الأجهزة مغلق بأغلفة تتكون من جزيئات الفوليرين.
العرض التالي هو الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الطبقات. وهي تتكون من عدة طبقات من الجرافيت مطوية على شكل أسطوانة. يتم الحفاظ على مسافة 0.34 نانومتر بينهما. يتم وصف هيكل من هذا النوع بطريقتين. وفقًا للأول ، فإن الأنابيب متعددة الطبقات عبارة عن عدة أنابيب أحادية الطبقة متداخلة مع بعضها البعض ، والتي تبدو وكأنها دمية متداخلة. وفقًا للثانية ، الأنابيب النانوية متعددة الطبقات عبارة عن ورقة من الجرافيت تلتف حول نفسها عدة مرات ، والتي تبدو وكأنها صحيفة مطوية.
الأنابيب النانوية الكربونية: التطبيقات
العناصر هي ممثل جديد تمامًا لفئة المواد النانوية.
كما ذكرنا سابقًا ، لديهم هيكل إطار ، والذي يختلف في خصائصه عن الجرافيت أو الماس. لهذا السبب يتم استخدامها في كثير من الأحيان أكثر من المواد الأخرى.
نظرًا لخصائصها مثل القوة والانحناء والتوصيل ، فهي تستخدم في العديد من المجالات:
- كإضافات للبوليمرات ؛
- محفز لأجهزة الإضاءة ، وكذلك شاشات العرض المسطحة والهواتف في شبكات الاتصالات ؛
- كممتص للموجات الكهرومغناطيسية ؛
- لتحويل الطاقة
- تصنيع الأنودات بأنواع مختلفة من البطاريات ؛
- تخزين الهيدروجين
- تصنيع أجهزة الاستشعار والمكثفات ؛
- إنتاج المركبات وتقوية هيكلها وخصائصها
لسنوات عديدة ، تم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية ، التي لا يقتصر تطبيقها على صناعة معينة ، في البحث العلمي. هذه المواد لها مكانة ضعيفة في السوق ، حيث توجد مشاكل في الإنتاج على نطاق واسع. نقطة أخرى مهمة هي التكلفة العالية للأنابيب النانوية الكربونية ، والتي تبلغ حوالي 120 دولارًا لكل جرام من هذه المادة.
يتم استخدامها كعنصر أساسي لإنتاج العديد من المواد المركبة ، والتي تستخدم في صناعة العديد من السلع الرياضية. صناعة أخرى هي صناعة السيارات. يتم تقليل وظيفة الأنابيب النانوية الكربونية في هذه المنطقة إلى منح البوليمرات بخصائص موصلة.
الموصلية الحرارية للأنابيب النانوية عالية بما يكفي لاستخدامها كجهاز تبريد لمختلف المعدات الضخمة. كما أنها تستخدم لعمل نصائح متصلة بأنابيب المجس.
أهم مجالات التطبيق هي تكنولوجيا الكمبيوتر. بفضل الأنابيب النانوية ، يتم إنشاء شاشات العرض المسطحة بشكل خاص. يمكن استخدامها لتقليل بشكل كبيرالأبعاد الكلية للحاسوب نفسه ، بالإضافة إلى زيادة أدائه الفني. ستكون المعدات النهائية أفضل بعدة مرات من التقنيات الحالية. بناءً على هذه الدراسات ، يمكن إنشاء مناظير حركية عالية الجهد.
بمرور الوقت ، سيتم استخدام الأنابيب ليس فقط في الإلكترونيات ، ولكن أيضًا في المجالات الطبية والطاقة.
الإنتاج
أنابيب الكربون ، التي يتم توزيع إنتاجها بين النوعين ، موزعة بشكل غير متساو.
لذا فإن MWNTs تحقق أكثر بكثير من SWNTs. النوع الثاني يتم في حالة الحاجة الماسة. تقوم العديد من الشركات بإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية باستمرار. لكنهم غير مطلوبين عمليًا ، لأن تكلفتهم مرتفعة للغاية.
قادة الإنتاج
اليوم ، تحتل الدول الآسيوية المكانة الرائدة في إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية ، التي تزيد قدراتها الإنتاجية بثلاث مرات عن البلدان الأخرى في أوروبا وأمريكا. على وجه الخصوص ، تعمل اليابان في تصنيع MWNT. لكن الدول الأخرى ، مثل كوريا والصين ، ليست أقل شأنا في هذا المؤشر.
