Czym są nanomateriały - klasyfikacja i jej właściwości

Zaobserwowano, że właściwości kwantowe materiału mogą się różnić w nanoskali. Materiał zachowujący się jak izolator na poziomie molekularnym może wyrażać właściwości przewodnika na poziomie nanoskali. Nanotechnologia pojawiła się jako metodologia badawcza zajmująca się badaniem zmian właściwości materiału w nanoskali. Obejmuje kombinacyjne badanie różnych nauk, takich jak fizyka kwantowa, fizyka półprzewodników, materiał produkcja itp. na poziomie nanoskali. Materiały utworzone przy użyciu zasad i metod nanotechnologii, których właściwości znajdują się między makroskopowymi ciałami stałymi a układami atomowymi, nazywane są nanomateriałami.

Co to są nanomateriały?

Termin nanoskala odnosi się do wymiaru 10^-9metrów. To jedna miliardowa część metra. Tak więc cząstki, których którykolwiek z wymiarów zewnętrznych lub wewnętrznych lub struktur powierzchniowych mieści się w zakresie od 1 nm do 100 nm, są uważane za nanomateriały.

Materiały te są niewidoczne gołym okiem. W przypadku nanomateriałów rozważa się podejście nanotechnologiczne oparte na materiałoznawstwie. W tej skali materiały te mają wyjątkowe właściwości optyczne, elektroniczne, mechaniczne i kwantowe w porównaniu z ich zachowaniem w skali molekularnej.

Nanomateriał może być nano obiektem lub materiałem nanostrukturalnym. Obiekty Nao to dyskretne kawałki materiału, z drugiej strony materiały nanostrukturalne mają swoją wewnętrzną lub powierzchniową strukturę w wymiarze nanoskali.

Nanomateriały mogą istnieć naturalnie, sztucznie lub przypadkowo. Wraz z postępem badań nanomateriały są komercjalizowane i wykorzystywane jako towary.

Właściwości nanomateriałów

Drastyczna zmiana w właściwości nanomateriałów można zaobserwować, gdy rozpadają się do poziomu nanoskali. W miarę zbliżania się do poziomu nanoskali z poziomu molekularnego, właściwości elektroniczne materiałów ulegają modyfikacji ze względu na efekt wielkości kwantowej. Zmiany właściwości mechanicznych, termicznych i katalitycznych materiałów można zaobserwować wraz ze wzrostem stosunku pola powierzchni do objętości na poziomie nanoskali.

Wiele materiałów izolacyjnych zaczyna zachowywać się jak przewodniki w ich nanoskali. Podobnie, gdy osiągamy wymiary w nanoskali, można zaobserwować wiele interesujących zjawisk kwantowych i powierzchniowych.

Rozmiar cząstek, kształt, skład chemiczny, struktura krystaliczna, stabilność fizykochemiczna, pole powierzchni i energia powierzchniowa itp.… Przypisuje właściwościom fizykochemicznym nanomateriałów. Wraz ze wzrostem stosunku pola powierzchni do objętości nanomateriałów ich powierzchnia staje się bardziej reaktywna względem siebie i innych układów. Wielkość nanomateriałów odgrywa znaczącą rolę w ich zachowaniu farmakologicznym. Kiedy nanomateriały wchodzą w interakcję z wodą lub innymi mediami dyspersyjnymi, mogą zmieniać swoją strukturę krystaliczną. Rozmiar, skład i ładunek powierzchniowy nanomateriałów wpływają na ich stany agregacji. Powłoka powierzchniowa wpływa na magnetyczne, fizykochemiczne i psychokinetyczne właściwości tych materiałów. Materiały te wytwarzają RFT, gdy ich powierzchnia reaguje z tlenem, ozonem i materiałami przejściowymi.

Na poziomie nanoskali oddziaływanie między cząstkami wynika albo z sił van der Waala, albo z silnych wiązań polarnych lub kowalencyjnych. Właściwości powierzchni nanomateriałów oraz ich interakcje z innymi pierwiastkami i środowiskami można modyfikować za pomocą polielektrolitów.

