Էներգիան կարևոր արդյունաբերություն է, որը հսկայական դեր է խաղում մարդու կյանքում: Երկրի էներգետիկ վիճակը կախված է այս ոլորտում բազմաթիվ գիտնականների աշխատանքից։ Այսօր նրանք էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրներ են փնտրում։ Այդ նպատակների համար նրանք պատրաստ են օգտագործել ամեն ինչ՝ սկսած արևի լույսից և ջրից, վերջացրած օդի էներգիայով։ Սարքավորումները, որոնք կարող են էներգիա արտադրել շրջակա միջավայրից, բարձր են գնահատվում:
Ընդհանուր տեղեկություններ
Ածխածնային նանոխողովակները երկարաձգված գլանված գրաֆիտային հարթություններ են, որոնք ունեն գլանաձև ձև: Որպես կանոն, դրանց հաստությունը հասնում է մի քանի տասնյակ նանոմետրի՝ մի քանի սանտիմետր երկարությամբ։ Նանոխողովակների վերջում ձևավորվում է գնդաձև գլուխ, որը ֆուլերենի մասերից մեկն է։
Ածխածնային նանոխողովակների երկու տեսակ կա՝ մետաղական և կիսահաղորդչային: Նրանց հիմնական տարբերությունը հոսանքի հաղորդունակությունն է: Առաջին տեսակը կարող է հոսանք անցկացնել 0ºС-ին հավասար ջերմաստիճանում, իսկ երկրորդը՝ միայն բարձր ջերմաստիճաններում։
Ածխածնային նանոխողովակներ. հատկություններ
Ամենաժամանակակից ոլորտները, ինչպիսիք են կիրառական քիմիան կամ նանոտեխնոլոգիան, կապված են նանոխողովակների հետ, որոնք ունեն ածխածնային շրջանակի կառուցվածք: Ինչ է դա? Այս կառուցվածքը վերաբերում է խոշոր մոլեկուլներին, որոնք միմյանց հետ կապված են միայն ածխածնի ատոմներով: Ածխածնային նանոխողովակները, որոնց հատկությունները հիմնված են փակ թաղանթի վրա, բարձր են գնահատվում։ Բացի այդ, այս կազմավորումները ունեն գլանաձեւ ձեւ: Նման խողովակները կարելի է ձեռք բերել գրաֆիտի թերթիկը ծալելով կամ աճել որոշակի կատալիզատորից: Ածխածնային նանոխողովակները, որոնց լուսանկարները ներկայացված են ստորև, ունեն անսովոր կառուցվածք։
Առկա են տարբեր ձևերի և չափերի՝ միաշերտ և բազմաշերտ, ուղիղ և ոլորուն: Չնայած այն հանգամանքին, որ նանոխողովակները բավականին փխրուն տեսք ունեն, դրանք ամուր նյութ են։ Բազմաթիվ ուսումնասիրությունների արդյունքում պարզվել է, որ դրանք ունեն այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են ձգվելն ու կռանալը։ Լուրջ մեխանիկական բեռների ազդեցության տակ տարրերը չեն պատռվում կամ կոտրվում, այսինքն՝ կարող են հարմարվել տարբեր լարումների։
Թունավորություն
Բազմաթիվ ուսումնասիրությունների արդյունքում պարզվել է, որ ածխածնային նանոխողովակները կարող են առաջացնել նույն խնդիրները, ինչ ասբեստի մանրաթելերը, այսինքն՝ առաջանում են տարբեր չարորակ ուռուցքներ, ինչպես նաև թոքերի քաղցկեղ։ Ասբեստի բացասական ազդեցության աստիճանը կախված է նրա մանրաթելերի տեսակից և հաստությունից: Քանի որ ածխածնային նանոխողովակները փոքր են քաշով և չափերով, դրանք հեշտությամբ մտնում են մարդու մարմին օդի հետ միասին: Հետագայում նրանք մտնում են պլեվրա և մտնում կրծքավանդակը, և ժամանակի ընթացքումառաջացնել տարբեր բարդություններ. Գիտնականները փորձ են անցկացրել և մկների կերակուրին նանոխողովակների մասնիկներ են ավելացրել։ Փոքր տրամագծով մթերքները գործնականում չէին մնում մարմնում, բայց ավելի մեծերը փորում էին ստամոքսի պատերը և առաջ բերում տարբեր հիվանդություններ։
