Τι είναι τα Νανοϋλικά - Ταξινόμηση και οι ιδιότητές του

Παρατηρήθηκε ότι οι κβαντικές ιδιότητες του υλικού μπορούν να διαφέρουν στη νανοκλίμακα. Το υλικό που συμπεριφέρεται ως μονωτής στο μοριακό επίπεδο μπορεί να εκφράσει τις ιδιότητες του αγωγού όταν εξετάζεται το επίπεδο νανοκλίμακας. Η νανοτεχνολογία έχει αναδειχθεί ως ερευνητική μεθοδολογία που ασχολείται με τη μελέτη της αλλαγής των ιδιοτήτων του υλικού στη νανοκλίμακα. Περιλαμβάνει τη συνδυαστική μελέτη διαφόρων επιστημών όπως η κβαντική φυσική, η φυσική ημιαγωγών, το υλικό βιομηχανοποίηση κλπ .. σε επίπεδο νανοκλίμακας. Τα υλικά που σχηματίζονται χρησιμοποιώντας τις αρχές και τις μεθόδους της νανοτεχνολογίας, των οποίων οι ιδιότητες βρίσκονται μεταξύ εκείνων των μακροσκοπικών στερεών και των ατομικών συστημάτων, είναι γνωστά ως νανοϋλικά.

Τι είναι τα Νανοϋλικά;

Ο όρος νανοκλίμακα αναφέρεται στη διάσταση του 10^-9μέτρα. Είναι το ένα δισεκατομμύριο μέρος ενός μέτρου. Έτσι, τα σωματίδια των οποίων οποιαδήποτε από τις εξωτερικές διαστάσεις ή τη διάσταση της εσωτερικής δομής ή τη διάσταση της επιφανειακής δομής κυμαίνεται από 1nm έως 100nm θεωρούνται ως Νανοϋλικά.

Αυτά τα υλικά είναι αόρατα με γυμνό μάτι. Η βασισμένη στην επιστήμη υλική προσέγγιση της νανοτεχνολογίας θεωρείται για τα νανοϋλικά. Σε αυτήν την κλίμακα, αυτά τα υλικά έχουν μοναδικές οπτικές, ηλεκτρονικές, μηχανικές και κβαντικές ιδιότητες σε σύγκριση με τη συμπεριφορά τους σε μοριακή κλίμακα.

Ένα νανοϋλικό μπορεί να είναι ένα νανο αντικείμενο ή ένα νανοδομημένο υλικό. Τα αντικείμενα Nao είναι τα διακριτά κομμάτια υλικού, από την άλλη πλευρά, τα νανοδομημένα υλικά έχουν την εσωτερική ή επιφανειακή δομή τους στη διάσταση νανοκλίμακας.

Τα νανοϋλικά μπορούν να είναι φυσικής ύπαρξης, τεχνητά κατασκευασμένα ή τυχαία. Με την πρόοδο της έρευνας, τα νανοϋλικά εμπορεύονται και χρησιμοποιούνται ως εμπορεύματα.

Ιδιότητες νανοϋλικών

Μια δραστική αλλαγή στο ιδιότητες των νανοϋλικών μπορεί να παρατηρηθεί όταν είναι ανάλυση στο επίπεδο νανοκλίμακας. Καθώς πηγαίνουμε προς το επίπεδο νανοκλίμακας από το μοριακό επίπεδο, οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών τροποποιούνται λόγω του κβαντικού μεγέθους. Αλλαγή στις μηχανικές, θερμικές και καταλυτικές ιδιότητες των υλικών μπορεί να παρατηρηθεί με την αύξηση της αναλογίας επιφάνειας προς όγκο σε επίπεδο νανοκλίμακας.

Πολλά από τα μονωτικά υλικά αρχίζουν να συμπεριφέρονται ως αγωγοί στις διαστάσεις της νανοκλίμακας. Ομοίως, καθώς φθάνουμε στις διαστάσεις νανοκλίμακας, μπορούν να παρατηρηθούν πολλά ενδιαφέροντα κβαντικά και επιφανειακά φαινόμενα.

