พลังงานเป็นอุตสาหกรรมสำคัญที่มีบทบาทสำคัญในชีวิตมนุษย์ สถานะพลังงานของประเทศขึ้นอยู่กับผลงานของนักวิทยาศาสตร์หลายคนในสาขานี้ วันนี้พวกเขากำลังมองหาแหล่งพลังงานทดแทน เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ พร้อมที่จะใช้ทุกอย่าง เริ่มจากแสงแดดและน้ำ จบด้วยพลังงานของอากาศ อุปกรณ์ที่สร้างพลังงานจากสิ่งแวดล้อมมีมูลค่าสูง
ข้อมูลทั่วไป
คาร์บอนนาโนทิวบ์เป็นระนาบกราไฟท์แบบม้วนขยายซึ่งมีรูปทรงกระบอก ตามกฎแล้วความหนาของมันถึงหลายสิบนาโนเมตรโดยมีความยาวหลายเซนติเมตร ที่ปลายท่อนาโนจะเกิดหัวทรงกลมขึ้น ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของฟูลเลอรีน
ท่อนาโนคาร์บอนมีสองประเภท: โลหะและเซมิคอนดักเตอร์ ความแตกต่างหลักของพวกเขาคือค่าการนำไฟฟ้าของกระแส ประเภทแรกสามารถนำกระแสไฟที่อุณหภูมิเท่ากับ 0ºС และประเภทที่สอง - ที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น
ท่อนาโนคาร์บอน: คุณสมบัติ
มากที่สุดพื้นที่สมัยใหม่ เช่น เคมีประยุกต์หรือนาโนเทคโนโลยี มีความเกี่ยวข้องกับท่อนาโนซึ่งมีโครงสร้างเป็นโครงคาร์บอน มันคืออะไร? โครงสร้างนี้หมายถึงโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เชื่อมโยงกันโดยอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น ท่อนาโนคาร์บอนซึ่งมีคุณสมบัติเป็นเปลือกปิดมีมูลค่าสูง นอกจากนี้การก่อตัวเหล่านี้ยังมีรูปทรงกระบอก หลอดดังกล่าวสามารถรับได้โดยการพับแผ่นกราไฟท์หรือขยายจากตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิด ท่อนาโนคาร์บอน รูปภาพที่แสดงด้านล่าง มีโครงสร้างที่ผิดปกติ
มันมาในรูปทรงและขนาดต่างกัน: ชั้นเดียวและหลายชั้น แบบตรงและคดเคี้ยว แม้ว่าท่อนาโนจะดูเปราะบาง แต่ก็เป็นวัสดุที่แข็งแรง จากผลการศึกษาหลายชิ้นพบว่ามีคุณสมบัติเช่นการยืดตัวและการดัดงอ ภายใต้การกระทำของแรงทางกลที่รุนแรง องค์ประกอบต่างๆ จะไม่ฉีกขาดหรือแตกหัก กล่าวคือ พวกมันสามารถปรับให้เข้ากับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันได้
ความเป็นพิษ
จากการศึกษาหลายชิ้น พบว่าท่อนาโนคาร์บอนสามารถทำให้เกิดปัญหาเช่นเดียวกับเส้นใยแร่ใยหิน กล่าวคือ เนื้องอกร้ายต่างๆ เกิดขึ้น เช่นเดียวกับมะเร็งปอด ระดับของผลกระทบด้านลบของแร่ใยหินขึ้นอยู่กับชนิดและความหนาของเส้นใย เนื่องจากท่อนาโนคาร์บอนมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา จึงเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ได้อย่างง่ายดายด้วยอากาศ ยิ่งกว่านั้นพวกมันเข้าไปในเยื่อหุ้มปอดและเข้าไปในอกและเมื่อเวลาผ่านไปทำให้เกิดโรคแทรกซ้อนต่างๆ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองและเพิ่มอนุภาคของท่อนาโนเข้าไปในอาหารของหนู ผลิตภัณฑ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กแทบไม่คงอยู่ในร่างกาย แต่ผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าถูกเจาะเข้าไปในผนังของกระเพาะอาหารและทำให้เกิดโรคต่างๆ
