La energía es una industria importante que juega un papel muy importante en la vida humana. El estado energético del país depende del trabajo de muchos científicos en este campo. Hoy están buscando fuentes de energía alternativas. Para estos fines, están listos para usar cualquier cosa, comenzando con la luz solar y el agua, terminando con la energía del aire. Los equipos que pueden generar energía del medio ambiente son muy valorados.
Información general
Los nanotubos de carbono son planos de grafito laminados extendidos que tienen una forma cilíndrica. Como regla general, su espesor alcanza varias decenas de nanómetros, con una longitud de varios centímetros. Al final de los nanotubos se forma una cabeza esférica, que es una de las partes del fullereno.
Hay dos tipos de nanotubos de carbono: metálicos y semiconductores. Su principal diferencia es la conductividad de la corriente. El primer tipo puede conducir corriente a una temperatura igual a 0ºС, y el segundo, solo a temperaturas elevadas.
Nanotubos de carbono: propiedades
La mayoríaáreas modernas, como la química aplicada o la nanotecnología, están asociadas con los nanotubos, que tienen una estructura de marco de carbono. ¿Lo que es? Esta estructura se refiere a moléculas grandes unidas entre sí solo por átomos de carbono. Los nanotubos de carbono, cuyas propiedades se basan en una cubierta cerrada, son muy apreciados. Además, estas formaciones tienen forma cilíndrica. Dichos tubos se pueden obtener doblando una lámina de grafito o crecer a partir de un determinado catalizador. Los nanotubos de carbono, cuyas fotos se presentan a continuación, tienen una estructura inusual.
Vienen en diferentes formas y tamaños: de una sola capa y de varias capas, rectas y sinuosas. A pesar de que los nanotubos parecen bastante frágiles, son un material resistente. Como resultado de muchos estudios, se encontró que tienen propiedades como estirarse y doblarse. Bajo la acción de fuertes cargas mecánicas, los elementos no se rasgan ni se rompen, es decir, pueden adaptarse a diferentes voltajes.
Toxicidad
Como resultado de múltiples estudios, se encontró que los nanotubos de carbono pueden causar los mismos problemas que las fibras de asbesto, es decir, se producen varios tumores malignos, así como cáncer de pulmón. El grado de impacto negativo del asbesto depende del tipo y grosor de sus fibras. Dado que los nanotubos de carbono son pequeños en peso y tamaño, entran fácilmente en el cuerpo humano con el aire. Además, ingresan a la pleura y al tórax, y con el tiempocausar diversas complicaciones. Los científicos realizaron un experimento y agregaron partículas de nanotubos a la comida de los ratones. Los productos de pequeño diámetro prácticamente no se quedaron en el cuerpo, pero los más grandes se clavaron en las paredes del estómago y causaron diversas enfermedades.
Cómo obtener métodos
Actualmente, existen los siguientes métodos para obtener nanotubos de carbono: carga por arco, ablación, deposición de vapor.
Descarga por arco eléctrico. Obtención (los nanotubos de carbono se describen en este artículo) en un plasma de carga eléctrica, que se quema con el uso de helio. Tal proceso puede llevarse a cabo utilizando equipos técnicos especiales para la producción de fullerenos. Pero con este método, se utilizan otros modos de quemado por arco. Por ejemplo, se reduce la densidad de corriente y también se utilizan cátodos de enorme espesor. Para crear una atmósfera de helio, es necesario aumentar la presión de este elemento químico. Los nanotubos de carbono se obtienen por pulverización catódica. Para aumentar su número, es necesario introducir un catalizador en la varilla de grafito. La mayoría de las veces es una mezcla de diferentes grupos de metales. Además, hay un cambio en la presión y el método de pulverización. Así se obtiene un depósito catódico, donde se forman los nanotubos de carbono. Los productos terminados crecen perpendiculares al cátodo y se recolectan en paquetes. Miden 40 µm de largo.
Ablación. Este método fue inventado por Richard Smalley. Su esencia es evaporar diferentes superficies de grafito en un reactor que opera a altas temperaturas. Los nanotubos de carbono se forman como resultado de la evaporación del grafito en el fondo.partes del reactor.
Se enfrían y se recogen mediante una superficie de refrigeración. Si en el primer caso, el número de elementos era igual al 60%, con este método la cifra aumentó en un 10%. El costo del método de absolación láser es más caro que todos los demás. Por regla general, los nanotubos de pared simple se obtienen cambiando la temperatura de reacción.