Przykłady

Nanomateriały można znaleźć jako nanomateriały wytworzone metodą inżynierii, przypadkowe lub pochodzenia naturalnego. Inżynierskie nanomateriały są wytwarzane przez ludzi i mają pewne pożądane właściwości. Obejmują one nanomateriały sadzy i dwutlenku tytanu. Nanocząsteczki są również wytwarzane w wyniku procesów mechanicznych lub przemysłowych, przypadkowo, takich jak spaliny samochodowe, opary spawalnicze, gotowanie i podgrzewanie paliwa. Przypadkowo wytworzone nanomateriały atmosferyczne są również znane jako ultradrobne cząstki. Fulereny to nanomateriał powstający w wyniku spalania biomasy, świecy.

Nanorurka

Naturalne istniejące nanomateriały powstają w wyniku wielu naturalnych procesów, takich jak pożary lasów, popiół wulkaniczny, rozpryski oceanu, wietrzenie metali itp. przykłady nanomateriałów W układach biologicznych występuje struktura kryształków wosku pokrywających lotos, struktura wirusów, jedwabnik przędziorków, niebieski odcień pająków tarantuli, łuski skrzydeł motyla. Cząsteczki takie jak mleko, krew, rogi, zęby, skóra, papier, korale, dzioby, pióra, macierz kostna, bawełna, paznokcie itp. Są całkowicie naturalnymi organicznymi nanomateriałami. Gliny są przykładem naturalnie występujących nieorganicznych nanomateriałów, ponieważ powstają w wyniku wzrostu kryształów w różnych warunkach chemicznych na skorupie ziemskiej.

Klasyfikacja

Klasyfikacja nanomateriałów zależy głównie od morfologii i ich struktury, są one podzielone na dwie główne grupy jako materiały skonsolidowane i nanodyspersje. Skonsolidowane nanomateriały dzieli się dalej na kilka grup. Jednowymiarowe systemy nanodyspersyjne nazywane są nanoproszkami i nanocząstkami. Tutaj nanocząsteczki są dalej klasyfikowane jako nanokryształy, nanoklastry, nanorurki, supermolekuły itp.

W przypadku nanomateriałów rozmiar jest ważnym atrybutem fizycznym. Nanomateriały są często klasyfikowane w zależności od liczby ich wymiarów mieszczących się w nanoskali. Nanomateriał, którego wszystkie trzy wymiary są w nanoskali i nie ma znaczącej różnicy między najdłuższą i najkrótszą osią, nazywane są nanocząsteczkami. Materiały z ich dwoma wymiarami w nanoskali nazywane są nanowłóknami. Puste nanowłókna znane są jako nanorurki, a stałe jako nanorurki. Materiały z jednym wymiarem w nanoskali są znane jako nanopłytki. Nanopłytki o dwóch różnych dłuższych wymiarach są znane jako Nanoribbons.

Na podstawie faz materii zawartych w materiałach nanostrukturalnych klasyfikuje się je jako materiały nanokompozytowe, nanopiankowe, nanoporowate i nanokrystaliczne. Materiały stałe zawierające co najmniej jeden fizycznie lub chemicznie odrębny region z co najmniej jednym obszarem o wymiarach w nanoskali nazywane są nanokompozytami. Nanopianki zawierają ciekłą lub stałą matrycę, wypełnioną fazą gazową, a jedna z dwóch faz ma wymiary w nanoskali.

Materiały stałe z nanoporami, wnękami o wymiarach w nanoskali są uważane za materiały nanoporowate. Materiały nanokrystaliczne mają ziarna kryształu w nanoskali.

Zastosowania nanomateriałów

Obecnie nanomateriały są w dużym stopniu komercjalizowane. Niektóre z komercyjnych nanomateriałów dostępnych na rynku to kosmetyki, tkaniny odporne na odkształcenia, elektronika, filtry przeciwsłoneczne, farby itp. Nanopowłoki i nanokompozyty są stosowane w różnych produktach konsumenckich, takich jak sprzęt sportowy, okna, samochody itp. W celu ochrony przed uszkodzeniami na napoje od światła słonecznego, szklane butelki są pokrywane nanopowłoką, która blokuje promienie UV. Przy użyciu kompozytów nano-gliny produkowane są trwalsze piłki tenisowe. Krzemionka w nanoskali jest stosowana jako wypełniacz w wypełnieniach dentystycznych.