Ստանալու մեթոդներ
Այսօր գոյություն ունեն ածխածնային նանոխողովակների ստացման հետևյալ մեթոդները՝ աղեղային լիցքավորում, աբլացիա, գոլորշիների նստեցում:
Էլեկտրական աղեղի լիցքաթափում. Ստացում (ածխածնային նանոխողովակները նկարագրված են այս հոդվածում) էլեկտրական լիցքի պլազմայում, որն այրվում է հելիումի օգտագործմամբ: Նման գործընթաց կարող է իրականացվել ֆուլերենների արտադրության համար հատուկ տեխնիկական սարքավորումների միջոցով։ Բայց այս մեթոդով օգտագործվում են աղեղի այրման այլ եղանակներ: Օրինակ՝ հոսանքի խտությունը նվազում է, օգտագործվում են նաև հսկայական հաստության կաթոդներ։ Հելիումի մթնոլորտ ստեղծելու համար անհրաժեշտ է բարձրացնել այս քիմիական տարրի ճնշումը։ Ածխածնային նանոխողովակները ստացվում են ցողման միջոցով։ Նրանց թիվը մեծացնելու համար անհրաժեշտ է գրաֆիտի ձողի մեջ կատալիզատոր մտցնել։ Ամենից հաճախ դա տարբեր մետաղական խմբերի խառնուրդ է: Այնուհետև տեղի է ունենում ճնշման և ցողման եղանակի փոփոխություն։ Այսպիսով, ստացվում է կաթոդիկ նստվածք, որտեղ առաջանում են ածխածնային նանոխողովակներ։ Պատրաստի արտադրանքը աճում է կաթոդին ուղղահայաց և հավաքվում է կապոցներով: Դրանց երկարությունը 40 մկմ է։
Աբլացիա. Այս մեթոդը հորինել է Ռիչարդ Սմալլին։ Դրա էությունը բարձր ջերմաստիճաններում աշխատող ռեակտորում տարբեր գրաֆիտային մակերեսների գոլորշիացումն է։ Ածխածնային նանոխողովակները ձևավորվում են հատակին գրաֆիտի գոլորշիացման արդյունքումռեակտորի մասեր։
Դրանք սառչում և հավաքում են սառեցնող մակերեսով։ Եթե առաջին դեպքում տարրերի թիվը հավասար էր 60%-ի, ապա այս մեթոդով այդ ցուցանիշն աճել է 10%-ով։ Լազերային աբսոլացիայի մեթոդի արժեքը ավելի թանկ է, քան մնացած բոլորը։ Որպես կանոն, միապատի նանոխողովակները ստացվում են ռեակցիայի ջերմաստիճանը փոխելով։
Նեցվածք գազային փուլից. Ածխածնի գոլորշիների նստեցման մեթոդը հայտնագործվել է 50-ականների վերջին։ Բայց ոչ ոք նույնիսկ չէր պատկերացնում, որ դրանով կարելի է ածխածնային նանոխողովակներ ստանալ։ Այսպիսով, նախ պետք է մակերեսը պատրաստել կատալիզատորով: Որպես դրա կարող են ծառայել տարբեր մետաղների փոքր մասնիկները, օրինակ՝ կոբալտը, նիկելը և շատ ուրիշներ։ Նանոխողովակները սկսում են դուրս գալ կատալիզատորի հունից: Նրանց հաստությունը ուղղակիորեն կախված է կատալիզացնող մետաղի չափից: Մակերեսը տաքացվում է մինչև բարձր ջերմաստիճան, այնուհետև մատակարարվում է ածխածին պարունակող