วิธีรับ
วันนี้ มีวิธีต่อไปนี้ในการรับท่อนาโนคาร์บอน: ประจุอาร์ค ระเหย การสะสมไอ
ปล่อยอาร์คไฟฟ้า. การได้รับ (ท่อนาโนคาร์บอนได้อธิบายไว้ในบทความนี้) ในพลาสมาของประจุไฟฟ้า ซึ่งเผาไหม้โดยใช้ฮีเลียม กระบวนการดังกล่าวสามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ทางเทคนิคพิเศษสำหรับการผลิตฟูลเลอรีน แต่ด้วยวิธีนี้จะใช้โหมดการเผาไหม้ส่วนโค้งอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นกระแสจะลดลง และใช้แคโทดที่มีความหนามหาศาลเช่นกัน เพื่อสร้างบรรยากาศของฮีเลียม จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันขององค์ประกอบทางเคมีนี้ ท่อนาโนคาร์บอนได้มาจากการสปัตเตอร์ เพื่อเพิ่มจำนวนของมัน จำเป็นต้องใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปในแท่งกราไฟท์ ส่วนใหญ่มักเป็นส่วนผสมของโลหะกลุ่มต่างๆ นอกจากนี้ ยังมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันและวิธีการฉีดพ่นอีกด้วย ดังนั้นจึงได้การสะสมของแคโทดิกซึ่งมีการสร้างท่อนาโนคาร์บอน ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตั้งฉากกับแคโทดและรวบรวมเป็นมัด มีความยาว 40 µm
ลบเลือน. วิธีนี้คิดค้นโดย Richard Smalley สาระสำคัญของมันคือการทำให้พื้นผิวกราไฟท์ต่างๆ ระเหยในเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง ท่อนาโนคาร์บอนเกิดขึ้นจากการระเหยของกราไฟท์ที่ด้านล่างส่วนต่างๆ ของเครื่องปฏิกรณ์
พวกเขาถูกทำให้เย็นและรวบรวมโดยใช้พื้นผิวที่ทำความเย็น หากในกรณีแรกจำนวนองค์ประกอบเท่ากับ 60% ด้วยวิธีนี้ตัวเลขจะเพิ่มขึ้น 10% ต้นทุนของวิธีการตัดด้วยเลเซอร์จะแพงกว่าวิธีอื่นๆ ทั้งหมด ตามกฎแล้ว ท่อนาโนที่มีผนังด้านเดียวได้มาจากการเปลี่ยนอุณหภูมิของปฏิกิริยา
ตกตะกอนจากเฟสแก๊ส วิธีการสะสมไอคาร์บอนถูกคิดค้นขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 50 แต่ไม่มีใครคิดด้วยซ้ำว่าจะได้ท่อนาโนคาร์บอนมาด้วย ดังนั้นก่อนอื่นคุณต้องเตรียมพื้นผิวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา อนุภาคขนาดเล็กของโลหะชนิดต่างๆ เช่น โคบอลต์ นิกเกิล และอื่นๆ สามารถใช้เป็นอนุภาคขนาดเล็กได้ ท่อนาโนเริ่มโผล่ออกมาจากเตียงตัวเร่งปฏิกิริยา ความหนาของมันขึ้นอยู่กับขนาดของโลหะที่เร่งปฏิกิริยาโดยตรง พื้นผิวถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิสูง จากนั้นจะจ่ายก๊าซที่มีคาร์บอน ในหมู่พวกเขามีเทน, อะเซทิลีน, เอทานอล ฯลฯ แอมโมเนียทำหน้าที่เป็นก๊าซทางเทคนิคเพิ่มเติม วิธีการรับท่อนาโนนี้เป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุด กระบวนการนี้เกิดขึ้นในสถานประกอบการอุตสาหกรรมหลายแห่งเนื่องจากใช้ทรัพยากรทางการเงินน้อยลงสำหรับการผลิตหลอดจำนวนมาก ข้อดีอีกประการของวิธีนี้คือสามารถหาองค์ประกอบแนวตั้งได้จากอนุภาคโลหะใดๆ ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การได้รับ (อธิบายท่อนาโนคาร์บอนจากทุกด้าน) เป็นไปได้ด้วยการวิจัยของ Suomi Iijima ผู้สังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์สำหรับการปรากฏตัวของพวกมันอันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์คาร์บอน
สายพันธุ์หลัก
คาร์บอนจำแนกตามจำนวนชั้น ชนิดที่ง่ายที่สุดคือท่อนาโนคาร์บอนผนังด้านเดียว แต่ละตัวมีความหนาประมาณ 1 นาโนเมตร และความยาวของพวกมันอาจยาวกว่ามาก หากเราพิจารณาโครงสร้าง ผลิตภัณฑ์จะดูเหมือนห่อด้วยกราไฟท์ที่มีกริดหกเหลี่ยม ที่ยอดของมันคืออะตอมของคาร์บอน ดังนั้นท่อจึงมีรูปร่างเป็นทรงกระบอกไม่มีตะเข็บ ส่วนบนของอุปกรณ์ปิดด้วยฝาปิดที่ประกอบด้วยโมเลกุลฟูลเลอรีน
มุมมองต่อไปคือท่อนาโนคาร์บอนหลายชั้น ประกอบด้วยกราไฟท์หลายชั้นซึ่งพับเป็นรูปทรงกระบอก ระยะห่างระหว่างกัน 0.34 นาโนเมตร โครงสร้างประเภทนี้อธิบายไว้สองวิธี ตามข้อแรก ท่อหลายชั้นคือท่อชั้นเดียวหลายท่อซ้อนกันซึ่งดูเหมือนตุ๊กตาทำรัง จากข้อที่สอง ท่อนาโนหลายชั้นคือแผ่นกราไฟต์ที่พันรอบตัวเองหลายครั้ง ซึ่งดูเหมือนกระดาษที่พับแล้ว
ท่อนาโนคาร์บอน: แอปพลิเคชั่น
องค์ประกอบเป็นตัวแทนใหม่ของวัสดุนาโนคลาส
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ พวกเขามีโครงสร้างเฟรมซึ่งแตกต่างจากคุณสมบัติของกราไฟต์หรือเพชร จึงทำให้มีการใช้งานบ่อยกว่าวัสดุอื่นๆ
เนื่องจากลักษณะของมัน เช่น ความแข็งแรง การดัด การนำไฟฟ้า จึงถูกใช้ในหลายสาขา:
- เป็นสารเติมแต่งสำหรับโพลีเมอร์
- ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับอุปกรณ์ให้แสงสว่าง เช่นเดียวกับจอแบนและโทรศัพท์มือถือในเครือข่ายโทรคมนาคม
- เป็นตัวดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
- สำหรับการแปลงพลังงาน
- การผลิตขั้วบวกในแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ
- เก็บไฮโดรเจน
- การผลิตเซ็นเซอร์และตัวเก็บประจุ
- การผลิตคอมโพสิตและการเสริมความแข็งแกร่งของโครงสร้างและคุณสมบัติ
หลายปีที่ผ่านมา ท่อนาโนคาร์บอนซึ่งไม่ได้จำกัดเฉพาะอุตสาหกรรมใดอุตสาหกรรมหนึ่ง ถูกนำมาใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ วัสดุดังกล่าวมีจุดอ่อนในตลาดเนื่องจากมีปัญหากับการผลิตขนาดใหญ่ จุดสำคัญอีกประการหนึ่งคือท่อนาโนคาร์บอนมีราคาสูง ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 120 ดอลลาร์ต่อกรัมของสารดังกล่าว
