Ugotovljeno je bilo, da se lahko kvantne lastnosti materiala v nanometru razlikujejo. Material, ki se na molekularni ravni obnaša kot izolator, lahko izrazi lastnosti vodnika, če gledamo njegovo nanorazmerno raven. Nanotehnologija se je pojavila kot raziskovalna metodologija, ki se ukvarja s preučevanjem sprememb lastnosti materiala na nanometru. Vključuje kombinacijsko preučevanje različnih znanosti, kot so kvantna fizika, polprevodniška fizika, material proizvodnja itd. na ravni nanosov. Materiali, oblikovani z uporabo načel in metod nanotehnologije, katerih lastnosti ležijo med lastnostmi makroskopskih trdnih snovi in atomskih sistemov, so znani kot nanomateriali.
Kaj so nanomateriali?
Izraz nano skala se nanaša na dimenzijo 10-9metrov. To je milijarditi del metra. Tako se delci, katerih katera od zunanjih dimenzij ali dimenzij notranje strukture ali dimenzije površinske strukture leži v območju od 1nm do 100nm, štejejo za nanomateriale.
Ti materiali so nevidni s prostim očesom. Pristop nanotehnologije, ki temelji na znanosti o materialih, velja za nanomateriale. Na tej lestvici imajo ti materiali edinstvene optične, elektronske, mehanske in kvantne lastnosti v primerjavi z vedenjem na molekularni lestvici.
Nanomateriali so lahko nano objekt ali nanostrukturiran material. Nao predmeti so ločeni kosi materiala, po drugi strani pa imajo nanostrukturirani materiali svojo notranjo ali površinsko strukturo v nanodelni dimenziji.
Nanomateriali so lahko naravnega izvora, umetno izdelani ali naključno oblikovani. Z napredkom v raziskavi se nanomateriali komercializirajo in se uporabljajo kot blago.
Lastnosti nanomaterialov
Drastična sprememba v lastnosti nanomaterialov je mogoče opaziti, ko se razgradijo na raven nanosov. Ko se z molekularne ravni premikamo proti nanometrski ravni, se zaradi učinka kvantne velikosti elektronske lastnosti materialov spreminjajo. Sprememba mehanskih, toplotnih in katalitičnih lastnosti materialov je razvidna s povečanjem razmerja med površino in prostornino na ravni nanodelcev.
Številni izolacijski materiali se začnejo obnašati kot prevodniki v svojih nanodelnih dimenzijah. Ko dosežemo nanometrske dimenzije, lahko opazimo številne zanimive kvantne in površinske pojave.
Velikost delcev, oblika, kemična sestava, kristalna struktura, fizikalno-kemijska stabilnost, površina in površinska energija itd.… Pripisujejo fizikalno-kemijskim lastnostim nanomaterialov. Ko se razmerje med površino in prostornino nanomaterialov poveča, njihova površina postane bolj reaktivna na sebe in druge sisteme. Velikost nanomaterialov ima pomembno vlogo pri njihovem farmakološkem vedenju. Ko nanomateriali sodelujejo z vodo ali drugimi disperzijskimi mediji, lahko preuredijo svojo kristalno strukturo. Velikost, sestava in površinski naboj nanomaterialov vplivajo na njihova agregacijska stanja. Površinske prevleke vplivajo na magnetne, fizikalno-kemijske in psihokinetične lastnosti teh materialov. Ti materiali proizvajajo ROS, ko njihova površina reagira s kisikom, ozonom in prehodnimi materiali.
Na ravni nanosov je medsebojno vplivanje delcev posledica van der Waalovih sil ali močnih polarnih ali kovalentnih vezi. Površinske lastnosti nanomaterialov in njihove interakcije z drugimi elementi in okolji je mogoče spremeniti z uporabo polielektrolitov.
