Nishati ni tasnia muhimu ambayo ina jukumu kubwa katika maisha ya mwanadamu. Hali ya nishati ya nchi inategemea kazi ya wanasayansi wengi katika uwanja huu. Leo wanatafuta vyanzo mbadala vya nishati. Kwa madhumuni haya, wako tayari kutumia chochote, kuanzia jua na maji, kuishia na nishati ya hewa. Vifaa vinavyoweza kuzalisha nishati kutoka kwa mazingira vinathaminiwa sana.
Maelezo ya jumla
Nanotube za kaboni ni ndege za grafiti zilizoviringishwa zilizo na umbo la silinda. Kama sheria, unene wao hufikia makumi kadhaa ya nanometers, na urefu wa sentimita kadhaa. Mwishoni mwa nanotubes, kichwa cha duara huundwa, ambacho ni mojawapo ya sehemu za fullerene.
Kuna aina mbili za nanotube za kaboni: chuma na semicondukta. Tofauti yao kuu ni conductivity ya sasa. Aina ya kwanza inaweza kufanya mkondo kwa joto sawa na 0ºС, na ya pili - kwa halijoto ya juu pekee.
Nanotube za kaboni: mali
Nyingi zaidimaeneo ya kisasa, kama vile kemia iliyotumika au nanoteknolojia, yanahusishwa na nanotubes, ambazo zina muundo wa fremu ya kaboni. Ni nini? Muundo huu unarejelea molekuli kubwa zilizounganishwa pamoja tu na atomi za kaboni. Nanotubes za kaboni, ambazo mali zake zinatokana na shell iliyofungwa, zinathaminiwa sana. Kwa kuongeza, fomu hizi zina sura ya cylindrical. Vipu vile vinaweza kupatikana kwa kukunja karatasi ya grafiti, au kukua kutoka kwa kichocheo fulani. Nanotube za kaboni, picha ambazo zimewasilishwa hapa chini, zina muundo usio wa kawaida.
Zinakuja katika maumbo na ukubwa tofauti: zenye safu moja na zenye tabaka nyingi, zilizonyooka na zenye sinuous. Licha ya ukweli kwamba nanotubes inaonekana tete kabisa, ni nyenzo zenye nguvu. Kama matokeo ya tafiti nyingi, iligundulika kuwa zina mali kama vile kunyoosha na kuinama. Chini ya utendakazi wa mizigo mikubwa ya kimitambo, vipengee havipasuki au kukatika, yaani, vinaweza kubadilika kulingana na mikondo tofauti.
Sumu
Kutokana na tafiti nyingi, ilibainika kuwa nanotube za kaboni zinaweza kusababisha matatizo sawa na nyuzi za asbesto, yaani, uvimbe mbalimbali mbaya hutokea, pamoja na saratani ya mapafu. Kiwango cha athari mbaya ya asbesto inategemea aina na unene wa nyuzi zake. Kwa kuwa nanotubes za kaboni ni ndogo kwa uzito na ukubwa, huingia kwa urahisi kwenye mwili wa binadamu na hewa. Zaidi ya hayo, huingia kwenye pleura na kuingia kifua, na baada ya mudakusababisha matatizo mbalimbali. Wanasayansi walifanya majaribio na kuongeza chembechembe za nanotubes kwenye chakula cha panya. Bidhaa zenye kipenyo kidogo hazikudumu mwilini, lakini kubwa zaidi zilichimba kwenye kuta za tumbo na kusababisha magonjwa mbalimbali.
Mbinu za Kupata
Leo, kuna mbinu zifuatazo za kupata nanotubes za kaboni: chaji ya arc, ablation, uwekaji wa mvuke.
Utoaji wa arc ya umeme. Kupata (nanotubes ya kaboni ni ilivyoelezwa katika makala hii) katika plasma ya malipo ya umeme, ambayo huwaka kwa matumizi ya heliamu. Mchakato kama huo unaweza kufanywa kwa kutumia vifaa maalum vya kiufundi kwa utengenezaji wa fullerenes. Lakini kwa njia hii, njia nyingine za kuchomwa kwa arc hutumiwa. Kwa mfano, wiani wa sasa umepunguzwa, na cathodes ya unene mkubwa hutumiwa pia. Ili kuunda mazingira ya heliamu, ni muhimu kuongeza shinikizo la kipengele hiki cha kemikali. Nanotubes za kaboni hupatikana kwa sputtering. Ili kuongeza idadi yao, ni muhimu kuanzisha kichocheo kwenye fimbo ya grafiti. Mara nyingi ni mchanganyiko wa makundi mbalimbali ya chuma. Zaidi ya hayo, kuna mabadiliko katika shinikizo na njia ya kunyunyiza. Kwa hivyo, amana ya cathodic hupatikana, ambapo nanotubes za kaboni huundwa. Bidhaa zilizokamilishwa hukua perpendicular kwa cathode na hukusanywa katika vifungu. Zina urefu wa 40 µm.
