Energia é uma indústria importante que desempenha um papel enorme na vida humana. O estado energético do país depende do trabalho de muitos cientistas neste campo. Hoje eles estão procurando por fontes alternativas de energia. Para esses fins, eles estão prontos para usar qualquer coisa, começando com a luz do sol e a água, terminando com a energia do ar. Equipamentos que podem gerar energia a partir do meio ambiente são altamente valorizados.
Informações gerais
Os nanotubos de carbono são planos de grafite laminados estendidos com formato cilíndrico. Como regra, sua espessura atinge várias dezenas de nanômetros, com um comprimento de vários centímetros. Na extremidade dos nanotubos forma-se uma cabeça esférica, que é uma das partes do fulereno.
Existem dois tipos de nanotubos de carbono: metal e semicondutor. Sua principal diferença é a condutividade da corrente. O primeiro tipo pode conduzir corrente a uma temperatura igual a 0ºС e o segundo - apenas em temperaturas elevadas.
Nanotubos de carbono: propriedades
A maioriaáreas modernas, como a química aplicada ou a nanotecnologia, estão associadas aos nanotubos, que possuem uma estrutura de estrutura de carbono. O que é isso? Esta estrutura refere-se a grandes moléculas ligadas entre si apenas por átomos de carbono. Os nanotubos de carbono, cujas propriedades se baseiam em uma casca fechada, são altamente valorizados. Além disso, essas formações têm uma forma cilíndrica. Esses tubos podem ser obtidos dobrando uma folha de grafite ou crescendo a partir de um determinado catalisador. Os nanotubos de carbono, cujas fotos são apresentadas abaixo, têm uma estrutura incomum.
Eles vêm em diferentes formas e tamanhos: camada única e várias camadas, retas e sinuosas. Apesar do fato de os nanotubos parecerem bastante frágeis, eles são um material forte. Como resultado de muitos estudos, verificou-se que eles possuem propriedades como alongamento e flexão. Sob a ação de grandes cargas mecânicas, os elementos não se rompem, ou seja, podem se adaptar a diferentes tensões.
Toxicidade
Como resultado de vários estudos, descobriu-se que os nanotubos de carbono podem causar os mesmos problemas que as fibras de amianto, ou seja, ocorrem vários tumores malignos, assim como o câncer de pulmão. O grau de impacto negativo do amianto depende do tipo e espessura de suas fibras. Como os nanotubos de carbono são pequenos em peso e tamanho, eles entram facilmente no corpo humano com o ar. Além disso, eles entram na pleura e entram no tórax e, com o tempo,causar diversas complicações. Os cientistas realizaram um experimento e adicionaram partículas de nanotubos à comida de camundongos. Produtos de pequeno diâmetro praticamente não permaneciam no corpo, mas os maiores cavavam as paredes do estômago e causavam várias doenças.
Métodos de Obtenção
Hoje existem os seguintes métodos para obtenção de nanotubos de carbono: carga de arco, ablação, deposição de vapor.
Descarga de arco elétrico. Obtenção (nanotubos de carbono são descritos neste artigo) em um plasma de carga elétrica, que queima com o uso de hélio. Tal processo pode ser realizado usando equipamentos técnicos especiais para a produção de fulerenos. Mas com este método, outros modos de queima de arco são usados. Por exemplo, a densidade de corrente é reduzida e cátodos de enorme espessura também são usados. Para criar uma atmosfera de hélio, é necessário aumentar a pressão desse elemento químico. Os nanotubos de carbono são obtidos por pulverização catódica. Para aumentar seu número, é necessário introduzir um catalisador na haste de grafite. Na maioria das vezes é uma mistura de diferentes grupos metálicos. Além disso, há uma mudança na pressão e no método de pulverização. Assim, obtém-se um depósito catódico, onde se formam nanotubos de carbono. Os produtos acabados crescem perpendicularmente ao cátodo e são coletados em feixes. Eles têm 40 µm de comprimento.
Ablação. Este método foi inventado por Richard Smalley. Sua essência é evaporar diferentes superfícies de grafite em um reator operando em altas temperaturas. Nanotubos de carbono são formados como resultado da evaporação do grafite no fundopartes do reator.
Eles são resfriados e coletados usando uma superfície de resfriamento. Se no primeiro caso, o número de elementos foi igual a 60%, então com este método o valor aumentou 10%. O custo do método de absolvição a laser é mais caro do que todos os outros. Como regra, os nanotubos de parede simples são obtidos alterando a temperatura da reação.