พวกมันถูกใช้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานสำหรับการผลิตคอมโพสิตจำนวนมากซึ่งใช้ในการผลิตสินค้ากีฬาจำนวนมาก อีกอุตสาหกรรมหนึ่งคืออุตสาหกรรมยานยนต์ การทำงานของท่อนาโนคาร์บอนในบริเวณนี้ลดลงจนทำให้พอลิเมอร์มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้า
การนำความร้อนของท่อนาโนสูงพอที่จะใช้เป็นอุปกรณ์ทำความเย็นสำหรับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ต่างๆ พวกเขายังใช้เพื่อทำทิปที่ติดอยู่กับหลอดโพรบ
พื้นที่ใช้งานที่สำคัญที่สุดคือเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ต้องขอบคุณนาโนทิวบ์ที่ทำให้จอแบนโดยเฉพาะถูกสร้างขึ้น ใช้ลดได้เยอะขนาดโดยรวมของคอมพิวเตอร์เองรวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพทางเทคนิค อุปกรณ์สำเร็จรูปจะเหนือกว่าเทคโนโลยีปัจจุบันหลายเท่า จากการศึกษาเหล่านี้ สามารถสร้างกล้องถ่ายภาพนิ่งแรงดันสูงได้
เมื่อเวลาผ่านไป หลอดจะถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในด้านการแพทย์และพลังงานด้วย
การผลิต
ท่อคาร์บอนซึ่งการผลิตจะกระจายระหว่างสองประเภทมีการกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอ
ดังนั้น MWNT ก็ทำได้มากกว่า SWNT ประเภทที่สองจะทำในกรณีจำเป็นเร่งด่วน บริษัทหลายแห่งผลิตท่อนาโนคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง แต่แทบไม่มีความต้องการเลย เนื่องจากราคาสูงเกินไป
หัวหน้าฝ่ายผลิต
วันนี้สถานที่ชั้นนำในการผลิตท่อนาโนคาร์บอนถูกครอบครองโดยประเทศในเอเชียซึ่งมีความสามารถในการผลิตสูงกว่าประเทศอื่น ๆ ในยุโรปและอเมริกาถึง 3 เท่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ญี่ปุ่นมีส่วนร่วมในการผลิต MWNT แต่ประเทศอื่นๆ เช่น เกาหลีและจีน ไม่ได้ด้อยกว่าในตัวบ่งชี้นี้
การผลิตในรัสเซีย
การผลิตท่อนาโนคาร์บอนในประเทศล่าช้ากว่าประเทศอื่นมาก อันที่จริงทุกอย่างขึ้นอยู่กับคุณภาพของงานวิจัยในด้านนี้ ไม่ได้จัดสรรทรัพยากรทางการเงินเพียงพอที่จะสร้างศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในประเทศ หลายคนไม่ยอมรับการพัฒนาด้านนาโนเทคโนโลยีเพราะไม่รู้ว่าจะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้อย่างไร ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของเศรษฐกิจเส้นทางใหม่ค่อนข้างยาก
ดังนั้น ประธานาธิบดีรัสเซียจึงออกพระราชกฤษฎีกาซึ่งบ่งชี้ถึงการพัฒนาด้านนาโนเทคโนโลยีในด้านต่างๆ รวมถึงธาตุคาร์บอน เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ จึงมีการสร้างโปรแกรมพิเศษสำหรับการพัฒนาและผลิตเทคโนโลยีของเราเอง
