Mitä nanomateriaalit ovat - luokitus ja sen ominaisuudet

Havaittiin, että materiaalin kvanttiominaisuudet voivat vaihdella nanomittakaavassa. Eristimenä molekyylitasolla käyttäytyvä materiaali voi ilmaista johtimen ominaisuuksia, kun sitä tarkastellaan sen nanotasolla. Nanoteknologia on noussut tutkimusmenetelmäksi, joka käsittelee materiaalin ominaisuuksien muutoksen tutkimusta nanoluokassa. Siihen sisältyy eri tieteiden, kuten kvanttifysiikan, puolijohdefysiikan, materiaalin, yhdistetty tutkimus valmistus jne. nanomittakaavan tasolla. Nanomateriaaleiksi tunnetaan nanoteknologian periaatteita ja menetelmiä käyttämällä muodostetut materiaalit, joiden ominaisuudet ovat makroskooppisten kiinteiden aineiden ja atomijärjestelmien välillä.

Mitä nanomateriaalit ovat?

Termi nanoskaala viittaa 10: n ulottuvuuteen^-9metriä. Se on miljardin osa metriä. Joten hiukkasia, joiden jokin ulkoisista tai sisäisen rakenteen tai pintarakenteen mitoista on alueella 1-100 nm, pidetään nanomateriaaleina.

Nämä materiaalit ovat näkymättömiä paljaalla silmällä. Nanomateriaalien osalta harkitaan nanoteknologian materiaalitieteellistä lähestymistapaa. Tässä mittakaavassa näillä materiaaleilla on ainutlaatuiset optiset, elektroniset, mekaaniset ja kvanttiominaisuudet verrattuna niiden molekyylimittaiseen käyttäytymiseen.

Nanomateriaali voi olla nano-esine tai nanorakenteinen materiaali. Nao-objektit ovat erillisiä materiaalikappaleita, toisaalta nanorakenteisilla materiaaleilla on sisäinen tai pintarakenteensa nanomittakaavassa.

Nanomateriaalit voivat olla luonnollisia, keinotekoisesti valmistettuja tai vahingossa muodostettuja. Tutkimuksen edistyessä nanomateriaaleja kaupallistetaan ja käytetään hyödykkeinä.

Nanomateriaalien ominaisuudet

Radikaali muutos nanomateriaalien ominaisuudet voidaan havaita, kun ne hajoavat nanomittakaavan tasolle. Kun siirrymme kohti nanotason tasoa molekyylitasolta, materiaalien elektroniset ominaisuudet muuttuvat kvanttikokoefektin vuoksi. Materiaalien mekaanisten, termisten ja katalyyttisten ominaisuuksien muutos voidaan nähdä kasvattamalla pinta-alan ja tilavuuden suhdetta nanomittakaavassa.

Monet eristemateriaaleista alkavat käyttäytyä johtimina nanomittakaavassa. Vastaavasti, kun saavutamme nanomittakaavan mitat, voidaan havaita monia mielenkiintoisia kvantti- ja pinta-ilmiöitä.

Hiukkaskoko, muoto, kemiallinen koostumus, kiteiden rakenne, fysikaalis-kemiallinen stabiilisuus, pinta-ala ja pintaenergia jne. ... johtuvat nanomateriaalien fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista. Kun nanomateriaalien pinta-ala- ja tilavuussuhde kasvaa, niiden pinta muuttuu reaktiivisemmaksi itseensä ja muihin järjestelmiin. Nanomateriaalien koolla on merkittävä rooli niiden farmakologisessa käyttäytymisessä. Kun nanomateriaalit ovat vuorovaikutuksessa veden tai muun dispersioväliaineen kanssa, ne voivat järjestää uudelleen kristallirakenteensa. Nanomateriaalien koko, koostumus ja pintavaraus vaikuttavat niiden aggregaatiotiloihin. Pintakäsittely vaikuttaa näiden materiaalien magneettisiin, fysikaalis-kemiallisiin ja psykokineettisiin ominaisuuksiin. Nämä materiaalit tuottavat ROS: ta, kun niiden pinta reagoi hapen, otsonin ja siirtymämateriaalien kanssa.

Nanomittakaavan tasolla hiukkasten välinen vuorovaikutus johtuu joko van der Waalin voimista tai voimakkaista polaarisista tai kovalenttisista sidoksista. Nanomateriaalien pintaominaisuuksia ja niiden vuorovaikutusta muiden elementtien ja ympäristöjen kanssa voidaan muokata polyelektrolyyttien avulla.

