Uočeno je da se kvantna svojstva materijala mogu razlikovati na nanorazmjeru. Materijal koji se ponaša kao izolator na molekularnoj razini može izraziti svojstva vodiča kad se gleda na njegovoj razini nanorazmjera. Nanotehnologija se pojavila kao metodologija istraživanja koja se bavi proučavanjem promjena svojstava materijala na nanorazmjernoj skali. Uključuje kombinirano proučavanje različitih znanosti kao što su kvantna fizika, fizika poluvodiča, materijal proizvodnja itd. na razini nanorazmjera. Materijali nastali korištenjem principa i metoda nanotehnologije, čija se svojstva nalaze između svojstava makroskopskih krutina i atomskih sustava, poznati su kao nanomaterijali.
Što su nanomaterijali?
Pojam nanorazmjer odnosi se na dimenziju 10-9metara. To je milijarditi dio metra. Dakle, čestice čija se bilo koja od vanjskih dimenzija ili dimenzija unutarnje strukture ili dimenzija površinske strukture nalazi u rasponu od 1nm do 100nm smatraju se nanomaterijalima.
Ti su materijali nevidljivi golim okom. Pristup nanotehnologije zasnovan na znanosti o materijalima razmatra se za nanomateriale. Na ovoj ljestvici ti materijali imaju jedinstvena optička, elektronička, mehanička i kvantna svojstva u usporedbi s ponašanjem na molekularnoj skali.
Nanomaterijal može biti nano objekt ili nanostrukturirani materijal. Nao objekti su diskretni dijelovi materijala, s druge strane, nanostrukturirani materijali imaju svoju unutarnju ili površinsku strukturu u dimenziji nanorazmjera.
Nanomaterijali mogu biti prirodnog porijekla, umjetno proizvedeni ili slučajno oblikovani. S napretkom u istraživanju, nanomaterijali se komercijaliziraju i koriste se kao roba.
Svojstva nanomateriala
Drastična promjena u svojstva nanomaterijala mogu se opaziti kada se raspadaju na razinu nanorazmjera. Kako se prema molekularnoj razini približavamo razini nanorazmjera, elektronička svojstva materijala mijenjaju se zbog učinka kvantne veličine. Promjena mehaničkih, toplinskih i katalitičkih svojstava materijala može se vidjeti s porastom omjera površine i volumena na razini nanorazmjera.
Mnogi se izolacijski materijali počinju ponašati kao vodiči na svojim dimenzijama nanorazmjera. Slično tome, kad dosegnemo dimenzije nanorazmjera, mogu se primijetiti mnogi zanimljivi kvantni i površinski fenomeni.
Veličina čestica, oblik, kemijski sastav, kristalna struktura, fizikalno-kemijska stabilnost, površina i površinska energija itd. ... pripisuju fizikalno-kemijskim svojstvima nanomaterijala. Kako se omjer površine i volumena nanomateriala povećava, njihova površina postaje reaktivnija na sebe i druge sustave. Veličina nanomaterijala igra značajnu ulogu u njihovom farmakološkom ponašanju. Kada nanomaterijali stupe u interakciju s vodom ili drugim disperzijskim medijima, mogu preurediti svoju kristalnu strukturu. Veličina, sastav i površinski naboj nanomaterijala utječu na njihova agregacijska stanja. Površinska prevlaka utječe na magnetska, fizikalno-kemijska i psihokinetička svojstva ovih materijala. Ti materijali proizvode ROS kada njihova površina reagira s kisikom, ozonom i prijelaznim materijalima.
Na razini nanorazmjera, interakcija između čestica je posljedica van der Waalovih sila ili jakih polarnih ili kovalentnih veza. Površinska svojstva nanomaterijala i njihova interakcija s drugim elementima i okolinama mogu se modificirati upotrebom polielektrolita.