Το μέγεθος των σωματιδίων, το σχήμα, η χημική σύνθεση, η κρυσταλλική δομή, η φυσικοχημική σταθερότητα, η επιφάνεια και η επιφανειακή ενέργεια, κ.λπ.… αποδίδουν στις φυσικοχημικές ιδιότητες των νανοϋλικών. Καθώς η αναλογία επιφάνειας προς όγκο των νανοϋλικών αυξάνεται, η επιφάνειά τους γίνεται πιο αντιδραστική σε αυτόν και σε άλλα συστήματα. Το μέγεθος των νανοϋλικών παίζει σημαντικό ρόλο στη φαρμακολογική τους συμπεριφορά. Όταν τα νανοϋλικά αλληλεπιδρούν με νερό ή άλλα μέσα διασποράς, μπορούν να αναδιατάξουν την κρυσταλλική τους δομή. Το μέγεθος, η σύνθεση και η επιφανειακή φόρτιση των νανοϋλικών επηρεάζουν τις καταστάσεις συσσωμάτωσης τους. Οι μαγνητικές, φυσικοχημικές και ψυχοκινητικές ιδιότητες αυτών των υλικών επηρεάζονται από την επιφανειακή επικάλυψη. Αυτά τα υλικά παράγουν ROS όταν η επιφάνειά τους αντιδρά με οξυγόνο, όζον και υλικά μετάβασης.

Σε επίπεδο νανοκλίμακας, η αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίων οφείλεται είτε στις δυνάμεις van der Waal είτε σε ισχυρούς πολικούς ή ομοιοπολικούς δεσμούς. Οι επιφανειακές ιδιότητες των νανοϋλικών και οι αλληλεπιδράσεις τους με άλλα στοιχεία και περιβάλλοντα μπορούν να τροποποιηθούν με τη χρήση πολυηλεκτρολυτών.

Παραδείγματα

Τα νανοϋλικά μπορούν να βρεθούν είτε ως κατασκευασμένα νανοϋλικά, παρεπόμενα είτε φυσικά. Τα κατασκευασμένα νανοϋλικά κατασκευάζονται από ανθρώπους με κάποιες επιθυμητές ιδιότητες. Περιλαμβάνουν νανοϋλικά αιθάλης και διοξειδίου του τιτανίου. Τα νανοσωματίδια παράγονται επίσης λόγω μηχανικών ή βιομηχανικών διεργασιών παρεμπιπτόντως όπως κατά τη διάρκεια των καυσαερίων οχημάτων, των καυσαερίων, του μαγειρέματος και της θέρμανσης καυσίμου. Τα τυχαία παραγόμενα ατμοσφαιρικά νανοϋλικά είναι επίσης γνωστά ως εξαιρετικά λεπτά σωματίδια. Τα φουλλερένια είναι το νανοϋλικό που παράγεται λόγω της καύσης βιομάζας, κεριού.

Νανοσωλήνας

Φυσικά υπάρχοντα νανοϋλικά σχηματίζονται λόγω πολλών από τις φυσικές διεργασίες όπως δασικές πυρκαγιές, ηφαιστειακή τέφρα, ψεκασμός ωκεανών, καιρικές συνθήκες μετάλλων κ.λπ. παραδείγματα νανοϋλικών Στα βιολογικά συστήματα υπάρχει η δομή των κρυστάλλων κεριού που καλύπτουν τον λωτό, τη δομή των ιών, το μετάξι από αράχνη-άκαρι, την μπλε απόχρωση των αραχνών ταραντούλα, τις κλίμακες των πτερυγίων της πεταλούδας. Τα σωματίδια όπως το γάλα, το αίμα, το κέρατο, τα δόντια, το δέρμα, το χαρτί, τα κοράλλια, τα ράμφη, τα φτερά, η μήτρα των οστών, το βαμβάκι, τα νύχια κ.λπ. είναι φυσικά φυσικά νανοϋλικά. Οι άργιλοι είναι το παράδειγμα των ανόργανων νανοϋλικών που απαντώνται στη φύση, καθώς σχηματίζονται λόγω της ανάπτυξης κρυστάλλων σε διαφορετικές χημικές συνθήκες στον φλοιό της γης.

Ταξινόμηση

Η ταξινόμηση των νανοϋλικών εξαρτάται κυρίως από τη μορφολογία και τη δομή τους, ταξινομούνται σε δύο κύριες ομάδες ως Ενοποιημένα υλικά και Νανοδιασπορά. Τα ενοποιημένα νανοϋλικά ταξινομούνται περαιτέρω σε διάφορες ομάδες. Τα μονοδιάστατα συστήματα Nano διασποράς ονομάζονται Nanopowders και Nanoparticles. Εδώ τα νανοσωματίδια ταξινομούνται περαιτέρω ως Nanocrystals, Nanoclusters, Nanotubes, supermolecules, etc.