գազ։ Դրանցից են մեթանը, ացետիլենը, էթանոլը և այլն։ Որպես լրացուցիչ տեխնիկական գազ ծառայում է ամոնիակը։ Նանոխողովակների ստացման այս մեթոդը ամենատարածվածն է։ Գործընթացն ինքնին տեղի է ունենում տարբեր արդյունաբերական ձեռնարկություններում, ինչի պատճառով ավելի քիչ ֆինանսական միջոցներ են ծախսվում մեծ քանակությամբ խողովակների արտադրության համար։ Այս մեթոդի մեկ այլ առավելությունն այն է, որ ուղղահայաց տարրեր կարելի է ձեռք բերել ցանկացած մետաղական մասնիկից, որը ծառայում է որպես կատալիզատոր: Ստանալը (ածխածնային նանոխողովակները նկարագրված են բոլոր կողմերից) հնարավոր դարձավ Սուոմի Իիջիմայի հետազոտության շնորհիվ, ով.դիտարկվել է մանրադիտակի տակ՝ ածխածնի սինթեզի արդյունքում դրանց տեսքի համար։
Հիմնական տեսակ
Ածխածնային տարրերը դասակարգվում են ըստ շերտերի քանակի: Ամենապարզ տեսակը միապատի ածխածնային նանոխողովակներն են: Նրանցից յուրաքանչյուրն ունի մոտ 1 նմ հաստություն, և դրանց երկարությունը կարող է շատ ավելի երկար լինել։ Եթե հաշվի առնենք կառուցվածքը, ապա արտադրանքը նման է վեցանկյուն ցանցով գրաֆիտի փաթաթմանը: Նրա վերևում ածխածնի ատոմներն են: Այսպիսով, խողովակն ունի գլանի տեսք, որը չունի կարեր։ Սարքերի վերին մասը փակված է ֆուլերենի մոլեկուլներից բաղկացած ծածկոցներով։
Հաջորդ տեսակետը բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակներն են: Դրանք կազմված են գրաֆիտի մի քանի շերտերից, որոնք ծալված են գլանաձեւ։ Նրանց միջեւ պահպանվում է 0,34 նմ հեռավորություն։ Այս տեսակի կառուցվածքը նկարագրվում է երկու ձևով. Ըստ առաջինի՝ բազմաշերտ խողովակները միմյանց մեջ բնադրված մի քանի միաշերտ խողովակներ են, որոնք նման են բնադրող տիկնիկի։ Երկրորդի համաձայն՝ բազմաշերտ նանոխողովակները գրաֆիտի թերթիկ են, որը մի քանի անգամ փաթաթվում է իր շուրջը, որը նման է ծալված թերթի։
Ածխածնային նանոխողովակներ. կիրառություններ
Էլեմենտները նանոնյութերի դասի բացարձակ նոր ներկայացուցիչն են:
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, նրանք ունեն շրջանակի կառուցվածք, որն իր հատկություններով տարբերվում է գրաֆիտից կամ ադամանդից: Այդ իսկ պատճառով դրանք շատ ավելի հաճախ են օգտագործվում, քան մյուս նյութերը։
Շնորհիվ իր բնութագրերի, ինչպիսիք են ուժը, ճկումը, հաղորդունակությունը, այն օգտագործվում է բազմաթիվ ոլորտներում:
- որպես պոլիմերների հավելումներ;
- կատալիզատոր լուսավորող սարքերի, ինչպես նաև հարթ էկրանների և հեռախոսների համար հեռահաղորդակցության ցանցերում;
- որպես էլեկտրամագնիսական ալիքների կլանիչ;
- էներգիայի փոխակերպման համար;
- անոդների արտադրություն տարբեր տեսակի մարտկոցներում;
- ջրածնի պահեստավորում;
- սենսորների և կոնդենսատորների արտադրություն;
- կոմպոզիտների արտադրություն և դրանց կառուցվածքի և հատկությունների ամրապնդում.