Deposición de la fase gaseosa. El método de deposición de vapor de carbono se inventó a finales de los años 50. Pero nadie imaginaba siquiera que con él se podrían obtener nanotubos de carbono. Entonces, primero debe preparar la superficie con un catalizador. Pequeñas partículas de diferentes metales, por ejemplo, cob alto, níquel y muchos otros, pueden servirle. Los nanotubos comienzan a emerger del lecho del catalizador. Su espesor depende directamente del tamaño del metal catalizador. La superficie se calienta a altas temperaturas y luego se suministra un gas que contiene carbono. Entre ellos se encuentran el metano, el acetileno, el etanol, etc. El amoníaco sirve como gas técnico adicional. Este método de obtención de nanotubos es el más común. El proceso en sí tiene lugar en varias empresas industriales, por lo que se gastan menos recursos financieros para la fabricación de una gran cantidad de tubos. Otra ventaja de este método es que se pueden obtener elementos verticales a partir de cualquier partícula metálica que sirva como catalizador. La obtención (los nanotubos de carbono se describen desde todos los lados) fue posible gracias a la investigación de Suomi Iijima, quienobservado bajo un microscopio por su apariencia como resultado de la síntesis de carbono.
Especies principales
Los elementos de carbono se clasifican por el número de capas. El tipo más simple son los nanotubos de carbono de pared simple. Cada uno de ellos tiene un grosor de aproximadamente 1 nm, y su longitud puede ser mucho mayor. Si consideramos la estructura, entonces el producto parece envolver grafito con una rejilla hexagonal. En su parte superior hay átomos de carbono. Así, el tubo tiene la forma de un cilindro, que no tiene costuras. La parte superior de los dispositivos está cerrada con cubiertas que consisten en moléculas de fullereno.
La siguiente vista son los nanotubos de carbono multicapa. Consisten en varias capas de grafito, que se doblan en forma de cilindro. Se mantiene una distancia de 0,34 nm entre ellos. Una estructura de este tipo se describe de dos maneras. Según el primero, los tubos multicapa son varios tubos de una sola capa anidados entre sí, lo que parece una muñeca anidada. Según el segundo, los nanotubos multicapa son una hoja de grafito que se envuelve varias veces, lo que parece un periódico doblado.
Nanotubos de carbono: aplicaciones
Los elementos son absolutamente nuevos representantes de la clase de nanomateriales.
Como se mencionó anteriormente, tienen una estructura de marco, que difiere en propiedades del grafito o el diamante. Por eso se utilizan con mucha más frecuencia que otros materiales.
Debido a sus características como fuerza, flexión, conductividad, se utiliza en muchos campos:
- como aditivos para polímeros;
- catalizador para dispositivos de iluminación, así como pantallas planas y microteléfonos en redes de telecomunicaciones;
- como absorbente de ondas electromagnéticas;
- para conversión de energía;
- fabricación de ánodos en varios tipos de baterías;
- almacenamiento de hidrógeno;
- fabricación de sensores y capacitores;
- producción de composites y fortalecimiento de su estructura y propiedades.
Durante muchos años, los nanotubos de carbono, cuya aplicación no se limita a una industria en particular, se han utilizado en la investigación científica. Dicho material tiene una posición débil en el mercado, ya que existen problemas con la producción a gran escala. Otro punto importante es el alto costo de los nanotubos de carbono, que es de aproximadamente $120 por gramo de dicha sustancia.
Se utilizan como elemento básico para la producción de muchos compuestos, que se utilizan para fabricar muchos artículos deportivos. Otra industria es la industria automotriz. La funcionalización de los nanotubos de carbono en esta área se reduce a dotar a los polímeros de propiedades conductoras.
La conductividad térmica de los nanotubos es lo suficientemente alta como para que se puedan usar como dispositivo de enfriamiento para varios equipos masivos. También se utilizan para hacer puntas que se unen a los tubos de sonda.
El área de aplicación más importante es la tecnología informática. Gracias a los nanotubos, se crean especialmente pantallas planas. Se pueden utilizar para reducir significativamentelas dimensiones generales de la propia computadora, así como aumentar su rendimiento técnico. El equipamiento terminado será varias veces superior a las tecnologías actuales. Sobre la base de estos estudios, se pueden crear cinescopios de alto voltaje.
Con el tiempo, los tubos se utilizarán no solo en la electrónica, sino también en los campos médico y energético.