Esimerkkejä

Nanomateriaalit löytyvät joko muokatuista nanomateriaaleista, satunnaisina tai luonnollisina. Ihminen valmistaa suunniteltuja nanomateriaaleja, joilla on joitain haluttuja ominaisuuksia. Ne sisältävät hiilimustaa ja titaanidioksidia sisältäviä nanomateriaaleja. Nanohiukkasia syntyy myös mekaanisten tai teollisten prosessien takia, jotka tapahtuvat satunnaisesti kuten ajoneuvojen pakokaasujen, hitsauskaasujen, ruoanlaittamisen ja polttoaineen lämmityksen aikana. Muuten tuotetut ilmakehän nanomateriaalit tunnetaan myös ultrahienoina hiukkasina. Fullereenit ovat nanomateriaalia, joka syntyy biomassan, kynttilän polttamisen vuoksi.

Nanoputki

Luonnolliset olemassa olevat nanomateriaalit muodostuvat monien luonnollisten prosessien, kuten metsäpalojen, tulivuoren tuhkan, valtamerisuihkun, metallien sään jne. Vuoksi. Jotkut esimerkkejä nanomateriaaleista Biologisissa systeemeissä ovat lootusta peittävien vahakiteiden rakenne, virusten rakenne, hämähäkkipunkkisilkki, tarantulahämähäkkien sininen sävy, perhossiipivaa'at. Hiukkaset, kuten maito, veri, sarvi, hampaat, iho, paperi, korallit, nokat, höyhenet, luumatriisi, puuvilla, kynsi jne. Ovat luonnollisesti esiintyviä orgaanisia nanomateriaaleja. Savet ovat esimerkki luonnossa esiintyvistä epäorgaanisista nanomateriaaleista, koska ne muodostuvat kiteiden kasvun seurauksena maankuoren erilaisissa kemiallisissa olosuhteissa.

Luokittelu

Nanomateriaalien luokittelu riippuu pääasiassa morfologiasta ja niiden rakenteesta, ne luokitellaan kahteen pääryhmään konsolidoidut materiaalit ja nanodispersiot. Yhdistetyt nanomateriaalit luokitellaan edelleen useisiin ryhmiin. Yksiulotteisia Nano-dispersiojärjestelmiä kutsutaan nanohiukkasiksi ja nanohiukkasiksi. Tässä nanohiukkaset luokitellaan edelleen nanokiteiksi, nanoklustereiksi, nanoputkiksi, supermolekyyleiksi jne.

Nanomateriaalien koko on tärkeä fyysinen ominaisuus. Nanomateriaalit luokitellaan usein riippuen niiden ulottuvuuksien lukumäärästä. Nanomateriaalia, jonka kaikki kolme ulottuvuutta ovat nanoskaalat ja jolla ei ole merkittävää eroa pisimpien ja lyhyimpien akselien välillä, kutsutaan nanohiukkasiksi. Materiaaleja, joiden nanoluokassa on kaksi ulottuvuutta, kutsutaan nanokuiduiksi. Onttoja nanokuituja kutsutaan nanoputkiksi ja kiinteitä nanokuiduiksi. Materiaalit, joilla on yksi ulottuvuus nanoluokassa, tunnetaan nimellä nanolevyt. Nanolevyt, joilla on kaksi erilaista pidempää ulottuvuutta, tunnetaan nimellä nanoribonit.

Nanorakenteisten materiaalien sisältämien ainevaiheiden perusteella ne luokitellaan nanokomposiitti-, nanovaahto-, nanohuokoiset ja nanokiteiset materiaalit. Kiinteitä materiaaleja, jotka sisältävät ainakin yhden fysikaalisesti tai kemiallisesti erillisen alueen ja vähintään yhden alueen, jonka mitat ovat nanoskaalassa, kutsutaan nanokomposiiteiksi. Nanovaahdot sisältävät nestemäisen tai kiinteän matriisin, joka on täytetty kaasumaisella faasilla ja toisella kahdesta faasista on mitat nanomittakaavassa.

Kiinteitä materiaaleja, joissa on nanohuokosia, onteloita, joiden mitat ovat nanoskaalalla, pidetään nanohuokoisina materiaaleina. Nanokiteisillä materiaaleilla on nanorakenteessa kidejyviä.

Nanomateriaalien sovellukset

Nykyään nanomateriaaleja kaupallistetaan voimakkaasti. Jotkut markkinoilla olevista kaupallisista nanomateriaaleista ovat kosmetiikka, rasitusta kestävät tekstiilit, elektroniikka, aurinkosuojatuotteet, maalit jne. ... Nanopäällysteitä ja nanokomposiitteja käytetään erilaisissa kulutustuotteissa, kuten urheiluvälineissä, ikkunoissa, autoissa jne. auringonvalon aiheuttamille juomille lasipullot päällystetään nanopinnoitteella, joka estää UV-säteet. Nano-savi-komposiittien avulla valmistetaan kestävämpiä tennispalloja. Nanomittakaavan piidioksidia käytetään täyteaineena hampaiden täytteissä.