Kutolewa. Njia hii iligunduliwa na Richard Smalley. Kiini chake ni kuyeyusha nyuso tofauti za grafiti kwenye reactor inayofanya kazi kwa joto la juu. Nanotubes za kaboni huundwa kama matokeo ya uvukizi wa grafiti chinisehemu za kinu.
Zimepozwa na kukusanywa kwa kutumia sehemu ya kupoeza. Ikiwa katika kesi ya kwanza, idadi ya vipengele ilikuwa sawa na 60%, basi kwa njia hii takwimu iliongezeka kwa 10%. Gharama ya njia ya kuondolewa kwa laser ni ghali zaidi kuliko wengine wote. Kama kanuni, nanotube zenye ukuta mmoja hupatikana kwa kubadilisha halijoto ya athari.
Uwekaji kutoka kwa awamu ya gesi. Mbinu ya uwekaji wa mvuke wa kaboni ilivumbuliwa mwishoni mwa miaka ya 50. Lakini hakuna hata mtu aliyefikiria kuwa nanotubes za kaboni zinaweza kupatikana nayo. Kwa hiyo, kwanza unahitaji kuandaa uso na kichocheo. Chembe ndogo za metali tofauti, kwa mfano, cob alt, nickel na wengine wengi, zinaweza kutumika kama hiyo. Nanotubes huanza kuibuka kutoka kwa kitanda cha kichocheo. Unene wao moja kwa moja inategemea ukubwa wa chuma cha kuchochea. Uso huo huwashwa kwa joto la juu, na kisha gesi yenye kaboni hutolewa. Miongoni mwao ni methane, asetilini, ethanoli, nk. Amonia hutumika kama gesi ya ziada ya kiufundi. Njia hii ya kupata nanotubes ndiyo inayojulikana zaidi. Mchakato yenyewe unafanyika katika makampuni mbalimbali ya viwanda, kutokana na ambayo rasilimali ndogo za fedha hutumiwa kwa ajili ya utengenezaji wa idadi kubwa ya zilizopo. Faida nyingine ya njia hii ni kwamba vipengele vya wima vinaweza kupatikana kutoka kwa chembe za chuma ambazo hutumika kama kichocheo. Kupata (nanotubes za kaboni zimeelezewa kutoka pande zote) ikawa shukrani inayowezekana kwa utafiti wa Suomi Iijima, ambayekuzingatiwa kwa darubini kwa kuonekana kwao kama matokeo ya usanisi wa kaboni.
Aina kuu
Vipengee vya kaboni huainishwa kulingana na idadi ya safu. Aina rahisi zaidi ni nanotubes za kaboni zenye ukuta mmoja. Kila mmoja wao ana unene wa karibu 1 nm, na urefu wao unaweza kuwa mrefu zaidi. Ikiwa tunazingatia muundo, basi bidhaa inaonekana kama grafiti ya kufunika na gridi ya hexagonal. Juu yake kuna atomi za kaboni. Hivyo, tube ina sura ya silinda, ambayo haina seams. Sehemu ya juu ya kifaa imefungwa kwa vifuniko vinavyojumuisha molekuli kamili.
Mwonekano unaofuata ni nanotube za kaboni zenye safu nyingi. Zinajumuisha tabaka kadhaa za grafiti, ambazo zimefungwa kwenye sura ya silinda. Umbali wa 0.34 nm huhifadhiwa kati yao. Muundo wa aina hii umeelezewa kwa njia mbili. Kulingana na ya kwanza, mirija ya multilayer ni mirija kadhaa ya safu moja iliyowekwa kwa kila mmoja, ambayo inaonekana kama doll ya nesting. Kulingana na ya pili, nanotube za safu nyingi ni karatasi ya grafiti ambayo hujifunika yenyewe mara kadhaa, ambayo inaonekana kama gazeti lililokunjwa.