Για τα νανοϋλικά, το μέγεθος είναι ένα σημαντικό φυσικό χαρακτηριστικό. Τα νανοϋλικά συχνά ταξινομούνται ανάλογα με τον αριθμό των διαστάσεων τους που εμπίπτουν στη νανοκλίμακα. Το νανοϋλικό του οποίου και οι τρεις διαστάσεις είναι νανοκλίμακας και δεν είναι σημαντικά καμία διαφορά μεταξύ των μακρύτερων και βραχύτερων αξόνων, ονομάζονται Νανοσωματίδια. Τα υλικά με τις δύο διαστάσεις τους στη νανοκλίμακα ονομάζονται Nanofibres. Οι κοίλες νανοΐνες είναι γνωστές ως Nanotubes και οι στερεές είναι γνωστές ως Nanorods. Τα υλικά με μία διάσταση στη νανοκλίμακα είναι γνωστά ως Nanoplates. Οι νανοπλάκες με δύο διαφορετικές μεγαλύτερες διαστάσεις είναι γνωστές ως Nanoribbons.

Με βάση τις φάσεις της ύλης που περιέχονται στα νανοδομημένα υλικά ταξινομούνται ως νανοσύνθετα, νανοαφρώματα, νανοπορώδη και νανοκρυσταλλικά υλικά. Στερεά υλικά που περιέχουν τουλάχιστον μία φυσική ή χημικά διακριτή περιοχή με τουλάχιστον μία περιοχή με διαστάσεις στη νανοκλίμακα ονομάζονται Nano Composites. Οι νανοαφροί περιέχουν υγρή ή στερεά μήτρα, γεμάτη με αέρια φάση και μία από τις δύο φάσεις έχει διαστάσεις στη νανοκλίμακα.

Τα στερεά υλικά με νανοπόρους, οι κοιλότητες με διαστάσεις στη νανοκλίμακα θεωρούνται ως νανοπορώδη υλικά. Τα νανοκρυσταλλικά υλικά έχουν κρυσταλλικούς κόκκους στη νανοκλίμακα.

Εφαρμογές νανοϋλικών

Σήμερα τα νανοϋλικά εμπορεύονται ιδιαίτερα. Μερικά από τα εμπορικά νανοϋλικά που διατίθενται στην αγορά είναι καλλυντικά, ανθεκτικά στην καταπολέμηση κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, ηλεκτρονικά, αντηλιακά, χρώματα κ.λπ.… Οι νανοεπικαλύψεις και τα νανοσύνθετα χρησιμοποιούνται σε διάφορα καταναλωτικά προϊόντα όπως αθλητικός εξοπλισμός, παράθυρα, αυτοκίνητα κ.λπ. Για την προστασία των ζημιών Προκαλείται από ποτά από το φως του ήλιου, τα γυάλινα μπουκάλια επικαλύπτονται με νανοκάλυψη που μπλοκάρει τις ακτίνες UV. Χρησιμοποιώντας σύνθετα νανο-πηλό κατασκευάζονται μπάλες τένις μεγαλύτερης διάρκειας. Το νανοκλίμακα πυριτίας χρησιμοποιείται ως πληρωτικό στα οδοντικά γεμίσματα.

Οι οπτικές ιδιότητες των νανοϋλικών χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό οπτικών ανιχνευτών, αισθητήρων, λέιζερ, οθονών, ηλιακών κυψελών. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται επίσης στη βιοϊατρική και τη φωτοηλεκτροχημεία. Στα μικροβιακά στοιχεία καυσίμου, τα ηλεκτρόδια αποτελούνται από νανοσωλήνες άνθρακα. Το νανοκρυσταλλικό σελήνιο ψευδαργύρου χρησιμοποιείται στις οθόνες εμφάνισης για να αυξήσει την ανάλυση των pixel που σχηματίζουν τηλεοράσεις υψηλής ευκρίνειας και προσωπικούς υπολογιστές. Στη μικροηλεκτρονική βιομηχανία, τονίζεται η μικρογραφία κυκλωμάτων όπως τρανζίστορ, διόδων, αντιστάσεων και πυκνωτών.

Τα Nanowires χρησιμοποιούνται στη διαμόρφωση χωρίς διασταύρωση τρανζίστορ . Τα νανοϋλικά χρησιμοποιούνται επίσης ως καταλύτες σε καταλυτικούς μετατροπείς αυτοκινήτων και συστήματα παραγωγής ενέργειας, για την αντίδραση με τοξικά αέρια όπως το μονοξείδιο του άνθρακα και το οξείδιο του αζώτου, αποτρέποντας έτσι την περιβαλλοντική ρύπανση που προκαλείται από αυτά. Για την αύξηση του παράγοντα προστασίας από τον ήλιο (SPF) στα αντηλιακά χρησιμοποιείται το nano-TiO2. Για την παροχή μιας πολύ ενεργής επιφάνειας στους αισθητήρες, χρησιμοποιούνται μηχανικά nanolayers.

