Tika novērots, ka materiāla kvantu īpašības nanoskaļā var atšķirties. Materiāls, kas molekulārā līmenī darbojas kā izolators, var izteikt vadītāja īpašības, aplūkojot tā nanoskolas līmeni. Nanotehnoloģija ir parādījusies kā pētījumu metodoloģija, kas nodarbojas ar materiāla īpašību izmaiņu izpēti nanoskaļā. Tas ietver dažādu zinātņu, piemēram, kvantu fizikas, pusvadītāju fizikas, materiālu, kombinētu izpēti ražošana utt. nanoskaļļu līmenī. Materiāli, kas veidoti, izmantojot nanotehnoloģijas principus un metodes, kuru īpašības atrodas starp makroskopisko cieto vielu un atomu sistēmu īpašībām, ir pazīstami kā nanomateriāli.
Kas ir nanomateriāli?
Termins nanoskaļai attiecas uz 10 dimensiju-9metri. Tā ir viena miljardā metra daļa. Tātad daļiņas, kuru kāds no ārējiem izmēriem vai iekšējās struktūras vai virsmas struktūras izmēriem ir diapazonā no 1 līdz 100 nm, tiek uzskatītas par nanomateriāliem.
Šie materiāli nav redzami ar neapbruņotu aci. Nanomateriāliem tiek apsvērta nanotehnoloģiju materiālzinātniskā pieeja. Šajā mērogā šiem materiāliem ir unikālas optiskās, elektroniskās, mehāniskās un kvantu īpašības, salīdzinot ar to molekulāro mērogu uzvedību.
Nanomateriāls var būt nano objekts vai nanostrukturēts materiāls. Nao objekti ir diskrēti materiāla gabali, no otras puses, nanostrukturētiem materiāliem ir sava iekšējā vai virsmas struktūra nanomēra dimensijā.
Nanomateriāli var būt dabiski, mākslīgi ražoti vai nejauši veidoti. Ar progresu pētījumā nanomateriāli tiek komercializēti un tiek izmantoti kā preces.
Nanomateriālu īpašības
Krasas izmaiņas nanomateriālu īpašības var novērot, kad tie tiek sadalīti nanoskaļļu līmenī. No molekulārā līmeņa ejot uz nanoskaļojuma līmeni, materiālu elektroniskās īpašības mainās kvantu lieluma efekta dēļ. Materiālu mehānisko, termisko un katalītisko īpašību izmaiņas var novērot, palielinoties virsmas laukumam un tilpumam nanoskaļļu līmenī.
Daudzi no izolatora materiāliem sāk izturēties kā vadītāji nanoskaļļu izmēros. Līdzīgi, kad mēs sasniedzam nanomēroga dimensijas, var novērot daudzas interesantas kvantu un virsmas parādības.
Daļiņu izmērs, forma, ķīmiskais sastāvs, kristāla struktūra, fizikāli ķīmiskā stabilitāte, virsmas laukums un virsmas enerģija utt.… Ir atkarīga no nanomateriālu fizikāli ķīmiskajām īpašībām. Palielinoties nanomateriālu virsmas laukuma un tilpuma attiecībai, to virsma kļūst reaktīvāka pret sevi un citām sistēmām. Nanomateriālu lielumam ir nozīmīga loma to farmakoloģiskajā uzvedībā. Kad nanomateriāli mijiedarbojas ar ūdeni vai citām dispersijas vielām, tie var pārkārtot savu kristālu struktūru. Nanomateriālu lielums, sastāvs un virsmas lādiņš ietekmē to agregācijas stāvokli. Šo materiālu magnētiskās, fizikāli ķīmiskās un psihokinētiskās īpašības ietekmē virsmas pārklājums. Šie materiāli rada ROS, kad to virsma reaģē ar skābekli, ozonu un pārejas materiāliem.
Nanotehniskā mērogā mijiedarbība starp daļiņām notiek vai nu van der Vāla spēku, vai spēcīgu polāro vai kovalento saišu dēļ. Izmantojot polielektrolītus, nanomateriālu virsmas īpašības un to mijiedarbību ar citiem elementiem un vidi var modificēt.