Primeri
Nanomateriale lahko najdemo bodisi kot inženirski nanomateriali, bodisi naključni bodisi kot naravni. Konstruirane nanomateriale proizvajajo ljudje z nekaterimi želenimi lastnostmi. Vključujejo nanomateriale saj in saje iz titanovega dioksida. Nanodelci nastanejo tudi zaradi mehanskih ali industrijskih procesov, ki so naključno na primer med izpuhi vozila, varjenjem, kuhanjem in ogrevanjem goriva. Naključno proizvedeni atmosferski nanomateriali so znani tudi kot ultrafini delci. Fulereni so nanomateriali, ki nastajajo zaradi izgorevanja biomase, sveče.
Nanocevka
Naravni obstoječi nanomateriali nastanejo zaradi številnih naravnih procesov, kot so gozdni požari, vulkanski pepel, razprševanje oceanov, preperevanje kovin itd. primeri nanomaterialov v bioloških sistemih so prisotni zgradba voščenih kristalov, ki pokrivajo lotos, zgradba virusov, svila pajkov, pršic, modri odtenek pajkov tarantula, luske krila metulja. Delci, kot so mleko, kri, rog, zobje, koža, papir, korale, kljuni, perje, kostni matriks, bombaž, nohti itd., So naravni organski nanomateriali. Gline so primer naravnega anorganskega nanomateriala, saj nastajajo zaradi kristalnih izrastkov v različnih kemijskih pogojih na zemeljski skorji.
Razvrstitev
Razvrstitev nanomaterialov je v glavnem odvisna od morfologije in njihove strukture, razvrščeni pa so v dve večji skupini, kot so Konsolidirani materiali in Nanodisperzije. Konsolidirani nanomateriali so nadalje razvrščeni v več skupin. Enodimenzionalni nano disperzivni sistemi se imenujejo nanoprahi in nanodelci. Tu so nanodelci nadalje razvrščeni kot nanokristali, nanoklasterji, nanocevke, supermolekule itd.
Velikost je za nanomateriale pomemben fizični atribut. Nanomateriali so pogosto razvrščeni glede na število njihovih dimenzij, ki spadajo pod nanometrske. Nanodelci se imenujejo nanomateriali, katerih vse tri dimenzije so nanometrske in bistveno ne razlikujejo med najdaljšo in najkrajšo osjo. Materiali z dvema dimenzijama v nanometru se imenujejo nanofibre. Votle nanovlakne so znane kot Nanocevke, trdne pa Nanorods. Materiali z eno dimenzijo v nanometru so znani kot Nanoplates. Nanoploče z dvema različnima daljšima dimenzijama so znane kot Nanoriboni.
Glede na faze snovi, ki jih vsebujejo nanostrukturirani materiali, so razvrščeni med nanokompozitne, nanopenaste, nanoporozne in nanokristalne materiale. Trdni materiali, ki vsebujejo vsaj eno fizikalno ali kemijsko ločeno območje z vsaj enim območjem z dimenzijami v nanometru, se imenujejo Nano Composites. Nanopeni vsebujejo tekočo ali trdno matriko, napolnjeno s plinovito fazo, ena od obeh faz pa ima dimenzije v nanometru.
Trdni materiali z nanoporami, votline z dimenzijami na nanometru se štejejo za nanoporozne materiale. Nanokristalinični materiali imajo v nanometru kristalna zrna.
Uporaba nanomaterialov
Danes se nanomateriali močno tržijo. Nekateri komercialni nanomateriali, ki so na voljo na trgu, so kozmetika, tekstil, odporen proti sevom, elektronika, sredstva za zaščito pred soncem, barve itd. Nano premazi in nanokompoziti se uporabljajo v različnih potrošniških izdelkih, kot so športna oprema, okna, avtomobili itd. Za zaščito pred škodo na pijače iz sončne svetlobe so steklenice prevlečene z nano premazom, ki blokira UV-žarke. Z uporabo nano-glinenih kompozitov se izdelujejo trajnejše teniške žogice. Nanoskalni kremen se uporablja kot polnilo v zobnih zalivkah.