Primjeri
Nanomaterijali se mogu naći kao konstruirani nanomaterijali, slučajni ili prirodni. Konstruirane nanomateriale proizvode ljudi s nekim željenim svojstvima. Uključuju nanomateriale čađe i titanov dioksid. Nanočestice se također proizvode uslijed mehaničkih ili industrijskih procesa slučajno poput tijekom ispušnih plinova vozila, isparenja za zavarivanje, kuhanja i zagrijavanja goriva. Slučajno proizvedeni atmosferski nanomaterijali poznati su i kao ultrafine čestice. Fulereni su nanomaterijal koji nastaje izgaranjem biomase, svijeće.
Nanocijev
Postojeći prirodni nanomaterijali nastaju uslijed mnogih prirodnih procesa poput šumskih požara, vulkanskog pepela, spreja u oceanu, vremenskih utjecaja metala, itd. primjeri nanomaterijala Prisutni u biološkim sustavima su struktura kristala voska koji prekrivaju lotos, struktura virusa, svila pauka, grm plave boje pauka tarantula, krljušti leptira. Čestice poput mlijeka, krvi, roga, zuba, kože, papira, koralja, kljunova, perja, koštane matrice, pamuka, noktiju itd. Prirodni su nanomaterijali koji se javljaju u prirodi. Gline su primjer prirodnog anorganskog nanomaterijala, jer nastaju uslijed kristalnog rasta u različitim kemijskim uvjetima na zemljinoj kori.
Klasifikacija
Klasifikacija nanomaterijala uglavnom ovisi o morfologiji i njihovoj strukturi, svrstani su u dvije velike skupine kao Konsolidirani materijali i Nanodisperzije. Konsolidirani nanomaterijali nadalje se klasificiraju u nekoliko skupina. Jednodimenzionalni Nano disperzivni sustavi nazivaju se nanoprahovima i nanočesticama. Ovdje su nanočestice dalje klasificirane kao nanokristali, nanoklasteri, nanocijevi, supermolekule itd.
Za nanomateriale je veličina važan fizički atribut. Nanomaterijali se često klasificiraju ovisno o broju njihovih dimenzija koji spadaju u nanorazmjer. Nanočestice čije su sve tri dimenzije nanorazmjerne i nema značajne razlike između najduže i najkraće osi, nazivaju se nanočesticama. Materijali s njihove dvije dimenzije u nanorazmjerima nazivaju se nanofibre. Šuplje nanovlakne poznate su pod nazivom Nanocijevi, a krute nanovlake. Materijali s jednom dimenzijom u nanorazmjeru poznati su kao nanoploče. Nanoploče s dvije različite dulje dimenzije poznate su kao Nanoribons.
Na temelju faza tvari sadržanih u nanostrukturnim materijalima klasificirani su kao nanokompozitni, nanopjenoviti, nanoporozni i nanokristalni materijali. Čvrsti materijali koji sadrže barem jedno fizički ili kemijski različito područje s najmanje jednim područjem dimenzija u nanorazmjeru nazivaju se Nano kompoziti. Nanopjene sadrže tekuću ili krutu matricu, ispunjenu plinovitom fazom, a jedna od dvije faze ima dimenzije u nanorazmjeru.
Čvrsti materijali s nanoporama, šupljine s dimenzijama na nanorazmjerima smatraju se nanoporoznim materijalima. Nanokristalinični materijali imaju kristalna zrna u nanorazmjeru.
Primjene nanomateriala
Danas se nanomaterijali visoko komercijaliziraju. Neki od komercijalnih nanomaterijala dostupnih na tržištu su kozmetika, tekstil otporan na naprezanje, elektronika, sredstva za zaštitu od sunca, boje itd. Nano premazi i nanokompozitivi koriste se u raznim potrošačkim proizvodima kao što su sportska oprema, prozori, automobili itd. Kako bi zaštitili štetu uzrokovane pićima od sunčeve svjetlosti, staklene boce presvučene su nanoprevlakom koja blokira UV zrake. Korištenjem nano-glinenih kompozita proizvode se dugotrajnije teniske loptice. Nanoskalni silicijev dioksid koristi se kao punilo u zubnim plombama.