Piemēri
Nanomateriālus var atrast vai nu kā nejaušus, vai dabiski sastopamus inženierijas nanomateriālus. Inženierijas nanomateriālus ražo cilvēki ar dažām vēlamajām īpašībām. Tajos ietilpst kvēpu un titāna dioksīda nanomateriāli. Nanodaļiņas ražo arī mehānisku vai rūpniecisku procesu dēļ, piemēram, transportlīdzekļu izplūdes gāzu, metināšanas dūmu, vārīšanas un degvielas sildīšanas laikā. Starp citu ražotie atmosfēras nanomateriāli ir pazīstami arī kā sīki smalkas daļiņas. Fullerēni ir nanomateriāls, kas rodas biomasas, sveces dedzināšanas dēļ.
Nanotube
Dabiski esošie nanomateriāli veidojas daudzu dabisko procesu dēļ, piemēram, meža ugunsgrēku, vulkānisko pelnu, okeāna smidzināšanas, metālu atmosfēras iedarbības utt. nanomateriālu piemēri bioloģiskajās sistēmās ir vaska kristālu struktūra, kas aptver lotosu, vīrusu struktūra, zirnekļa ērces zīds, tarantulas zirnekļu zils nokrāsa, tauriņu spārnu svari. Daļiņas, piemēram, piens, asinis, rags, zobi, āda, papīrs, koraļļi, knābji, spalvas, kaulu matrica, kokvilna, naglas utt., Ir dabiski sastopami organiski nanomateriāli. Māli ir dabiski sastopama neorganiska nanomateriāla piemērs, jo tie veidojas kristālu augšanas dēļ dažādos ķīmiskos apstākļos uz zemes garozas.
Klasifikācija
Nanomateriālu klasifikācija galvenokārt ir atkarīga no morfoloģijas un to struktūras, tos klasificē divās lielās grupās kā Konsolidētie materiāli un Nanodispersijas. Konsolidētos nanomateriālus sīkāk klasificē vairākās grupās. Viendimensiju Nano dispersijas sistēmas tiek sauktas par nanopulveriem un nanodaļiņām. Šeit nanodaļiņas tālāk klasificē kā nanokristāli, nanoklusteri, nanocaurules, supermolekulas utt.
Nanomateriāliem lielums ir svarīgs fiziskais atribūts. Nanomateriālus bieži klasificē atkarībā no to izmēru skaita, kas ietilpst nanoskaļās. Nanomateriālu, kura visas trīs dimensijas ir nanomēroga un būtiski neatšķiras starp garāko un īsāko asi, sauc par nanodaļiņām. Materiālus, kuru nanodimensijā ir divi izmēri, sauc par nanofibriem. Dobās nanopiedras ir pazīstamas kā nanocaurules, bet cietās - kā nanodaļiņas. Materiāli, kuriem nanodimensijā ir viena dimensija, ir pazīstami kā nanoplāksnes. Nanoplāksnes ar diviem dažādiem garākiem izmēriem ir pazīstamas kā Nanoribbons.
Pamatojoties uz vielas fāzēm, kuras satur nanostrukturētie materiāli, tos klasificē kā nanokompozītus, nanoputas, nanoporus un nanokristāliskus materiālus. Cietos materiālus, kas satur vismaz vienu fiziski vai ķīmiski atšķirīgu reģionu ar vismaz vienu reģionu ar izmēriem nanoskaļā, sauc par Nano Composites. Nanoputas satur šķidru vai cietu matricu, kas piepildīta ar gāzveida fāzi, un vienai no divām fāzēm nanodimensijā ir izmēri.
Cietie materiāli ar nanoporām, dobumi ar izmēriem nanoskaļā tiek uzskatīti par nanoporainiem materiāliem. Nanokristāliskiem materiāliem nanogalā ir kristāla graudi.
Nanomateriālu pielietojums
Mūsdienās nanomateriāli tiek ļoti komercializēti. Daži no tirgū pieejamajiem komerciālajiem nanomateriāliem ir kosmētika, izturīgi tekstilizstrādājumi, elektronika, sauļošanās krēmi, krāsas utt. Nanokrāsojumus un nanokompozītus izmanto dažādos patēriņa produktos, piemēram, sporta aprīkojumā, logos, automašīnās utt. dzērieniem, ko izraisa saules gaisma, stikla pudeles tiek pārklātas ar nanopārklājumu, kas bloķē UV starus. Izmantojot nano-māla kompozītmateriālus, tiek ražotas ilgstošākas tenisa bumbiņas. Nanoskaļļa silīcija dioksīds tiek izmantots kā pildviela zobu plombēšanai.