เพื่อเติมเต็มทุกจุดของคำสั่งซื้อ บริษัท Rosnanotech ได้ถูกสร้างขึ้น มีการจัดสรรงบประมาณของรัฐเป็นจำนวนมากสำหรับการทำงาน เธอเป็นผู้ที่ควรควบคุมกระบวนการพัฒนา การผลิต และการนำท่อนาโนคาร์บอนเข้าสู่วงการอุตสาหกรรม จำนวนเงินที่จัดสรรจะใช้ในการสร้างสถาบันวิจัยและห้องปฏิบัติการต่าง ๆ และจะเสริมสร้างความสำเร็จที่มีอยู่ของนักวิทยาศาสตร์ในประเทศ นอกจากนี้ กองทุนเหล่านี้จะนำไปใช้เพื่อจัดซื้ออุปกรณ์คุณภาพสูงสำหรับการผลิตท่อนาโนคาร์บอน การดูแลอุปกรณ์ที่จะปกป้องสุขภาพของมนุษย์ก็คุ้มค่าเช่นกัน เนื่องจากสารนี้ทำให้เกิดโรคต่างๆ
ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ปัญหาทั้งหมดคือการระดมทุน นักลงทุนส่วนใหญ่ไม่ต้องการลงทุนในการวิจัยและพัฒนาโดยเฉพาะเป็นเวลานาน นักธุรกิจทุกคนต้องการเห็นผลกำไร แต่การพัฒนาระดับนาโนอาจใช้เวลาหลายปี นี่คือสิ่งที่ขับไล่ตัวแทนของธุรกิจขนาดเล็กและขนาดกลาง นอกจากนี้ หากไม่มีการลงทุนจากรัฐบาล การผลิตวัสดุนาโนก็ยังไม่สามารถทำได้อย่างเต็มที่
อีกปัญหาคือการขาดกรอบทางกฎหมาย เนื่องจากไม่มีความเชื่อมโยงระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของธุรกิจ ดังนั้นท่อนาโนคาร์บอนซึ่งการผลิตที่ไม่ต้องการในรัสเซียนั้นไม่เพียง แต่ต้องการเงินเท่านั้น แต่ยังต้องลงทุนด้านจิตใจด้วย จนถึงตอนนี้ สหพันธรัฐรัสเซียยังห่างไกลจากประเทศในเอเชียซึ่งเป็นผู้นำในการพัฒนานาโนเทคโนโลยี
วันนี้ การพัฒนาในอุตสาหกรรมนี้ดำเนินการที่แผนกเคมีของมหาวิทยาลัยต่างๆ ในมอสโก ตัมบอฟ เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก โนโวซีบีร์สค์ และคาซาน ผู้ผลิตชั้นนำของท่อนาโนคาร์บอนคือบริษัท Granat และโรงงาน Komsomolets ในตัมบอฟ
ด้านดีและร้าย
ข้อดีคือคุณสมบัติพิเศษของท่อนาโนคาร์บอน เป็นวัสดุที่ทนทานไม่ยุบตัวภายใต้อิทธิพลของอิทธิพลทางกล นอกจากนี้ยังทำงานได้ดีสำหรับการดัดและยืด สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ด้วยโครงสร้างแบบปิด แอปพลิเคชันของพวกเขาไม่ได้จำกัดอยู่แค่อุตสาหกรรมเดียว หลอดนี้ใช้ในยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์ ยา และพลังงาน
ข้อเสียอย่างใหญ่หลวงคือผลกระทบด้านลบต่อสุขภาพของมนุษย์
อนุภาคของท่อนาโนเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ทำให้เกิดเนื้องอกและมะเร็งร้าย
ด้านที่สำคัญคือการจัดหาเงินทุนของอุตสาหกรรมนี้ หลายคนไม่อยากลงทุนในวิทยาศาสตร์เพราะต้องใช้เวลานานกว่าจะทำกำไรได้ และหากปราศจากการทำงานของห้องปฏิบัติการวิจัย การพัฒนานาโนเทคโนโลยีเป็นไปไม่ได้
สรุป
คาร์บอนนาโนทิวบ์มีบทบาทสำคัญในนวัตกรรมเทคโนโลยี ผู้เชี่ยวชาญหลายคนคาดการณ์การเติบโตของอุตสาหกรรมนี้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ความสามารถในการผลิตจะเพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งจะทำให้ต้นทุนสินค้าลดลง ด้วยการลดราคา หลอดจะเป็นที่ต้องการอย่างมาก และจะกลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้สำหรับอุปกรณ์และอุปกรณ์มากมาย
เราค้นพบแล้วว่าผลิตภัณฑ์เหล่านี้คืออะไร