Nanotube za kaboni: maombi
Elementi ni mwakilishi mpya kabisa wa aina ya nanomaterials.
Kama ilivyotajwa awali, zina muundo wa fremu, ambao hutofautiana katika sifa kutoka kwa grafiti au almasi. Ndiyo maana hutumiwa mara nyingi zaidi kuliko nyenzo zingine.
Kutokana na sifa zake kama vile uimara, kupinda, uchezaji, hutumika katika nyanja nyingi:
- kama nyongeza kwa polima;
- kichocheo cha vifaa vya kuwasha mwanga, pamoja na vionyesho vya paneli bapa na simu katika mitandao ya mawasiliano;
- kama kifyonza mawimbi ya kielektroniki;
- kwa ubadilishaji wa nishati;
- kutengeneza anodi katika aina mbalimbali za betri;
- hifadhi ya hidrojeni;
- utengenezaji wa vihisi na vidhibiti;
- utengenezaji wa viunzi na uimarishaji wa muundo na mali zao.
Kwa miaka mingi, nanotube za kaboni, ambazo utumizi wake hauzuiliwi kwa tasnia moja mahususi, zimetumika katika utafiti wa kisayansi. Nyenzo kama hizo zina nafasi dhaifu kwenye soko, kwani kuna shida na uzalishaji wa kiwango kikubwa. Jambo lingine muhimu ni gharama ya juu ya nanotubes za kaboni, ambayo ni takriban $120 kwa kila gramu ya dutu kama hiyo.
Zinatumika kama nyenzo ya msingi kwa utengenezaji wa michanganyiko mingi, ambayo hutumiwa kutengeneza bidhaa nyingi za michezo. Sekta nyingine ni sekta ya magari. Utendakazi wa nanotubes za kaboni katika eneo hili umepunguzwa hadi kuweka polima zenye sifa za upitishaji.
Mwengo wa joto wa nanotubes ni wa juu vya kutosha kwamba zinaweza kutumika kama kifaa cha kupoeza kwa vifaa vingi vikubwa. Pia hutumika kutengeneza vidokezo ambavyo vimeambatishwa kwenye mirija ya uchunguzi.
Sehemu muhimu zaidi ya matumizi ni teknolojia ya kompyuta. Shukrani kwa nanotubes, hasa maonyesho ya gorofa yanaundwa. Wanaweza kutumika kwa kiasi kikubwa kupunguzavipimo vya jumla vya kompyuta yenyewe, pamoja na kuongeza utendaji wake wa kiufundi. Vifaa vya kumaliza vitakuwa mara kadhaa bora kuliko teknolojia za sasa. Kulingana na tafiti hizi, kinescope za umeme wa juu zinaweza kuundwa.
Baada ya muda, mirija itatumika sio tu katika vifaa vya kielektroniki, bali pia katika nyanja za matibabu na nishati.
Uzalishaji
Mirija ya kaboni, ambayo uzalishaji wake unasambazwa kati ya aina hizi mbili, haijasambazwa kwa usawa.
Kwa hivyo MWNTs hufanya mengi zaidi kuliko SWNTs. Aina ya pili inafanywa katika kesi ya haja ya haraka. Makampuni mbalimbali yanazalisha nanotubes za kaboni daima. Lakini kwa kweli hazihitajiki, kwani gharama yake ni ya juu sana.
Viongozi wa uzalishaji
Leo, nafasi inayoongoza katika uzalishaji wa nanotubes za kaboni inamilikiwa na nchi za Asia, ambazo uwezo wake wa uzalishaji ni mara 3 zaidi kuliko katika nchi nyingine za Ulaya na Amerika. Hasa, Japan inajishughulisha na utengenezaji wa MWNT. Lakini nchi nyingine, kama vile Korea na Uchina, si duni katika kiashirio hiki.
Uzalishaji nchini Urusi
Uzalishaji wa ndani wa nanotube za kaboni uko nyuma sana katika nchi zingine. Kwa kweli, yote inategemea ubora wa utafiti katika eneo hili. Haitenga rasilimali za kutosha za kifedha kuunda vituo vya kisayansi na teknolojia nchini. Watu wengi hawakubali maendeleo katika uwanja wa nanoteknolojia kwa sababu hawajui jinsi inaweza kutumika katika tasnia. Kwa hiyo, mpito wa uchuminjia mpya ni ngumu sana.
