Täheldati, et materjali kvantomadused võivad nanoskaalas erineda. Molekulaarsel tasandil isolaatorina käituv materjal võib väljendada juhi omadusi, kui vaadata selle nanoskaala taset. Nanotehnoloogia on kujunenud uurimismetoodikaks, mis tegeleb materjali omaduste muutumise uurimisega nanoskaalas. See hõlmab erinevate teaduste, näiteks kvantfüüsika, pooljuhtfüüsika, materjali, kombineeritud uurimist tootmine jne. nanoskaala tasandil. Nanotehnoloogia põhimõtteid ja meetodeid kasutades valmistatud materjale, mille omadused jäävad makroskoopiliste tahkete ainete ja aatomisüsteemide omaduste vahele, nimetatakse nanomaterjalideks.
Mis on nanomaterjalid?
Termin nanoskaala viitab mõõtmele 10-9meetrit. See on üks miljard miljard meetrit. Niisiis peetakse nanomaterjalideks osakesi, mille ükskõik milline välismõõtmetest, sisestruktuuri või pinnaehituse mõõtmetest jääb vahemikku 1–100 nm.
Need materjalid on palja silmaga nähtamatud. Nanomaterjalide puhul kaalutakse nanotehnoloogia materjaliteadusel põhinevat lähenemist. Selles skaalas on nendel materjalidel ainulaadsed optilised, elektroonilised, mehaanilised ja kvantomadused võrreldes nende molekulaarse käitumisega.
Nanomaterjal võib olla nanoobjekt või nanostruktuuriga materjal. Naoobjektid on eraldiseisvad materjalitükid, teiselt poolt on nanostruktuuriga materjalide sisemine või pinnastruktuur nanoskaalas.
Nanomaterjalid võivad olla looduslikud, kunstlikult valmistatud või juhuslikult moodustatud. Uurimistöö edenedes turustatakse nanomaterjale ja neid kasutatakse kaubana.
Nanomaterjalide omadused
Drastiline muutus nanomaterjalide omadused võib täheldada, kui need lagunevad nanoskaala tasemele. Kui läheme molekulaarselt nanoskaala tasemele, muutuvad materjalide elektroonilised omadused kvantsuuruse efekti tõttu. Materjalide mehaaniliste, termiliste ja katalüütiliste omaduste muutust võib näha pinna ja mahu suhte suurenemisega nanoskaala tasandil.
Paljud isolaatori materjalid hakkavad käituma juhtidena oma nanomõõtmetes. Samamoodi võib nanoskaala mõõtmeteni jõudes täheldada paljusid huvitavaid kvant- ja pindnähtusi.
Osakeste suurus, kuju, keemiline koostis, kristallide struktuur, füüsikalis-keemiline stabiilsus, pindala ja pinnaenergia jms. Tulenevad nanomaterjalide füüsikalis-keemilistest omadustest. Kui nanomaterjalide pinna ja mahu suhe suureneb, muutub nende pind reaktsioonivõimelisemaks nii enda kui teiste süsteemide suhtes. Nanomaterjalide suurus mängib olulist rolli nende farmakoloogilises käitumises. Kui nanomaterjalid suhtlevad veega või muu dispersioonikeskkonnaga, saavad nad oma kristallstruktuuri ümber korraldada. Nanomaterjalide suurus, koostis ja pinna laeng mõjutavad nende liitumisolekuid. Pinnakate mõjutab nende materjalide magnetilisi, füüsikalis-keemilisi ja psühhokineetilisi omadusi. Need materjalid toodavad ROS-i, kui nende pind reageerib hapniku, osooni ja siirdematerjalidega.
Nanoskaala tasandil on osakeste vastastikune mõju kas van der Waali jõudude või tugevate polaarsete või kovalentsete sidemete tõttu. Polüelektrolüütide abil saab nanomaterjalide pinnaomadusi ja nende koostoimet teiste elementide ja keskkonnaga muuta.