Właściwości optyczne nanomateriałów są wykorzystywane do tworzenia detektorów optycznych, czujników, laserów, wyświetlaczy, ogniw słonecznych. Ta właściwość jest również wykorzystywana w biomedycynie i fotoelektrochemii. W mikrobiologicznych ogniwach paliwowych elektrody składają się z nanorurek węglowych. W ekranach wyświetlaczy zastosowano nanokrystaliczny selenek cynku w celu zwiększenia rozdzielczości pikseli tworzących telewizory o wysokiej rozdzielczości i komputery osobiste. W przemyśle mikroelektronicznym kładzie się nacisk na miniaturyzację układów, takich jak tranzystory, diody, rezystory i kondensatory.

Nanoprzewody są używane do tworzenia połączeń bezzłączowych tranzystory . Nanomateriały są również wykorzystywane jako katalizatory w samochodowych konwerterach katalitycznych i systemach wytwarzania energii, aby reagować z toksycznymi gazami, takimi jak tlenek węgla i tlenek azotu, zapobiegając w ten sposób zanieczyszczaniu środowiska przez nie powodowanym. Aby zwiększyć współczynnik ochrony przeciwsłonecznej (SPF) w filtrach przeciwsłonecznych stosuje się nano-TiO2. Aby zapewnić wysoce aktywną powierzchnię dla czujników, stosuje się specjalnie zaprojektowane nanowarstwy.

Fulerereny są stosowane w leczeniu raka do leczenia komórek rakowych, takich jak czerniak. Znalazły one również zastosowanie jako aktywowane światłem środki przeciwbakteryjne. Ze względu na swoje właściwości optyczne i elektryczne kropki kwantowe, nanoprzewody i nanopręty zdecydowanie opowiedziały się za optoelektroniką. Nanomateriały są testowane pod kątem zastosowań w inżynierii tkankowej, dostarczaniu leków i bioczujnikach. Nanozymy to sztuczne enzymy używane do biosensorów, bioobrazowania, wykrywania guzów.

Zalety i wady nanomateriałów

Właściwości elektryczne, magnetyczne, optyczne i mechaniczne nanomateriałów dostarczyły wielu fascynujących zastosowań. Wciąż trwają badania mające na celu poznanie tych właściwości. Właściwości nanomateriałów różnią się od właściwości tego modelu wielkości masowej. Niektóre z zalet nanomateriałów są następujące:

• Nanomateriał półprzewodnik Cząstki q wykazują kwantowe efekty uwięzienia, nadając im w ten sposób właściwość luminescencji.
• W porównaniu z ceramiką gruboziarnistą, ceramika nanofazowa jest bardziej plastyczna w podwyższonych temperaturach.
• Właściwości spawania na zimno nanometrycznych proszków metalicznych wraz z ich ciągliwością są bardzo przydatne do łączenia metalu z metalem.
• Pojedyncze nanocząsteczki magnetyczne zapewniają superparamagnetyzm.
• Nanostrukturalne skupiska metali o składzie monometalicznym działają jako prekursory dla heterogenicznych katalizatorów.
• W przypadku ogniw słonecznych nanokrystaliczne warstwy krzemu tworzą wysoce przezroczysty kontakt.
• Nanostrukturalne, porowate warstwy tlenku tytanu zapewniają wysoką transmisję i duże zwiększenie pola powierzchni.
• Wyzwania stojące przed przemysłem mikroelektronicznym związane z miniaturyzacją obwodów, takie jak słabe odprowadzanie ciepła wytwarzanego przez duże prędkości mikroprocesory słabą niezawodność można pokonać za pomocą materiałów nanokrystalicznych. Zapewniają one wysoką przewodność cieplną, wysoką trwałość i trwałe i trwałe połączenia.

Istnieją również pewne technologiczne niedogodności związane ze stosowaniem nanomateriałów. Oto niektóre z tych wad -

• Niestabilność nanomateriałów.
• Słaba odporność na korozję.
• Wysoka rozpuszczalność.
• Gdy nanomateriały o dużej powierzchni wejdą w bezpośredni kontakt z tlenem, następuje egzotermiczne spalanie prowadzące do wybuchu.
• Zanieczyszczenie
• Uważa się, że nanomateriały są biologicznie szkodliwe. Mają wysoką toksyczność, która może prowadzić do podrażnień.
• Rakotwórczy
• Trudne do zsyntetyzowania
• Brak bezpiecznej utylizacji
• Trudno poddać recyklingowi

Dziś Nanomaterials wraz z nanotechnologia rewolucjonizuje sposoby wytwarzania różnych produktów. Nazwij organiczny nanomateriał występujący w naturze?