Optične lastnosti nanomaterialov se uporabljajo za oblikovanje optičnih detektorjev, senzorjev, laserjev, zaslonov, sončnih celic. Ta lastnost se uporablja tudi v biomedicini in fotoelektrokemiji. V mikrobnih gorivnih celicah so elektrode sestavljene iz ogljikovih nanocevk. Nanokristalni cinkov selenid se na zaslonih uporablja za povečanje ločljivosti slikovnih pik, ki tvorijo televizorje visoke ločljivosti in osebne računalnike. V mikroelektronski industriji je poudarjeno miniaturiziranje vezij, kot so tranzistorji, diode, upori in kondenzatorji.
Nanožice se uporabljajo za oblikovanje brez križišč tranzistorji . Nanomateriali se uporabljajo tudi kot katalizatorji v avtomobilskih katalizatorjih in sistemih za proizvodnjo električne energije, da reagirajo s strupenimi plini, kot sta ogljikov monoksid in dušikov oksid, s čimer preprečujejo onesnaževanje okolja, ki ga povzročajo. Za povečanje zaščitnega faktorja (SPF) v zaščitnih kremah se uporablja nano-TiO2. Za zagotavljanje visoko aktivne površine senzorjev se uporabljajo inženirski nanoplasti.
Fulereni se pri raku uporabljajo za zdravljenje rakavih celic, kot je melanom. Uporabili so se tudi kot protimikrobna sredstva, ki se aktivirajo s svetlobo. Zaradi optičnih in električnih lastnosti so se kvantne pike, nanožice in nanorodi zelo odločili za optoelektroniko. Nanomateriali se preizkušajo za uporabo v tkivnem inženirstvu, dostavi zdravil in biosenzorjih. Nanozimi so umetni encimi, ki se uporabljajo za biosenziranje, biosliko, odkrivanje tumorjev.
Prednosti in slabosti nanomaterialov
Električne, magnetne, optične in mehanske lastnosti nanomaterialov so prinesle številne zanimive aplikacije. Raziskave še vedno potekajo, da bi vedeli o teh lastnostih. Lastnosti nanomaterialov se razlikujejo od lastnosti nasipnega modela. Nekatere prednosti nanomaterialov so naslednje:
- Nanomaterial polprevodnik q-delci kažejo kvantne učinke omejevanja in jim tako dajo lastnost luminiscence.
- V primerjavi z grobozrno keramiko je nanofazna keramika pri povišanih temperaturah bolj raztegljiva.
- Lastnost nanodelnega kovinskega prahu pri hladnem varjenju je zelo uporabna pri lepljenju kovine in kovine.
- Posamezni nanorazmerni magnetni delci zagotavljajo super paramagnetizem.
- Nanostrukturirani kovinski grozdi monometalne sestave delujejo kot predhodniki heterogenih katalizatorjev.
- Za sončne celice tvorijo nanokristalinični silicijevi filmi zelo prozoren stik.
- Nanostrukturirani porozni filmi iz titanovega oksida zagotavljajo visoko prepustnost in povečujejo površino.
- Izzivi, s katerimi se sooča mikroelektronska industrija pri miniaturizaciji vezij, kot je slabo odvajanje toplote, ki jo ustvarjajo visoke hitrosti mikroprocesorji , slabo zanesljivost je mogoče premagati s pomočjo nanokristalnih materialov. Ti zagotavljajo visoko toplotno prevodnost, visoko vzdržljivost in trajne dolgotrajne medsebojne povezave.
Obstaja tudi nekaj tehnoloških pomanjkljivosti pri uporabi nanomaterialov. Nekatere od teh slabosti so naslednje -
- Nestabilnost nanomaterialov.
- Slaba odpornost proti koroziji.
- Visoka topnost.
- Ko nanomateriali z veliko površino pridejo v neposreden stik s kisikom, pride do eksotermnega zgorevanja, ki vodi do eksplozije.
- Nečistoča
- Nanomateriali veljajo za biološko škodljive. Imajo visoko strupenost, ki lahko povzroči draženje.
- Rakotvorne
- Težko sintetizira
- Varno odstranjevanje ni na voljo
- Težko reciklirati
Danes nanomateriali skupaj z nanotehnologija revolucionira načine izdelave različnih izdelkov. Poimenujte organski naravni nanomateriali?