Näited
Nanomaterjale võib leida kas juhuslike või looduslike nanomaterjalidena. Inseneritud nanomaterjale toodavad inimesed, kellel on mõned soovitud omadused. Nende hulka kuuluvad tahm ja titaandioksiidi nanomaterjalid. Nanoosakesed tekivad ka mehaaniliste või tööstuslike protsesside tõttu, mis juhtusid näiteks sõidukite heitgaaside, keevitus aurude, toiduvalmistamise ja kütuse kuumutamise ajal. Muide toodetud atmosfääri nanomaterjalid on tuntud ka kui ülipeened osakesed. Fullereenid on nanomaterjal, mis tekib biomassi, küünla põletamise tõttu.
Nanotube
Looduslikud olemasolevad nanomaterjalid tekivad paljude looduslike protsesside tõttu, nagu metsatulekahjud, vulkaaniline tuhk, ookeanipihustus, metallide ilmastikuolud jne. nanomaterjalide näited bioloogilistes süsteemides esinevad lootust katva vahakristallide struktuur, viiruste struktuur, ämblik-lesta siid, tarantulaämblike sinine toon, liblika tiiva kaalud. Osakesed nagu piim, veri, sarv, hambad, nahk, paber, korallid, nokad, suled, luumaatriks, puuvill, küüned jne. On looduslikult esinevad orgaanilised nanomaterjalid. Savid on looduslikult esineva anorgaanilise nanomaterjali näide, kuna need tekivad kristallikasvude tõttu erinevates keemilistes tingimustes maakoorel.
Klassifikatsioon
Nanomaterjalide klassifikatsioon sõltub peamiselt morfoloogiast ja nende struktuurist, need liigitatakse kahte suurde rühma: konsolideeritud materjalid ja nanodispersioonid. Konsolideeritud nanomaterjalid klassifitseeritakse lisaks mitmesse rühma. Ühemõõtmelisi Nano dispersiivseid süsteeme nimetatakse nanopulbriteks ja nanoosakesteks. Siin klassifitseeritakse nanoosakesed veel nanokristallideks, nanoklustriteks, nanotorudeks, supermolekulideks jne.
Nanomaterjalide puhul on suurus oluline füüsiline omadus. Nanomaterjalid klassifitseeritakse sageli sõltuvalt nende mõõtmete arvust nanoskaalas. Nanomaterjali, mille kõik kolm mõõdet on nanomõõtmetes ja millel pole oluliselt erinevust kõige pikema ja lühema telje vahel, nimetatakse nanoosakesteks. Materjale, mille nanoskaalas on kaks mõõdet, nimetatakse nanokiududeks. Õõnes nanokiud on tuntud kui nanotorud ja tahked on tuntud kui nanoroodid. Nanoskaalas ühe mõõtmega materjale tuntakse kui nanoplaate. Kahe erineva pikema mõõtmega nanoplaadid on tuntud kui nanoriboonid.
Nanostruktuuriga materjalides sisalduvate ainete faaside põhjal klassifitseeritakse need nanokomposiit-, nanovaht-, nanopoorsed ja nanokristallilised materjalid. Tahkeid materjale, mis sisaldavad vähemalt ühte füüsiliselt või keemiliselt eristatavat piirkonda ja vähemalt ühte nanomõõtmete mõõtmetega piirkonda, nimetatakse nanokomposiitideks. Nanovahud sisaldavad vedelat või tahket maatriksit, mis on täidetud gaasilise faasiga ja ühel kahest faasist on nanoskaalas mõõtmed.
Nanopoorseteks materjalideks on nanopooridega tahked materjalid, nanoskaalas mõõtmetega õõnsused. Nanokristallilistel materjalidel on nanoskaalas kristalliterad.
Nanomaterjalide rakendused
Praegu kaubeldakse nanomaterjale tugevalt. Mõned turul saadaolevad kaubanduslikud nanomaterjalid on kosmeetika, pingutuskindlad tekstiilid, elektroonika, päikesekaitsekreemid, värvid jms. Nanokatteid ja nanokomposiite kasutatakse mitmesugustes tarbekaupades, näiteks spordivarustuses, akendes, autodes jne. päikesevalgusest põhjustatud joogid, kaetakse klaaspudelid nanokattega, mis blokeerib UV-kiirte. Nano-savi komposiitide kasutamisel valmistatakse kauakestvamaid tennisepalle. Nanoskaala ränidioksiidi kasutatakse hambatäidiste täiteainena.