Երկար տարիներ ածխածնային նանոխողովակները, որոնց կիրառումը չի սահմանափակվում մեկ կոնկրետ արդյունաբերությամբ, օգտագործվել են գիտական հետազոտություններում: Նման նյութը շուկայում թույլ դիրք ունի, քանի որ մեծածավալ արտադրության հետ կապված խնդիրներ կան։ Մեկ այլ կարևոր կետ ածխածնային նանոխողովակների բարձր արժեքն է, որը կազմում է մոտավորապես $120 մեկ գրամի համար նման նյութի համար:
Դրանք օգտագործվում են որպես հիմնական տարր բազմաթիվ կոմպոզիտների արտադրության համար, որոնք օգտագործվում են բազմաթիվ սպորտային ապրանքներ պատրաստելու համար: Մեկ այլ արդյունաբերություն ավտոմոբիլային արդյունաբերությունն է: Այս ոլորտում ածխածնային նանոխողովակների ֆունկցիոնալացումը կրճատվել է հաղորդիչ հատկություններով պոլիմերներին օժտելով:
Նանոխողովակների ջերմային հաղորդունակությունը բավական բարձր է, որ դրանք կարող են օգտագործվել որպես սառեցման սարք տարբեր զանգվածային սարքավորումների համար: Դրանք նաև օգտագործվում են ծայրեր պատրաստելու համար, որոնք կցվում են զոնդերի խողովակներին:
Ամենակարևոր կիրառական ոլորտը համակարգչային տեխնոլոգիան է: Նանոխողովակների շնորհիվ ստեղծվում են հատկապես հարթ էկրաններ։ Նրանք կարող են օգտագործվել զգալիորեն նվազեցնելու համարբուն համակարգչի ընդհանուր չափերը, ինչպես նաև բարձրացնել դրա տեխնիկական կատարումը: Պատրաստի սարքավորումները մի քանի անգամ գերազանցելու են ներկայիս տեխնոլոգիաներին։ Այս ուսումնասիրությունների հիման վրա կարող են ստեղծվել բարձր լարման կինեսկոպներ։
Ժամանակի ընթացքում խողովակները կօգտագործվեն ոչ միայն էլեկտրոնիկայի, այլ նաև բժշկական և էներգետիկ ոլորտներում:
Արտադրություն
Ածխածնային խողովակները, որոնց արտադրությունը բաշխված է երկու տեսակների միջև, բաշխված է անհավասարաչափ։
Այսպիսով, MWNT-ները շատ ավելին են աշխատում, քան SWNT-ները: Երկրորդ տեսակը կատարվում է հրատապ անհրաժեշտության դեպքում։ Տարբեր ընկերություններ անընդհատ արտադրում են ածխածնային նանոխողովակներ։ Բայց դրանք գործնականում պահանջարկ չունեն, քանի որ դրանց արժեքը չափազանց բարձր է։
Արտադրական առաջատարներ
Այսօր ածխածնային նանոխողովակների արտադրության առաջատար տեղը զբաղեցնում են ասիական երկրները, որոնց արտադրական հնարավորությունները 3 անգամ գերազանցում են Եվրոպայի և Ամերիկայի այլ երկրներում։ Մասնավորապես, Ճապոնիան զբաղվում է MWNT-ի արտադրությամբ։ Սակայն մյուս երկրները, ինչպիսիք են Կորեան և Չինաստանը, այս ցուցանիշով չեն զիջում։
Արտադրություն Ռուսաստանում
Ածխածնային նանոխողովակների ներքին արտադրությունը զգալիորեն հետ է մյուս երկրներից։ Իրականում ամեն ինչ կախված է այս ոլորտում կատարվող հետազոտությունների որակից: Այն բավարար ֆինանսական միջոցներ չի հատկացնում երկրում գիտատեխնոլոգիական կենտրոններ ստեղծելու համար։ Շատերը չեն ընդունում նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում զարգացումները, քանի որ չգիտեն, թե ինչպես կարելի է այն օգտագործել արդյունաբերության մեջ: Հետեւաբար, տնտեսության անցումընոր ճանապարհը բավականին բարդ է։
Ուստի Ռուսաստանի նախագահը հրամանագիր է արձակել, որը մատնանշում է նանոտեխնոլոգիայի տարբեր ոլորտների զարգացումը, այդ թվում՝ ածխածնային տարրերը։ Այդ նպատակով ստեղծվել է մեր սեփական տեխնոլոգիաների մշակման և արտադրության հատուկ ծրագիր։