Optička svojstva nanomaterijala koriste se za stvaranje optičkih detektora, senzora, lasera, zaslona, solarnih ćelija. Ovo se svojstvo koristi i u biomedicini i fotoelektrokemiji. U mikrobnim gorivim ćelijama elektrode se sastoje od ugljikovih nanocijevi. Nanokristalni cink selenid koristi se na zaslonima za povećanje razlučivosti piksela koji tvore TV uređaje visoke razlučivosti i osobna računala. U mikroelektronskoj industriji naglašava se minijaturizacija sklopova poput tranzistora, dioda, otpornika i kondenzatora.
Nanožice se koriste za oblikovanje bez spoja tranzistori . Nanomaterijali se također koriste kao katalizatori u automobilskim katalitičkim pretvaračima i sustavima za proizvodnju električne energije, kako bi reagirali s otrovnim plinovima poput ugljičnog monoksida i dušikovog oksida, sprečavajući tako onečišćenje okoliša koje oni uzrokuju. Za povećanje faktora zaštite od sunca (SPF) u zaštitnim kremama koristi se nano-TiO2. Da bi se senzorima osigurala visoko aktivna površina, koriste se projektirani nanoslojevi.
Fulereni se koriste u karcinomu za liječenje stanica karcinoma kao što je melanom. Oni su također pronašli uporabu kao antimikrobna sredstva koja se aktiviraju svjetlošću. Zbog svojih optičkih i električnih svojstava, kvantne točke, nanožice i nanoplode vrlo su se odlučile za optoelektroniku. Nanomaterijali se ispituju za primjenu u inženjerstvu tkiva, isporuci lijekova i biosenzorima. Nanozimi su umjetni enzimi koji se koriste za biosenziranje, bioslikovanje i otkrivanje tumora.
Prednosti i nedostaci nanomateriala
Električna, magnetska, optička i mehanička svojstva nanomaterijala pružila su mnoge fascinantne primjene. Još je u tijeku istraživanje kako bi se znalo o tim svojstvima. Svojstva nanomaterijala razlikuju se od svojstava modela velike veličine. Neke od prednosti nanomaterijala su sljedeće -
- Nanomaterijal poluvodiča q-čestice pokazuju kvantne efekte zatvaranja, čime im daju svojstvo luminiscencije.
- U usporedbi s grubozrnatom keramikom, nanofazna keramika je duktilnija na povišenim temperaturama.
- Svojstvo hladnog zavarivanja nanosiranih metalnih prahova, zajedno s njihovom plastičnošću, vrlo je korisno za lijepljenje metala i metala.
- Pojedinačne nanorazmjerene magnetske čestice pružaju super paramagnetizam.
- Nanostrukturirani metalni skupovi monometalnog sastava djeluju kao prethodnici heterogenih katalizatora.
- Za solarne ćelije, nanokristalni silicijski filmovi čine vrlo proziran kontakt.
- Nanostrukturirani porozni filmovi od titanovog oksida pružaju visoku propusnost i veliku površinu.
- Izazovi s kojima se suočava mikroelektronska industrija u minijaturizaciji krugova, poput lošeg odvođenja topline generirane velikom brzinom mikroprocesori , slaba pouzdanost može se prevladati pomoću nanokristalnih materijala. Oni pružaju visoku toplinsku vodljivost, visoku trajnost i trajne dugotrajne međusobne veze.
Postoje i neki tehnološki nedostaci koji se mogu naći u uporabi nanomaterijala. Neki od tih nedostataka su sljedeći -
- Nestabilnost nanomaterijala.
- Loša otpornost na koroziju.
- Visoka topljivost.
- Kada nanomaterijali s velikom površinom izravno dođu u kontakt s kisikom, dolazi do egzotermnog izgaranja što dovodi do eksplozije.
- Nečistoća
- Nanomaterijali se smatraju biološki štetnima. Imaju visoku toksičnost koja može dovesti do iritacija.
- Kancerogena
- Teško sintetizirati
- Nije dostupno sigurno odlaganje
- Teško reciklirati
Danas nanomateriali zajedno s nanotehnologija revolucionira načine na koje se proizvode različiti proizvodi. Nazovite organski nanomaterijal koji se pojavljuje u prirodi?