Deposição da fase gasosa. O método de deposição de vapor de carbono foi inventado no final dos anos 50. Mas ninguém sequer imaginou que nanotubos de carbono poderiam ser obtidos com ele. Então, primeiro você precisa preparar a superfície com um catalisador. Pequenas partículas de diferentes metais, por exemplo, cob alto, níquel e muitos outros, podem servir para isso. Os nanotubos começam a emergir do leito catalítico. Sua espessura depende diretamente do tamanho do metal catalisador. A superfície é aquecida a altas temperaturas e, em seguida, um gás contendo carbono é fornecido. Entre eles estão metano, acetileno, etanol, etc. A amônia serve como um gás técnico adicional. Este método de obtenção de nanotubos é o mais comum. O processo em si ocorre em várias empresas industriais, devido às quais são gastos menos recursos financeiros para a fabricação de um grande número de tubos. Outra vantagem deste método é que os elementos verticais podem ser obtidos a partir de quaisquer partículas metálicas que sirvam como catalisador. A obtenção (os nanotubos de carbono são descritos de todos os lados) tornou-se possível graças à pesquisa de Suomi Iijima, queobservado sob um microscópio para sua aparência como resultado da síntese de carbono.
Principais espécies
Os elementos de carbono são classificados pelo número de camadas. O tipo mais simples são os nanotubos de carbono de parede simples. Cada um deles tem uma espessura de cerca de 1 nm e seu comprimento pode ser muito maior. Se considerarmos a estrutura, o produto parece envolver grafite com uma grade hexagonal. Em seus topos estão os átomos de carbono. Assim, o tubo tem a forma de um cilindro, que não tem costuras. A parte superior dos dispositivos é fechada com tampas compostas por moléculas de fulereno.
A próxima visão são os nanotubos de carbono multicamadas. Eles consistem em várias camadas de grafite, que são dobradas em forma de cilindro. Uma distância de 0,34 nm é mantida entre eles. Uma estrutura deste tipo é descrita de duas maneiras. De acordo com o primeiro, os tubos multicamadas são vários tubos de camada única aninhados uns nos outros, que se parecem com uma boneca aninhada. De acordo com o segundo, os nanotubos multicamadas são uma folha de grafite que se enrola várias vezes, que se parece com um jornal dobrado.
Nanotubos de carbono: aplicações
Os elementos são um novo representante absoluto da classe dos nanomateriais.
Como mencionado anteriormente, eles têm uma estrutura de moldura, que difere em propriedades de grafite ou diamante. É por isso que eles são usados com muito mais frequência do que outros materiais.
Devido às suas características como resistência, flexão, condutividade, é utilizado em diversos campos:
- como aditivos para polímeros;
- catalisador para dispositivos de iluminação, bem como monitores de tela plana e aparelhos em redes de telecomunicações;
- como absorvedor de ondas eletromagnéticas;
- para conversão de energia;
- fabricação de anodos em diversos tipos de baterias;
- armazenamento de hidrogênio;
- fabricação de sensores e capacitores;
- produção de compósitos e reforço da sua estrutura e propriedades.
Por muitos anos, os nanotubos de carbono, cuja aplicação não se limita a uma indústria em particular, têm sido utilizados em pesquisas científicas. Esse material tem uma posição fraca no mercado, pois há problemas com a produção em larga escala. Outro ponto importante é o alto custo dos nanotubos de carbono, que é de aproximadamente US$ 120 por grama dessa substância.
Eles são usados como elemento básico para a produção de muitos compósitos, que são usados para fazer muitos artigos esportivos. Outra indústria é a indústria automotiva. A funcionalização de nanotubos de carbono nesta área reduz-se a dotar os polímeros de propriedades condutoras.
A condutividade térmica dos nanotubos é alta o suficiente para que possam ser usados como dispositivo de resfriamento para vários equipamentos de grande porte. Eles também são usados para fazer pontas que são anexadas aos tubos da sonda.
A área de aplicação mais importante é a informática. Graças aos nanotubos, são criadas telas especialmente planas. Eles podem ser usados para reduzir significativamenteas dimensões gerais do próprio computador, bem como aumentar seu desempenho técnico. O equipamento acabado será várias vezes superior às tecnologias atuais. Com base nesses estudos, cinescópios de alta tensão podem ser criados.
Com o tempo, os tubos serão usados não apenas na eletrônica, mas também nas áreas médica e de energia.