Nanomateriaalien optisia ominaisuuksia käytetään muodostamaan optisia ilmaisimia, antureita, lasereita, näyttöjä, aurinkokennoja. Tätä ominaisuutta käytetään myös biolääketieteessä ja fotoelektrokemiassa. Mikrobipolttokennoissa elektrodit koostuvat hiilinanoputkista. Nanokiteistä sinkkiselenidiä käytetään näyttöruuduissa teräväpiirtotelevisioiden ja henkilökohtaisten tietokoneiden muodostavien pikselien tarkkuuden lisäämiseksi. Mikroelektroniikkateollisuudessa korostetaan piirejä, kuten transistoreita, diodeja, vastuksia ja kondensaattoreita.

Nanolankoja käytetään muodostamaan risteytymättömiä transistorit . Nanomateriaaleja käytetään myös katalysaattoreina autokatalysaattoreissa ja sähköntuotantojärjestelmissä reagoimaan myrkyllisten kaasujen, kuten hiilimonoksidin ja typpioksidin kanssa, estäen siten niiden aiheuttaman ympäristön pilaantumisen. Aurinkosuojatuotteiden aurinkosuojakertoimen (SPF) lisäämiseksi käytetään nano-TiO2: ta. Anturien erittäin aktiivisen pinnan tarjoamiseksi käytetään muokattuja nanokerroksia.

Fullereeneja käytetään syövässä syöpäsolujen, kuten melanooman, hoitoon. Näitä on löydetty myös käytöstä valolla aktivoitavina mikrobilääkkeinä. Optisten ja sähköisten ominaisuuksiensa vuoksi kvanttipisteet, nanojohdot ja nanorodit ovat valinneet voimakkaasti optoelektroniikan. Nanomateriaaleja testataan kudossuunnittelussa, lääkkeiden jakelussa ja biosensoreissa. Nanotsyymit ovat keinotekoisia entsyymejä, joita käytetään biosensointiin, biokuvantamiseen ja kasvaimen havaitsemiseen.

Nanomateriaalien edut ja haitat

Nanomateriaalien sähköiset, magneettiset, optiset ja mekaaniset ominaisuudet ovat tarjonneet monia kiehtovia sovelluksia. Tutkimus on vielä kesken näiden ominaisuuksien tuntemiseksi. Nanomateriaalien ominaisuudet poikkeavat siellä olevan kokomallin ominaisuuksista. Jotkut nanomateriaalien eduista ovat seuraavat:

• Nanomateriaali puolijohde q-hiukkasilla on kvanttieristysvaikutuksia, mikä antaa heille luminesenssiominaisuuden.
• Karkearakeiseen keramiikkaan verrattuna nanovaiheiset keramiikat ovat sitkeämpiä korotetuissa lämpötiloissa.
• Nanosoitujen metallijauheiden kylmähitsausominaisuus yhdessä niiden sitkeyden kanssa on erittäin hyödyllinen metalli-metalli-sidoksessa.
• Yksittäiset nanosoidut magneettihiukkaset tarjoavat superparagnetismin ominaisuuden.
• Monometallikoostumuksen nanorakenteiset metalliryhmät toimivat heterogeenisten katalyyttien edeltäjinä.
• Nanokiteiset piikalvot muodostavat aurinkokennoille erittäin läpinäkyvän kontaktin.
• Nanorakenteiset huokoiset titaanioksidikalvot tarjoavat suuren läpäisevyyden ja suuren pinta-alan parannuksen.
• Mikroelektroniikkateollisuuden kohtaamat haasteet pienten piirien pienentämisessä, kuten suurten nopeuksien tuottaman lämmön heikko hajaantuminen mikroprosessorit , huono luotettavuus voidaan voittaa nanokiteisten materiaalien avulla. Ne tarjoavat korkean lämmönjohtavuuden, korkean kestävyyden ja kestävät pitkäkestoiset liitännät.

Nanomateriaalien käytössä on myös joitain teknisiä haittoja. Jotkut näistä haitoista ovat seuraavat -

• Nanomateriaalien epävakaus.
• Huono korroosionkestävyys.
• Korkea liukoisuus.
• Kun korkean pinta-alan nanomateriaalit joutuvat suoraan kosketukseen hapen kanssa, tapahtuu eksoterminen palaminen, joka johtaa räjähdykseen.
• Epäpuhtaus
• Nanomateriaalien katsotaan olevan biologisesti haitallisia. Näillä on korkea myrkyllisyys, joka voi johtaa ärsytykseen.
• Karsinogeeninen
• Vaikea syntetisoida
• Ei turvallista hävitystä
• Vaikea kierrättää

Nykyään nanomateriaalit yhdessä nanoteknologia mullistaa tapoja, joilla eri tuotteet valmistetaan. Nimeä orgaaninen luonnossa esiintyvä nanomateriaali?