Nanomaterjalide optilisi omadusi kasutatakse optiliste detektorite, andurite, laserite, kuvarite, päikesepatareide moodustamiseks. Seda omadust kasutatakse ka biomeditsiinis ja fotoelektrokeemias. Mikroobsetes kütuseelementides koosnevad elektroodid süsinik nanotorudest. Nanokristalset tsinkseleniidi kasutatakse ekraanidel kõrglahutusega telerite ja personaalarvutite moodustavate pikslite eraldusvõime suurendamiseks. Mikroelektroonikatööstuses on rõhutatud selliste ahelate nagu transistorid, dioodid, takistid ja kondensaatorid miniatuurimist.
Ristmikuta moodustamisel kasutatakse nanotraate transistorid . Nanomaterjale kasutatakse ka katalüsaatoritena autokatalüüsmuundurites ja elektritootmissüsteemides, et reageerida mürgiste gaasidega nagu süsinikmonooksiid ja lämmastikoksiid, vältides sellega nende põhjustatud keskkonnareostust. Päikesekaitsekreemi päikesekaitsefaktori (SPF) suurendamiseks kasutatakse nano-TiO2. Anduritele väga aktiivse pinna tagamiseks kasutatakse nanokihte.
Fullereene kasutatakse vähi korral selliste vähirakkude nagu melanoom raviks. Need on leidnud kasutamist ka valgust aktiveerivate antimikroobsete ainetena. Tänu oma optilistele ja elektrilistele omadustele on kvantpunktid, nanotraadid ja nanoroodid valinud optoelektroonika. Nanomaterjalide kasutamist katsetatakse koetehnoloogias, ravimite kohaletoimetamisel ja biosensoritel. Nanosüümid on kunstlikud ensüümid, mida kasutatakse biosenseerimisel, bioimagingil, tuumori tuvastamisel.
Nanomaterjalide eelised ja puudused
Nanomaterjalide elektrilised, magnetilised, optilised ja mehaanilised omadused on pakkunud palju põnevaid rakendusi. Nende omaduste tundmaõppimine on veel pooleli. Nanomaterjalide omadused erinevad selle suurusega mudeli omadustest. Mõned nanomaterjalide eelised on järgmised:
- Nanomaterjal pooljuht q-osakestel on kvantitatiivsed efektid, andes seeläbi neile luminestsentsomaduse.
- Jämedateralise keraamikaga võrreldes on nanofaasiline keraamika kõrgendatud temperatuuridel plastiline.
- Nanosuurusega metallpulbrite külmkeevitamise omadus koos nende plastilisusega on metalli ja metalli ühendamiseks väga kasulik.
- Üksikud nanosuurusega magnetosakesed pakuvad superparagnetismi omadust.
- Monometallilise koostisega nanostruktuuriga metallklastrid toimivad heterogeensete katalüsaatorite eelkäijatena.
- Päikeseelementide jaoks moodustavad nanokristallilised ränikiled väga läbipaistva kontakti.
- Nanostruktureeritud poorsed titaanoksiidi kiled tagavad suure läbilaskvuse ja suure pindala suurendamise.
- Mikroelektroonikatööstuse väljakutsed vooluringide miniatuurimisel, näiteks kiire kiirusega tekkiva soojuse vähene hajumine mikroprotsessorid , kehvast töökindlusest saab üle nanokristalliliste materjalide abil. Need tagavad kõrge soojusjuhtivuse, kõrge vastupidavuse ja vastupidavad pikaajalised ühendused.
Nanomaterjalide kasutamisel on ka mõned tehnoloogilised puudused. Mõned neist puudustest on järgmised -
- Nanomaterjalide ebastabiilsus.
- Kehv korrosioonikindlus.
- Suur lahustuvus.
- Kui suure pindalaga nanomaterjalid puutuvad otseselt kokku hapnikuga, toimub eksotermiline põlemine, mis viib plahvatuseni.
- Lisand
- Nanomaterjale peetakse bioloogiliselt kahjulikeks. Neil on kõrge toksilisus, mis võib põhjustada ärritust.
- Kantserogeenne
- Raske sünteesida
- Ohutu utiliseerimine pole saadaval
- Raske taaskasutada
Täna koos nanomaterjalidega nanotehnoloogia muudab revolutsiooniliselt erinevate toodete valmistamise viise. Kas nimetada orgaaniliselt looduslikult esinevat nanomaterjali?