Պատվերի բոլոր կետերը կատարելու նպատակով ստեղծվել է «Ռոսնանոտեք» ընկերությունը։ Դրա գործարկման համար պետբյուջեից զգալի գումար է հատկացվել։ Հենց նա պետք է վերահսկի ածխածնային նանոխողովակների մշակման, արտադրության և արդյունաբերական ոլորտ ներմուծման գործընթացը։ Հատկացված գումարը կուղղվի տարբեր գիտահետազոտական ինստիտուտների ու լաբորատորիաների ստեղծմանը, ինչպես նաև կամրապնդի հայրենական գիտնականների առկա ձեռքբերումները։ Նաև այդ միջոցները կուղղվեն ածխածնային նանոխողովակների արտադրության համար բարձրորակ սարքավորումներ ձեռք բերելու համար։ Արժե նաև հոգ տանել այն սարքերի մասին, որոնք կպաշտպանեն մարդու առողջությունը, քանի որ այս նյութը բազմաթիվ հիվանդություններ է առաջացնում։
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, ամբողջ խնդիրը միջոցներ հայթայթելն է: Ներդրողների մեծ մասը չի ցանկանում ներդրումներ կատարել հետազոտության և զարգացման մեջ, հատկապես երկար ժամանակ: Բոլոր գործարարները ցանկանում են շահույթ տեսնել, բայց նանոզարգացումը կարող է տարիներ տևել: Հենց դա է վանում փոքր ու միջին բիզնեսի ներկայացուցիչներին։ Բացի այդ, առանց պետական ներդրումների, հնարավոր չի լինի լիովին գործարկել նանոնյութերի արտադրությունը։
Եվս մեկ խնդիրիրավական դաշտի բացակայությունն է, քանի որ բիզնեսի տարբեր փուլերի միջև միջանկյալ կապ չկա: Ուստի ածխածնային նանոխողովակները, որոնց արտադրությունը Ռուսաստանում պահանջարկ չունի, պահանջում են ոչ միայն ֆինանսական, այլեւ մտավոր ներդրումներ։ Առայժմ Ռուսաստանի Դաշնությունը հեռու է ասիական երկրներից, որոնք առաջատար են նանոտեխնոլոգիայի զարգացման մեջ։
Այսօր այս ոլորտում զարգացումներ են իրականացվում Մոսկվայի, Տամբովի, Սանկտ Պետերբուրգի, Նովոսիբիրսկի և Կազանի տարբեր համալսարանների քիմիական ամբիոններում: Ածխածնային նանոխողովակների առաջատար արտադրողներն են Granat ընկերությունը և Կոմսոմոլեց գործարանը Տամբովում:
Լավ և վատ կողմեր
Առավելություններից են ածխածնային նանոխողովակների հատուկ հատկությունները։ Դրանք դիմացկուն նյութ են, որը չի փլուզվում մեխանիկական ազդեցության տակ։ Բացի այդ, նրանք լավ են աշխատում ճկման և ձգվելու համար: Դա հնարավոր է դառնում փակ շրջանակի կառուցվածքի շնորհիվ: Նրանց կիրառումը չի սահմանափակվում մեկ արդյունաբերությամբ: Խողովակները օգտագործվում են ավտոմոբիլային, էլեկտրոնիկայի, բժշկության և էներգետիկայի մեջ:
Մեծ թերություն է բացասական ազդեցությունը մարդու առողջության վրա։
Նանոխողովակների մասնիկները, ներթափանցելով մարդու օրգանիզմ, հանգեցնում են չարորակ ուռուցքների և քաղցկեղի առաջացմանը։
Էական կողմը այս ոլորտի ֆինանսավորումն է։ Շատերը չեն ցանկանում ներդրումներ կատարել գիտության մեջ, քանի որ երկար ժամանակ է պահանջվում շահույթ ստանալու համար։ Եվ առանց գիտահետազոտական լաբորատորիաների գործունեության՝ նանոտեխնոլոգիայի զարգացումանհնար է։
Եզրակացություն
Ածխածնային նանոխողովակները կարևոր դեր են խաղում նորարարական տեխնոլոգիաներում: Շատ փորձագետներ կանխատեսում են այս ոլորտի աճ առաջիկա տարիներին։ Կլինի արտադրական հնարավորությունների զգալի աճ, ինչը կբերի ապրանքների ինքնարժեքի նվազմանը։ Գների նվազմամբ խողովակները մեծ պահանջարկ կունենան և կդառնան անփոխարինելի նյութ շատ սարքերի և սարքավորումների համար։
Այսպիսով, մենք պարզեցինք, թե ինչ ապրանքներ են դրանք:
