ენერგია მნიშვნელოვანი ინდუსტრიაა, რომელიც უზარმაზარ როლს თამაშობს ადამიანის ცხოვრებაში. ქვეყნის ენერგეტიკული მდგომარეობა ამ სფეროში მრავალი მეცნიერის მუშაობაზეა დამოკიდებული. დღეს ისინი ეძებენ ენერგიის ალტერნატიულ წყაროებს. ამ მიზნებისთვის ისინი მზად არიან გამოიყენონ ყველაფერი, დაწყებული მზის შუქით და წყლით, დამთავრებული ჰაერის ენერგიით. აღჭურვილობა, რომელსაც შეუძლია ენერგიის გამომუშავება გარემოდან, ძალიან ღირებულია.
ზოგადი ინფორმაცია
ნახშირბადის ნანომილები არის გაფართოებული ნაგლინი გრაფიტის თვითმფრინავები, რომლებსაც აქვთ ცილინდრული ფორმა. როგორც წესი, მათი სისქე რამდენიმე ათეულ ნანომეტრს აღწევს, რამდენიმე სანტიმეტრის სიგრძით. ნანომილების ბოლოს წარმოიქმნება სფერული თავი, რომელიც წარმოადგენს ფულერენის ერთ-ერთ ნაწილს.
არსებობს ნახშირბადის ნანომილების ორი ტიპი: ლითონი და ნახევარგამტარი. მათი მთავარი განსხვავება არის დენის გამტარობა. პირველ ტიპს შეუძლია დენის გატარება 0ºС ტოლ ტემპერატურაზე, ხოლო მეორე - მხოლოდ ამაღლებულ ტემპერატურაზე.
ნახშირბადის ნანომილები: თვისებები
ყველაზეთანამედროვე სფეროები, როგორიცაა გამოყენებითი ქიმია ან ნანოტექნოლოგია, ასოცირდება ნანომილაკებთან, რომლებსაც აქვთ ნახშირბადის ჩარჩო სტრუქტურა. რა არის ეს? ეს სტრუქტურა ეხება დიდ მოლეკულებს, რომლებიც ერთმანეთთან დაკავშირებულია მხოლოდ ნახშირბადის ატომებით. ნახშირბადის ნანომილები, რომელთა თვისებები დაფუძნებულია დახურულ გარსზე, ძალიან ღირებულია. გარდა ამისა, ამ წარმონაქმნებს აქვთ ცილინდრული ფორმა. ასეთი მილები შეიძლება მიღებულ იქნას გრაფიტის ფურცლის დასაკეცვით, ან გაიზარდოს გარკვეული კატალიზატორიდან. ნახშირბადის ნანომილები, რომელთა ფოტოებიც ქვემოთ არის წარმოდგენილი, უჩვეულო სტრუქტურა აქვთ.
ისინი გამოდიან სხვადასხვა ფორმებში და ზომებში: ერთფენიანი და მრავალშრიანი, სწორი და მბზინავი. მიუხედავად იმისა, რომ ნანომილები საკმაოდ მყიფე გამოიყურება, ისინი ძლიერი მასალაა. მრავალი კვლევის შედეგად დადგინდა, რომ მათ აქვთ ისეთი თვისებები, როგორიცაა დაჭიმვა და მოხრა. სერიოზული მექანიკური დატვირთვის დროს ელემენტები არ იშლება და არ ტყდება, ანუ შეუძლიათ სხვადასხვა ძაბვის ადაპტაცია.
ტოქსიკურობა
მრავალჯერადი კვლევის შედეგად დადგინდა, რომ ნახშირბადის ნანომილებს შეუძლიათ ისეთივე პრობლემების გამოწვევა, როგორიც აზბესტის ბოჭკოებს, ანუ წარმოიქმნება სხვადასხვა ავთვისებიანი სიმსივნე, ასევე ფილტვის კიბო. აზბესტის უარყოფითი ზემოქმედების ხარისხი დამოკიდებულია მისი ბოჭკოების ტიპსა და სისქეზე. ვინაიდან ნახშირბადის ნანომილები მცირე ზომის და წონითაა, ისინი ადვილად შედიან ადამიანის სხეულში ჰაერით. შემდგომში ისინი შედიან პლევრაში და შედიან მკერდში და დროთა განმავლობაშიიწვევს სხვადასხვა გართულებებს. მეცნიერებმა ჩაატარეს ექსპერიმენტი და დაამატეს ნანომილების ნაწილაკები თაგვების საკვებში. მცირე დიამეტრის პროდუქტები პრაქტიკულად არ ჩერდებოდა სხეულში, მაგრამ უფრო მსხვილი იჭრებოდა კუჭის კედლებში და იწვევდა სხვადასხვა დაავადებებს.
მიღების მეთოდები
დღეს ნახშირბადის ნანომილების მიღების შემდეგი მეთოდები არსებობს: რკალის დამუხტვა, აბლაცია, ორთქლის დეპონირება.
ელექტრული რკალის გამონადენი. მიღება (ნახშირბადის ნანომილები აღწერილია ამ სტატიაში) ელექტრული მუხტის პლაზმაში, რომელიც იწვის ჰელიუმის გამოყენებით. ასეთი პროცესი შეიძლება განხორციელდეს ფულერენების წარმოებისთვის სპეციალური ტექნიკური აღჭურვილობის გამოყენებით. მაგრამ ამ მეთოდით გამოიყენება რკალის წვის სხვა რეჟიმები. მაგალითად, დენის სიმკვრივე მცირდება და ასევე გამოიყენება უზარმაზარი სისქის კათოდები. ჰელიუმის ატმოსფეროს შესაქმნელად აუცილებელია ამ ქიმიური ელემენტის წნევის გაზრდა. ნახშირბადის ნანომილები მიიღება დაფქვით. მათი რაოდენობის გასაზრდელად აუცილებელია კატალიზატორის შეყვანა გრაფიტის ღეროში. ყველაზე ხშირად ეს არის სხვადასხვა ლითონის ჯგუფის ნაზავი. გარდა ამისა, ხდება წნევის ცვლილება და შესხურების მეთოდი. ამრიგად, მიიღება კათოდური საბადო, სადაც წარმოიქმნება ნახშირბადის ნანომილები. მზა პროდუქტები იზრდება კათოდის პერპენდიკულარულად და გროვდება ჩალიჩებში. მათი სიგრძეა 40 მკმ.
აბლაცია. ეს მეთოდი გამოიგონა რიჩარდ სმელიმ. მისი არსი არის სხვადასხვა გრაფიტის ზედაპირის აორთქლება რეაქტორში, რომელიც მუშაობს მაღალ ტემპერატურაზე. ნახშირბადის ნანომილები წარმოიქმნება ფსკერზე გრაფიტის აორთქლების შედეგადრეაქტორის ნაწილები.
ისინი გაგრილდება და გროვდება გამაგრილებელი ზედაპირის გამოყენებით. თუ პირველ შემთხვევაში ელემენტების რაოდენობა 60%-ის ტოლი იყო, მაშინ ამ მეთოდით ეს მაჩვენებელი 10%-ით გაიზარდა. ლაზერული აბსოლაციის მეთოდის ღირებულება ყველა სხვაზე ძვირია. როგორც წესი, ერთკედლიანი ნანომილები მიიღება რეაქციის ტემპერატურის შეცვლით.
დეპონირება აირის ფაზიდან. ნახშირბადის ორთქლის დეპონირების მეთოდი გამოიგონეს 50-იანი წლების ბოლოს. მაგრამ ვერავინ წარმოიდგენდა, რომ ნახშირბადის ნანომილები მიიღება მასთან. ასე რომ, ჯერ ზედაპირი უნდა მოამზადოთ კატალიზატორით. მას შეუძლია სხვადასხვა ლითონის მცირე ნაწილაკები, მაგალითად, კობალტი, ნიკელი და მრავალი სხვა. ნანომილები იწყებენ გამომოსვლას კატალიზატორის კალაპოტიდან. მათი სისქე პირდაპირ დამოკიდებულია კატალიზატორი ლითონის ზომაზე. ზედაპირი თბება მაღალ ტემპერატურამდე და შემდეგ მიეწოდება ნახშირბადის შემცველი აირი. მათ შორისაა მეთანი, აცეტილენი, ეთანოლი და ა.შ. დამატებით ტექნიკურ გაზად ამიაკი ემსახურება. ნანომილების მიღების ეს მეთოდი ყველაზე გავრცელებულია. პროცესი თავისთავად მიმდინარეობს სხვადასხვა სამრეწველო საწარმოებში, რის გამოც ნაკლები ფინანსური რესურსი იხარჯება დიდი რაოდენობით მილების დასამზადებლად. ამ მეთოდის კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ვერტიკალური ელემენტების მიღება შესაძლებელია ნებისმიერი ლითონის ნაწილაკებისგან, რომლებიც ემსახურებიან კატალიზატორს. მიღება (ნახშირბადის ნანომილები აღწერილია ყველა მხრიდან) შესაძლებელი გახდა სუომი იჯიმას კვლევის წყალობით, რომელიცმიკროსკოპის ქვეშ დაფიქსირდა მათი გარეგნობა ნახშირბადის სინთეზის შედეგად.