Nanomateriālu optiskās īpašības tiek izmantotas optisko detektoru, sensoru, lāzeru, displeju, saules bateriju veidošanai. Šo īpašību izmanto arī biomedicīnā un fotoelektroķīmijā. Mikrobu degvielas šūnās elektrodus veido oglekļa nanocaurules. Lai palielinātu augstas izšķirtspējas televizoru un personālo datoru pikseļu izšķirtspēju, displeja ekrānos tiek izmantots nanokristāliskais cinka selenīds. Mikroelektroniskajā nozarē tiek uzsvērta tādu ķēžu kā tranzistori, diodes, rezistori un kondensatori miniaturizācija.
Bezvadu savienojumu veidošanā tiek izmantoti vadi tranzistori . Nanomateriālus izmanto arī kā katalizatorus automobiļu katalītiskajos neitralizatoros un enerģijas ražošanas sistēmās, lai reaģētu ar toksiskām gāzēm, piemēram, oglekļa monoksīdu un slāpekļa oksīdu, tādējādi novēršot to radīto vides piesārņojumu. Lai palielinātu saules aizsardzības faktoru (SPF) sauļošanās līdzekļos, tiek izmantots nano-TiO2. Lai nodrošinātu ļoti aktīvu sensoru virsmu, tiek izmantoti inženierijas nanoslāņi.
Fulerēnus lieto vēža gadījumā, lai ārstētu tādas vēža šūnas kā melanoma. Tie ir izmantoti arī kā pret gaismu aktivizēti pretmikrobu līdzekļi. Pateicoties to optiskajām un elektriskajām īpašībām, kvantu punkti, nanovadi un nanodaļi ir ļoti izvēlējušies Optoelektroniku. Tiek pārbaudīti nanomateriālu pielietojumi audu inženierijā, zāļu piegādē un biosensoros. Nanozīmi ir mākslīgie fermenti, ko izmanto biosensēšanai, bioimaging, audzēju noteikšanai.
Nanomateriālu priekšrocības un trūkumi
Nanomateriālu elektriskās, magnētiskās, optiskās un mehāniskās īpašības ir izmantojušas daudz aizraujošu pielietojumu. Joprojām notiek pētījumi, lai uzzinātu par šīm īpašībām. Nanomateriālu īpašības atšķiras no lielapjoma modeļa īpašībām. Dažas no nanomateriālu priekšrocībām ir šādas:
- Nanomateriāls pusvadītājs q-daļiņām ir kvantu ierobežošanas efekti, tādējādi piešķirot tām luminiscences īpašību.
- Salīdzinot ar rupji graudainu keramiku, nanofāžu keramika paaugstinātā temperatūrā ir elastīgāka.
- Nanosizētu metāla pulveru aukstās metināšanas īpašība kopā ar to plastiskumu ir ļoti noderīga metāla un metāla savienošanai.
- Atsevišķas nanosizotētas magnētiskās daļiņas nodrošina super paramagnetisma īpašību.
- Nanostrukturētas monometāla sastāva metāla kopas darbojas kā neviendabīgu katalizatoru prekursori.
- Saules baterijām nanokristāliskas silīcija plēves veido ļoti caurspīdīgu kontaktu.
- Nanostrukturētas porainas titāna oksīda plēves nodrošina augstu caurlaidību un paaugstinātu virsmas laukumu.
- Mikroelektronikas nozares izaicinājumi ķēžu miniaturizācijā, piemēram, slikta siltuma izkliedēšana, ko rada ātrgaitas mikroprocesori , sliktu uzticamību var pārvarēt ar nanokristālisku materiālu palīdzību. Tie nodrošina augstu siltuma vadītspēju, augstu izturību un izturīgus, ilgstošus savienojumus.
Nanomateriālu izmantošanā ir arī daži tehnoloģiski trūkumi. Daži no šiem trūkumiem ir šādi -
- Nanomateriālu nestabilitāte.
- Slikta izturība pret koroziju.
- Augsta šķīdība.
- Kad nanomateriāli ar lielu virsmas laukumu nonāk tiešā saskarē ar skābekli, notiek eksotermiska sadegšana, kas izraisa sprādzienu.
- Piemaisījums
- Tiek uzskatīts, ka nanomateriāli ir bioloģiski kaitīgi. Tiem piemīt augsta toksicitāte, kas var izraisīt kairinājumu.
- Kancerogēns
- Grūti sintezēt
- Nav pieejama droša iznīcināšana
- Grūti pārstrādāt
Šodien nanomateriāli kopā ar nanotehnoloģija ir revolucionārs veids, kādā tiek ražoti dažādi produkti. Nosauciet organiski dabiski sastopamu nanomateriālu?