Producción
Los tubos de carbono, cuya producción se distribuye entre los dos tipos, se distribuyen de manera desigual.
Así que los MWNT generan mucho más que los SWNT. El segundo tipo se realiza en caso de necesidad urgente. Varias empresas están constantemente produciendo nanotubos de carbono. Pero prácticamente no tienen demanda, ya que su costo es demasiado alto.
Líderes de producción
Hoy en día, el lugar líder en la producción de nanotubos de carbono lo ocupan los países asiáticos, cuyas capacidades de producción son 3 veces superiores a las de otros países de Europa y América. En particular, Japón se dedica a la fabricación de MWNT. Pero otros países, como Corea y China, no son inferiores en este indicador.
Producción en Rusia
La producción nacional de nanotubos de carbono está muy por detrás de otros países. De hecho, todo depende de la calidad de la investigación en esta área. No asigna suficientes recursos financieros para crear centros científicos y tecnológicos en el país. Muchas personas no aceptan los avances en el campo de la nanotecnología porque no saben cómo se puede utilizar en la industria. Por lo tanto, la transición de la economíael nuevo camino es bastante difícil.
Por lo tanto, el presidente de Rusia emitió un decreto que indica el desarrollo de varias áreas de la nanotecnología, incluidos los elementos de carbono. Para estos fines, se creó un programa especial para el desarrollo y producción de nuestras propias tecnologías.
Con el fin de cumplir con todos los puntos del pedido, se creó la empresa Rosnanotech. Se asignó una cantidad significativa del presupuesto estatal para su funcionamiento. Es ella quien debe controlar el proceso de desarrollo, producción e introducción de nanotubos de carbono en el ámbito industrial. El monto asignado se gastará en la creación de varios institutos y laboratorios de investigación, y también fortalecerá los logros existentes de los científicos nacionales. Además, estos fondos se utilizarán para comprar equipos de alta calidad para la producción de nanotubos de carbono. También vale la pena cuidar aquellos dispositivos que protegerán la salud humana, ya que este material causa muchas enfermedades.
Como se mencionó anteriormente, todo el problema es recaudar fondos. La mayoría de los inversores no quieren invertir en investigación y desarrollo, especialmente durante mucho tiempo. Todos los hombres de negocios quieren ver ganancias, pero el nanodesarrollo puede llevar años. Esto es lo que repele a los representantes de las pequeñas y medianas empresas. Además, sin la inversión del gobierno, no será posible lanzar completamente la producción de nanomateriales.
Otro problemaes la f alta de un marco legal, ya que no existe un nexo intermedio entre las distintas etapas del negocio. Por lo tanto, los nanotubos de carbono, cuya producción no tiene demanda en Rusia, requieren inversiones no solo financieras, sino también mentales. Hasta ahora, la Federación Rusa está lejos de los países asiáticos, que lideran el desarrollo de la nanotecnología.
Hoy, los desarrollos en esta industria se llevan a cabo en los departamentos químicos de varias universidades en Moscú, Tambov, San Petersburgo, Novosibirsk y Kazan. Los principales fabricantes de nanotubos de carbono son la empresa Granat y la planta de Komsomolets en Tambov.
Lado bueno y malo
Entre las ventajas se encuentran las propiedades especiales de los nanotubos de carbono. Son un material duradero que no colapsa bajo la influencia de influencias mecánicas. Además, funcionan bien para doblar y estirar. Esto es posible gracias a la estructura de marco cerrado. Su aplicación no se limita a una industria. Los tubos se utilizan en automoción, electrónica, medicina y energía.
Una gran desventaja es el impacto negativo en la salud humana.
Las partículas de nanotubos que ingresan al cuerpo humano provocan la aparición de tumores malignos y cáncer.
El aspecto esencial es la financiación de esta industria. Mucha gente no quiere invertir en ciencia, porque toma mucho tiempo obtener ganancias. Y sin el funcionamiento de los laboratorios de investigación, el desarrollo de la nanotecnologíaimposible.
Conclusión
Los nanotubos de carbono juegan un papel importante en las tecnologías innovadoras. Muchos expertos pronostican el crecimiento de esta industria en los próximos años. Habrá un aumento significativo en las capacidades de producción, lo que conducirá a una disminución en el costo de los bienes. Con la disminución del precio, los tubos tendrán una gran demanda y se convertirán en un material indispensable para muchos dispositivos y equipos.
Descubrimos cuáles son estos productos.