Τα φουλλερένια χρησιμοποιούνται στον καρκίνο για τη θεραπεία καρκινικών κυττάρων όπως το μελάνωμα. Αυτά έχουν επίσης βρει χρήση ως αντιμικροβιακοί παράγοντες που ενεργοποιούνται με το φως. Λόγω των οπτικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, οι κβαντικές κουκίδες, τα νανοσύρματα και τα νανορώματα επέλεξαν ιδιαίτερα την Οπτοηλεκτρονική. Τα νανοϋλικά δοκιμάζονται για εφαρμογές σε μηχανικούς ιστών, διανομή φαρμάκων και βιοαισθητήρες. Τα νανοζύμια είναι τα τεχνητά ένζυμα που χρησιμοποιούνται για βιοαισθητοποίηση, βιοαπεικονισμό, ανίχνευση όγκου.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των νανοϋλικών

Οι ηλεκτρικές, μαγνητικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες των νανοϋλικών παρέχουν πολλές συναρπαστικές εφαρμογές. Η έρευνα βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη για να μάθετε για αυτές τις ιδιότητες. Οι ιδιότητες των νανοϋλικών διαφέρουν από εκείνες του μοντέλου χύδην μεγέθους. Μερικά από τα πλεονεκτήματα των νανοϋλικών είναι τα εξής:

• Νανοϋλικό ημιαγωγός Τα σωματίδια q δείχνουν κβαντικά αποτελέσματα περιορισμού, δίνοντάς τους έτσι την ιδιότητα φωτισμού.
• Σε σύγκριση με τα χονδροειδή, τα κεραμικά νανοφάσης είναι πιο όλκιμα σε υψηλές θερμοκρασίες.
• Η ιδιότητα ψυχρής συγκόλλησης των νανοποιημένων μεταλλικών σκονών μαζί με την ολκιμότητα τους είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για συγκόλληση μετάλλου-μετάλλου.
• Τα μεμονωμένα νανοσωματωμένα μαγνητικά σωματίδια παρέχουν ιδιότητα υπερπαραμαγνητισμού.
• Οι νανοδομημένες μεταλλικές συστάδες μονομεταλλικής σύνθεσης δρουν ως πρόδρομοι για ετερογενείς καταλύτες.
• Για ηλιακά κύτταρα, οι νανοκρυσταλλικές μεμβράνες πυριτίου σχηματίζουν μια πολύ διαφανή επαφή.
• Οι πορώδεις μεμβράνες με νανοδομή οξειδίου τιτανίου παρέχουν υψηλή μετάδοση και ενίσχυση της επιφάνειας.
• Προκλήσεις που αντιμετωπίζει η μικροηλεκτρονική βιομηχανία στη μικρογραφία των κυκλωμάτων, όπως η κακή διάχυση της θερμότητας που παράγεται από την υψηλή ταχύτητα μικροεπεξεργαστές , η κακή αξιοπιστία μπορεί να ξεπεραστεί με τη βοήθεια νανοκρυσταλλικών υλικών. Αυτά παρέχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή ανθεκτικότητα και ανθεκτικές διασυνδέσεις μεγάλης διάρκειας.

Υπάρχουν επίσης ορισμένα τεχνολογικά μειονεκτήματα που εντοπίζονται στη χρήση νανοϋλικών. Μερικά από αυτά τα μειονεκτήματα έχουν ως εξής -

• Αστάθεια των νανοϋλικών.
• Κακή αντοχή στη διάβρωση.
• Υψηλή διαλυτότητα.
• Όταν τα νανοϋλικά με την υψηλή επιφάνεια έρχονται σε άμεση επαφή με το οξυγόνο λαμβάνει χώρα εξώθερμη καύση που οδηγεί σε έκρηξη.
• Ακαθαρσία
• Τα νανοϋλικά θεωρούνται βιολογικά επιβλαβή. Αυτά έχουν υψηλή τοξικότητα που μπορεί να οδηγήσει σε ερεθισμούς.
• Καρκινογόνος
• Δύσκολο να συντεθεί
• Δεν υπάρχει ασφαλής απόρριψη
• Δύσκολο να ανακυκλωθεί

Σήμερα τα νανοϋλικά μαζί με νανοτεχνολογία φέρνει επανάσταση στους τρόπους με τους οποίους κατασκευάζονται διάφορα προϊόντα. Ονομάστε ένα βιολογικό φυσικό νανοϋλικό;