მთავარი სახეობა
ნახშირბადის ელემენტები კლასიფიცირებულია ფენების რაოდენობის მიხედვით. უმარტივესი ტიპია ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები. თითოეულ მათგანს აქვს დაახლოებით 1 ნმ სისქე და მათი სიგრძე შეიძლება იყოს ბევრად მეტი. თუ გავითვალისწინებთ სტრუქტურას, მაშინ პროდუქტი ჰგავს გრაფიტის შეფუთვას ექვსკუთხა ბადით. მის ზედა ნაწილში არის ნახშირბადის ატომები. ამრიგად, მილს აქვს ცილინდრის ფორმა, რომელსაც არ აქვს ნაკერები. მოწყობილობების ზედა ნაწილი დახურულია ფულერენის მოლეკულებისგან შემდგარი საფარით.
შემდეგი ხედი არის მრავალშრიანი ნახშირბადის ნანომილები. ისინი შედგება გრაფიტის რამდენიმე ფენისგან, რომლებიც იკეცება ცილინდრის სახით. მათ შორის შენარჩუნებულია მანძილი 0,34 ნმ. ამ ტიპის სტრუქტურა აღწერილია ორი გზით. პირველის მიხედვით, მრავალშრიანი მილები არის რამდენიმე ერთშრიანი მილაკი, რომლებიც ერთმანეთზეა ჩაბუდებული, რომლებიც ბუდე თოჯინას ჰგავს. მეორის მიხედვით, მრავალშრიანი ნანომილები არის გრაფიტის ფურცელი, რომელიც რამდენიმეჯერ ეხვევა გარშემო, რომელიც დაკეცილ გაზეთს ჰგავს.
ნახშირბადის ნანომილები: აპლიკაციები
ელემენტები ნანომასალების კლასის აბსოლუტური ახალი წარმომადგენელია.
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მათ აქვთ ჩარჩო სტრუქტურა, რომელიც თვისებებით განსხვავდება გრაფიტისა და ბრილიანტისგან. ამიტომ მათ სხვა მასალებთან შედარებით ბევრად უფრო ხშირად იყენებენ.
თავისი მახასიათებლების გამო, როგორიცაა სიმტკიცე, ღუნა, გამტარობა, იგი გამოიყენება მრავალ სფეროში:
- როგორც დანამატები პოლიმერებისთვის;
- კატალიზატორი განათების მოწყობილობებისთვის, ასევე ბრტყელი დისპლეებისა და ტელეფონებისთვის სატელეკომუნიკაციო ქსელებში;
- როგორც ელექტრომაგნიტური ტალღის შთამნთქმელი;
- ენერგეტიკული კონვერტაციისთვის;
- ანოდების წარმოება სხვადასხვა ტიპის ბატარეებში;
- წყალბადის შენახვა;
- სენსორების და კონდენსატორების წარმოება;
- კომპოზიტების წარმოება და მათი სტრუქტურისა და თვისებების გაძლიერება.
მრავალი წლის განმავლობაში, ნახშირბადის ნანომილები, რომელთა გამოყენება არ შემოიფარგლება მხოლოდ ერთი კონკრეტული ინდუსტრიით, გამოიყენებოდა სამეცნიერო კვლევებში. ასეთ მასალას ბაზარზე სუსტი პოზიცია აქვს, რადგან დიდი წარმოების პრობლემებია. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი პუნქტია ნახშირბადის ნანომილების მაღალი ღირებულება, რომელიც დაახლოებით 120 დოლარია თითო გრამი ასეთი ნივთიერებისთვის.