Kwa hivyo, Rais wa Urusi alitoa amri, ambayo inaonyesha maendeleo ya maeneo mbalimbali ya nanoteknolojia, ikiwa ni pamoja na vipengele vya kaboni. Kwa madhumuni haya, programu maalum ya ukuzaji na utengenezaji wa teknolojia zetu wenyewe iliundwa.
Ili kutimiza hoja zote za agizo, kampuni ya Rosnanotech iliundwa. Kiasi kikubwa kilitengwa kutoka kwa bajeti ya serikali kwa utendaji wake. Ni yeye ambaye anapaswa kudhibiti mchakato wa maendeleo, uzalishaji na kuanzishwa kwa nanotubes za kaboni kwenye nyanja ya viwanda. Kiasi kilichotengwa kitatumika katika kuundwa kwa taasisi mbalimbali za utafiti na maabara, na pia itaimarisha mafanikio yaliyopo ya wanasayansi wa ndani. Pia, fedha hizi zitatumika kununua vifaa vya ubora wa juu kwa ajili ya uzalishaji wa nanotubes za kaboni. Inafaa pia kutunza vifaa hivyo ambavyo vitalinda afya ya binadamu, kwani nyenzo hii husababisha magonjwa mengi.
Kama ilivyotajwa awali, tatizo zima ni kutafuta fedha. Wawekezaji wengi hawataki kuwekeza kwenye utafiti na maendeleo, haswa kwa muda mrefu. Wafanyabiashara wote wanataka kuona faida, lakini nanodevelopment inaweza kuchukua miaka. Hii ndio inawafukuza wawakilishi wa biashara ndogo na za kati. Kwa kuongeza, bila uwekezaji wa serikali, haitawezekana kuzindua kikamilifu uzalishaji wa nanomaterials.
Tatizo lingineni ukosefu wa mfumo wa kisheria, kwa kuwa hakuna kiungo cha kati kati ya hatua tofauti za biashara. Kwa hiyo, nanotubes za kaboni, uzalishaji ambao hauhitajiki nchini Urusi, hauhitaji fedha tu, bali pia uwekezaji wa akili. Hadi sasa, Shirikisho la Urusi liko mbali na nchi za Asia, ambazo zinaongoza katika maendeleo ya nanoteknolojia.
Leo, maendeleo katika tasnia hii yanafanywa katika idara za kemikali za vyuo vikuu mbalimbali huko Moscow, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk na Kazan. Watengenezaji wakuu wa nanotube za kaboni ni kampuni ya Granat na mmea wa Komsomolets huko Tambov.
Pande nzuri na mbaya
Miongoni mwa faida ni sifa maalum za nanotube za kaboni. Wao ni nyenzo za kudumu ambazo hazianguka chini ya ushawishi wa ushawishi wa mitambo. Kwa kuongeza, hufanya kazi vizuri kwa kupiga na kunyoosha. Hii inafanywa iwezekanavyo na muundo wa sura iliyofungwa. Maombi yao sio tu kwa tasnia moja. Mirija hutumika katika magari, vifaa vya elektroniki, dawa na nishati.
Hasara kubwa ni athari hasi kwa afya ya binadamu.
Chembe za nanotubes, kuingia kwenye mwili wa binadamu, husababisha kuibuka kwa uvimbe mbaya na saratani.
Upande muhimu ni ufadhili wa sekta hii. Watu wengi hawataki kuwekeza katika sayansi, kwa sababu inachukua muda mrefu kupata faida. Na bila ya kufanya kazi kwa maabara ya utafiti, maendeleo ya nanoteknolojiahaiwezekani.
Hitimisho
Mitubu ya kaboni ina jukumu muhimu katika teknolojia bunifu. Wataalam wengi wanatabiri ukuaji wa tasnia hii katika miaka ijayo. Kutakuwa na ongezeko kubwa la uwezo wa uzalishaji, ambayo itasababisha kupungua kwa gharama ya bidhaa. Bei ikipungua, mabomba yatahitajika sana, na yatakuwa nyenzo ya lazima kwa vifaa na vifaa vingi.
Kwa hivyo, tumegundua bidhaa hizi ni nini.