الإنتاج في روسيا
الإنتاج المحلي للأنابيب النانوية الكربونية يتخلف كثيرًا عن البلدان الأخرى. في الواقع ، كل هذا يتوقف على جودة البحث في هذا المجال. لا تخصص موارد مالية كافية لإنشاء مراكز علمية وتكنولوجية في الدولة. لا يقبل الكثير من الناس التطورات في مجال تكنولوجيا النانو لأنهم لا يعرفون كيف يمكن استخدامها في الصناعة. لذلك ، تحول الاقتصادالمسار الجديد صعب جدا
لذلك ، أصدر رئيس روسيا مرسومًا يشير إلى تطوير مجالات مختلفة من تكنولوجيا النانو ، بما في ذلك عناصر الكربون. لهذه الأغراض ، تم إنشاء برنامج خاص لتطوير وإنتاج التقنيات الخاصة بنا.
من أجل تلبية جميع نقاط الطلب ، تم إنشاء شركة Rosnanotech. تم تخصيص مبلغ كبير من ميزانية الدولة لعملها. هي التي يجب أن تتحكم في عملية تطوير وإنتاج وإدخال الأنابيب النانوية الكربونية في المجال الصناعي. سيتم إنفاق المبلغ المخصص على إنشاء معاهد بحثية ومختبرات مختلفة ، كما سيعزز الإنجازات الحالية للعلماء المحليين. أيضًا ، سيتم استخدام هذه الأموال لشراء معدات عالية الجودة لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية. كما يجدر الاهتمام بتلك الأجهزة التي تحمي صحة الإنسان ، حيث أن هذه المادة تسبب العديد من الأمراض.
كما ذكرنا سابقًا ، فإن المشكلة برمتها تكمن في جمع الأموال. لا يرغب معظم المستثمرين في الاستثمار في البحث والتطوير ، خاصة لفترة طويلة. يرغب جميع رجال الأعمال في تحقيق الربح ، لكن تطوير النانو قد يستغرق سنوات. هذا ما ينفر ممثلي الشركات الصغيرة والمتوسطة. بالإضافة إلى ذلك ، بدون الاستثمار الحكومي ، لن يكون من الممكن إطلاق إنتاج المواد النانوية بشكل كامل.
مشكلة أخرىهو عدم وجود إطار قانوني ، حيث لا توجد صلة وسيطة بين مختلف مراحل العمل. لذلك ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية ، التي لا يطلب إنتاجها في روسيا ، لا تتطلب استثمارات مالية فحسب ، بل تتطلب أيضًا استثمارات عقلية. حتى الآن ، لا يزال الاتحاد الروسي بعيدًا عن الدول الآسيوية ، التي تقود تطوير تكنولوجيا النانو.
اليوم ، يتم تنفيذ التطورات في هذه الصناعة في الأقسام الكيميائية في جامعات مختلفة في موسكو وتامبوف وسانت بطرسبرغ ونوفوسيبيرسك وكازان. الشركات المصنعة الرائدة للأنابيب النانوية الكربونية هي شركة Granat ومصنع Komsomolets في تامبوف.
الجوانب الجيدة والسيئة
من بين المزايا الخصائص الخاصة للأنابيب النانوية الكربونية. إنها مادة متينة لا تنهار تحت تأثير التأثيرات الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تعمل بشكل جيد في الانحناء والتمدد. أصبح هذا ممكنًا من خلال هيكل الإطار المغلق. لا يقتصر تطبيقها على صناعة واحدة. تستخدم الأنابيب في صناعة السيارات والإلكترونيات والطب والطاقة
عيب كبير هو التأثير السلبي على صحة الإنسان.
دخول جزيئات الأنابيب النانوية إلى جسم الإنسان تؤدي إلى ظهور أورام خبيثة وسرطان.
الجانب الأساسي هو تمويل هذه الصناعة. لا يرغب الكثير من الناس في الاستثمار في العلم ، لأن تحقيق الربح يستغرق وقتًا طويلاً. وبدون عمل المعامل البحثية وتطوير تكنولوجيا النانومستحيل
الخلاصة
تلعب الأنابيب النانوية الكربونية دورًا مهمًا في التقنيات المبتكرة. يتوقع العديد من الخبراء نمو هذه الصناعة في السنوات القادمة. ستكون هناك زيادة كبيرة في القدرات الإنتاجية ، مما سيؤدي إلى انخفاض تكلفة البضائع. مع انخفاض السعر ، سيزداد الطلب على الأنابيب ، وستصبح مادة لا غنى عنها للعديد من الأجهزة والمعدات.
إذن ، اكتشفنا ما هي هذه المنتجات.