ისინი გამოიყენება როგორც ძირითადი ელემენტი მრავალი კომპოზიტის წარმოებისთვის, რომლებიც გამოიყენება მრავალი სპორტული საქონლის დასამზადებლად. კიდევ ერთი ინდუსტრია არის საავტომობილო ინდუსტრია. ნახშირბადის ნანომილების ფუნქციონალიზაცია ამ ზონაში მცირდება გამტარ თვისებების მქონე პოლიმერების მინიჭებამდე.
ნანომილების თბოგამტარობა საკმარისად მაღალია, რომ ისინი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გამაგრილებელი მოწყობილობა სხვადასხვა მასიური აღჭურვილობისთვის. ისინი ასევე გამოიყენება ზონდის მილებზე მიმაგრებული წვერების დასამზადებლად.
აპლიკაციის ყველაზე მნიშვნელოვანი სფეროა კომპიუტერული ტექნოლოგია. ნანომილების წყალობით იქმნება განსაკუთრებით ბრტყელი დისპლეები. მათი გამოყენება შესაძლებელია მნიშვნელოვნად შემცირების მიზნითთავად კომპიუტერის საერთო ზომები, ასევე გაზრდის მის ტექნიკურ მუშაობას. მზა აღჭურვილობა რამდენჯერმე აღემატება მიმდინარე ტექნოლოგიებს. ამ კვლევების საფუძველზე შეიძლება შეიქმნას მაღალი ძაბვის კინესკოპები.
დროთა განმავლობაში მილები გამოყენებული იქნება არა მხოლოდ ელექტრონიკაში, არამედ სამედიცინო და ენერგეტიკულ სფეროებში.
წარმოება
ნახშირბადის მილები, რომლის წარმოება ნაწილდება ორ ტიპს შორის, არათანაბრად არის განაწილებული.
ასე რომ, MWNTs გამოიმუშავებს ბევრად მეტს, ვიდრე SWNT. მეორე ტიპი კეთდება გადაუდებელი აუცილებლობის შემთხვევაში. სხვადასხვა კომპანია მუდმივად აწარმოებს ნახშირბადის ნანომილებს. მაგრამ ისინი პრაქტიკულად არ არიან მოთხოვნადი, რადგან მათი ღირებულება ძალიან მაღალია.
წარმოების ლიდერები
დღეს ნახშირბადის ნანომილების წარმოებაში წამყვანი ადგილი უკავია აზიის ქვეყნებს, რომელთა წარმოების შესაძლებლობები 3-ჯერ აღემატება ევროპისა და ამერიკის სხვა ქვეყნებს. კერძოდ, იაპონია დაკავებულია MWNT-ის წარმოებით. მაგრამ სხვა ქვეყნები, როგორიცაა კორეა და ჩინეთი, ამ მაჩვენებლით არ ჩამორჩებიან.
წარმოება რუსეთში
ნახშირბადის ნანომილების შიდა წარმოება ბევრად ჩამორჩება სხვა ქვეყნებს. სინამდვილეში, ეს ყველაფერი დამოკიდებულია ამ სფეროში კვლევის ხარისხზე. ის არ გამოყოფს საკმარის ფინანსურ რესურსებს ქვეყანაში სამეცნიერო და ტექნოლოგიური ცენტრების შესაქმნელად. ბევრი ადამიანი არ ეთანხმება ნანოტექნოლოგიის სფეროში განვითარებულ მოვლენებს, რადგან მათ არ იციან, როგორ შეიძლება მისი გამოყენება ინდუსტრიაში. მაშასადამე, ეკონომიკის გადასვლაახალი გზა საკმაოდ რთულია.
აქედან გამომდინარე, რუსეთის პრეზიდენტმა გამოსცა ბრძანებულება, რომელიც მიუთითებს ნანოტექნოლოგიის სხვადასხვა სფეროს, მათ შორის ნახშირბადის ელემენტების განვითარებაზე. ამ მიზნით შეიქმნა სპეციალური პროგრამა ჩვენივე ტექნოლოგიების განვითარებისა და წარმოებისთვის.