Produção
Tubos de carbono, cuja produção é distribuída entre os dois tipos, são distribuídos de forma desigual.
Assim, os MWNTs rendem muito mais do que os SWNTs. O segundo tipo é feito em caso de necessidade urgente. Várias empresas estão constantemente produzindo nanotubos de carbono. Mas eles praticamente não estão em demanda, pois seu custo é muito alto.
Líderes de produção
Hoje, o lugar de liderança na produção de nanotubos de carbono é ocupado por países asiáticos, cuja capacidade de produção é 3 vezes maior do que em outros países da Europa e América. Em particular, o Japão está envolvido na fabricação de MWNT. Mas outros países, como Coréia e China, não são inferiores nesse indicador.
Produção na Rússia
A produção nacional de nanotubos de carbono está muito atrás de outros países. Na verdade, tudo depende da qualidade da pesquisa nessa área. Não aloca recursos financeiros suficientes para criar centros científicos e tecnológicos no país. Muitas pessoas não aceitam os desenvolvimentos no campo da nanotecnologia porque não sabem como ela pode ser usada na indústria. Assim, a transição da economiao novo caminho é bastante difícil.
Portanto, o presidente da Rússia emitiu um decreto, que indica o desenvolvimento de várias áreas da nanotecnologia, incluindo elementos de carbono. Para isso, foi criado um programa especial para o desenvolvimento e produção de tecnologias próprias.
Para cumprir todos os pontos do pedido, foi criada a empresa Rosnanotech. Uma quantia significativa foi alocada do orçamento do Estado para o seu funcionamento. É ela quem deve controlar o processo de desenvolvimento, produção e introdução de nanotubos de carbono na esfera industrial. O valor alocado será gasto na criação de vários institutos e laboratórios de pesquisa e também fortalecerá as conquistas existentes de cientistas nacionais. Além disso, esses recursos serão usados para comprar equipamentos de alta qualidade para a produção de nanotubos de carbono. Também vale a pena cuidar daqueles aparelhos que vão proteger a saúde humana, pois esse material causa muitas doenças.
Como mencionado anteriormente, todo o problema é arrecadar fundos. A maioria dos investidores não quer investir em pesquisa e desenvolvimento, especialmente por muito tempo. Todos os empresários querem ver lucro, mas o nanodesenvolvimento pode levar anos. É isso que repele representantes de pequenas e médias empresas. Além disso, sem o investimento do governo, não será possível iniciar totalmente a produção de nanomateriais.
Outro problemaé a f alta de um arcabouço legal, uma vez que não há vínculo intermediário entre as diferentes etapas do negócio. Portanto, os nanotubos de carbono, cuja produção não é demandada na Rússia, exigem não apenas investimentos financeiros, mas também mentais. Até agora, a Federação Russa está longe dos países asiáticos, que lideram o desenvolvimento da nanotecnologia.
Hoje, os desenvolvimentos nesta indústria são realizados nos departamentos químicos de várias universidades em Moscou, Tambov, São Petersburgo, Novosibirsk e Kazan. Os principais fabricantes de nanotubos de carbono são a empresa Granat e a fábrica Komsomolets em Tambov.
Lados bons e ruins
Entre as vantagens estão as propriedades especiais dos nanotubos de carbono. Eles são um material durável que não colapsa sob a influência de influências mecânicas. Além disso, eles funcionam bem para dobrar e alongar. Isso é possível pela estrutura de estrutura fechada. A sua aplicação não se limita a uma indústria. Os tubos são usados na indústria automotiva, eletrônica, medicina e energia.
Uma grande desvantagem é o impacto negativo na saúde humana.
Partículas de nanotubos, entrando no corpo humano, levam ao surgimento de tumores malignos e câncer.
O essencial é o financiamento desta indústria. Muitas pessoas não querem investir em ciência, porque leva muito tempo para obter lucro. E sem o funcionamento dos laboratórios de pesquisa, o desenvolvimento da nanotecnologiaimpossível.
Conclusão
Os nanotubos de carbono desempenham um papel importante em tecnologias inovadoras. Muitos especialistas prevêem o crescimento desta indústria nos próximos anos. Haverá um aumento significativo nas capacidades de produção, o que levará a uma diminuição no custo das mercadorias. Com a queda do preço, os tubos terão grande demanda e se tornarão um material indispensável para muitos dispositivos e equipamentos.
Então, descobrimos quais são esses produtos.