შეკვეთის ყველა პუნქტის შესასრულებლად შეიქმნა კომპანია Rosnanotech. მის ფუნქციონირებისთვის სახელმწიფო ბიუჯეტიდან მნიშვნელოვანი თანხა გამოიყო. სწორედ მან უნდა აკონტროლოს ნახშირბადის ნანომილების შემუშავების, წარმოებისა და ინდუსტრიის სფეროში დანერგვის პროცესი. გამოყოფილი თანხა მოხმარდება სხვადასხვა კვლევითი ინსტიტუტებისა და ლაბორატორიების შექმნას, ასევე გააძლიერებს ადგილობრივი მეცნიერების არსებულ მიღწევებს. ასევე, ეს თანხები გამოყენებული იქნება ნახშირბადის ნანომილების წარმოებისთვის მაღალი ხარისხის აღჭურვილობის შესაძენად. ასევე ღირს იმ მოწყობილობებზე ზრუნვა, რომლებიც დაიცავს ადამიანის ჯანმრთელობას, რადგან ეს მასალა ბევრ დაავადებას იწვევს.
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მთელი პრობლემა თანხების მოზიდვაა. ინვესტორების უმეტესობას არ სურს ინვესტიციის ჩადება კვლევასა და განვითარებაში, განსაკუთრებით დიდი ხნის განმავლობაში. ყველა ბიზნესმენს უნდა ნახოს მოგება, მაგრამ ნანოგანვითარებას შეიძლება წლები დასჭირდეს. ეს არის ის, რაც აგდებს მცირე და საშუალო ბიზნესის წარმომადგენლებს. გარდა ამისა, სახელმწიფო ინვესტიციების გარეშე შეუძლებელი იქნება ნანომასალების წარმოების სრულად დაწყება.
კიდევ ერთი პრობლემაარის სამართლებრივი ბაზის არარსებობა, ვინაიდან არ არსებობს შუალედური კავშირი ბიზნესის სხვადასხვა ეტაპებს შორის. ამიტომ, ნახშირბადის ნანომილები, რომელთა წარმოება რუსეთში მოთხოვნადი არ არის, მოითხოვს არა მხოლოდ ფინანსურ, არამედ გონებრივ ინვესტიციებს. რუსეთის ფედერაცია ჯერჯერობით შორს არის აზიის ქვეყნებისგან, რომლებიც ლიდერობენ ნანოტექნოლოგიის განვითარებაში.
დღეს ამ ინდუსტრიის განვითარება მიმდინარეობს მოსკოვის, ტამბოვის, სანკტ-პეტერბურგის, ნოვოსიბირსკის და ყაზანის სხვადასხვა უნივერსიტეტების ქიმიურ განყოფილებებში. ნახშირბადის ნანომილების წამყვანი მწარმოებლები არიან კომპანია Granat და კომსომოლეტის ქარხანა ტამბოვში.
კარგი და ცუდი მხარეები
უპირატესობებს შორის არის ნახშირბადის ნანომილების განსაკუთრებული თვისებები. ისინი გამძლე მასალაა, რომელიც არ იშლება მექანიკური გავლენის ქვეშ. გარდა ამისა, ისინი კარგად მუშაობენ მოსახვევად და გაჭიმვაზე. ეს შესაძლებელი ხდება ჩარჩოს დახურული სტრუქტურით. მათი გამოყენება არ შემოიფარგლება ერთი ინდუსტრიით. მილები გამოიყენება ავტომობილებში, ელექტრონიკაში, მედიცინასა და ენერგეტიკაში.
დიდი მინუსი არის უარყოფითი გავლენა ადამიანის ჯანმრთელობაზე.
ნანომილების ნაწილაკები, რომლებიც შედიან ადამიანის ორგანიზმში, იწვევს ავთვისებიანი სიმსივნეების და კიბოს წარმოქმნას.
არსებითი მხარე არის ამ ინდუსტრიის დაფინანსება. ბევრს არ სურს მეცნიერებაში ინვესტირება, რადგან მოგების მიღებას დიდი დრო სჭირდება. და კვლევითი ლაბორატორიების ფუნქციონირების გარეშე, ნანოტექნოლოგიის განვითარებაშეუძლებელია.
დასკვნა
ნახშირბადის ნანომილები მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ ინოვაციურ ტექნოლოგიებში. ბევრი ექსპერტი პროგნოზირებს ამ ინდუსტრიის ზრდას უახლოეს წლებში. იქნება საწარმოო შესაძლებლობების მნიშვნელოვანი ზრდა, რაც გამოიწვევს საქონლის თვითღირებულების შემცირებას. ფასის კლებასთან ერთად მილები იქნება დიდი მოთხოვნა და გახდება შეუცვლელი მასალა მრავალი მოწყობილობისა და აღჭურვილობისთვის.
მაშ, ჩვენ გავარკვიეთ რა არის ეს პროდუქტები.
