Nanomateriale

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Nanomaterialele este un domeniu care aplică o abordare bazată pe știința materialelor la nanotehnologie . Studiază materiale cu caracteristici morfologice pe nanoscală și, în special, cele care au proprietăți speciale care derivă din dimensiuni la nanoscală. Nanoscala este de obicei definită ca mai puțin de o zecime de micrometru în cel puțin o dimensiune, [1] deși acest termen este folosit uneori și pentru materiale mai mici decât un micrometru. La 18 octombrie 2011, Comisia Europeană a adoptat următoarea definiție a unui nanomaterial: [2]

„Un material natural, aleatoriu sau produs care conține particule, într-o stare liberă sau ca agregat sau ca aglomerat și în care, pentru 50% sau mai multe particule din distribuția cantităților numerice, una sau mai multe dimensiuni externe au dimensiunea interval 1 nm - 100 nm. În cazuri specifice și acolo unde este justificat de preocupări pentru mediu, sănătate, siguranță sau competitivitate, pragul de 50% pentru distribuirea cantităților numerice poate fi înlocuit cu un prag între 1 și 50%. "

fundal

Un aspect al nanotehnologiei este creșterea dramatică a raportului suprafață-volum prezent în multe materiale la scară nanometrică, care face posibile noi efecte mecanice cuantice , cum ar fi „efectul de confinare cuantică” în care proprietățile electronice ale solidelor sunt modificate cu reduceri substanțiale ale mărimea solidelor.particule. Acest efect nu intră în joc la trecerea de la macro la micro. Cu toate acestea, devine pronunțat în momentul în care se atinge domeniul nano-scară. În plus, diverse proprietăți fizice suferă, de asemenea, modificări în tranziția de la sistemul macroscopic. Noutățile din domeniul proprietăților mecanice ale nanomaterialelor sunt studiate în cercetarea nanomecanică . Prin interacțiunea cu biomaterialele , activitățile catalitice arată, de asemenea, un comportament nou și diferit.

Nanotehnologia poate fi privită ca o extensie a disciplinelor tradiționale adresate în mod explicit luării în considerare a acestor proprietăți. În plus, disciplinele tradiționale pot fi reinterpretate ca aplicații specifice nanotehnologiei . Această reciprocitate dinamică a ideilor și conceptelor contribuie la înțelegerea modernă a domeniilor științifice implicate. În linii mari, nanotehnologia reprezintă o sinteză a ideilor aplicate luate atât din domeniul științei pure, cât și din domeniul ingineriei, care vizează înțelegerea și producerea de noi materiale și dispozitive noi. Aceste produse utilizează în general proprietățile fizice asociate dimensiunilor mici.

Așa cum s-a menționat mai sus, materialele reduse la nanoscală pot prezenta brusc proprietăți diferite de cele pe care le prezintă la scări macroscopice, făcând posibile aplicații unice. De exemplu, materialele opace devin transparente (cupru); materialele inerte dobândesc proprietăți catalitice (platină); substanțele stabile devin combustibile (aluminiu); unele solide devin lichide la temperatura camerei (aur); materialele izolante devin conductoare (siliciu). Materiale precum aurul , inerte din punct de vedere chimic la scări normale, pot fi folosite ca un catalizator puternic la nanoscală. O mare parte din atracția nanotehnologiei provine din aceste fenomene cuantice și de suprafață unice pe care materia le prezintă la scară nanomatică.

Uniformitate

Prelucrarea chimică și sinteza componentelor tehnologice de înaltă performanță pentru sectoarele privat, industrial și militar necesită utilizarea ceramicii de înaltă puritate, a polimerilor , a ceramicii de sticlă și a materialelor compozite . În corpurile condensate formate din pulberi fine, neregulile în forma și dimensiunea nanoparticulelor duc adesea la o morfologie de agregare neuniformă, care duce ulterior la alte variații fizice, cum ar fi densitatea agregării.

Aglomerarea necontrolată a pulberilor datorită forțelor atractive van der Waals poate da naștere și unor neomogenități microstructurale. Tensiunile diferențiate care se dezvoltă ca urmare a uscării neuniforme sunt direct legate de viteza cu care solventul poate fi îndepărtat și, prin urmare, toate depind puternic de distribuția porozității . Astfel de solicitări au fost asociate cu materialele plastice de tranziție fragile în corpurile consolidate și pot duce la fisuri de propagare într-un corp încă brut, dacă nu sunt înlocuite. [3] [4] [5]

Mai mult, toate fluctuațiile densității agregării în compact atunci când este gata pentru cuptor sunt adesea amplificate în timpul procesului de sinterizare , rezultând o densificare neomogenă. Unii pori și alte defecte structurale asociate cu variația densității s-au dovedit a juca un rol negativ în procesul de sinterizare prin creșterea și limitarea punctului final al densității. Diferitele solicitări care decurg din densificarea neomogenă s-au dovedit a provoca propagarea fisurilor interne, dovedindu-se astfel defecte într-un control al forței. [6] [7] [8]

Prin urmare, ar părea de dorit să prelucrați un material astfel încât să fie uniform din punct de vedere fizic în ceea ce privește distribuția componentelor și porozitatea, mai degrabă decât utilizarea distribuției mărimii particulelor. Conținerea unui grup uniform dispersat de particule puternic interacționate necesită un control total asupra interacțiunilor particule-particule. Trebuie remarcat aici că un număr de dispersanți precum citratul de amoniu (apos) și imidazolina (cunoscut și ca alcool oleic , neapos) sunt soluții promițătoare ca posibili aditivi pentru o mai bună dispersie și dezaglomerare. Nanoparticulele monodisperse și unii coloizi oferă, de asemenea, acest potențial. [9]

Pulberile de silice monodisperse, de exemplu, pot fi suficient stabilizate pentru a asigura un alt nivel de ordine în cristalul coloidal sau solidul policristalin după procesul de agregare. Cu toate acestea, gradul de ordine pare limitat la timpul și spațiul pus la dispoziție corelațiilor pe termen lung stabilite. Aceste structuri coloidale policristaline defecte par a fi elementele de bază pentru știința materialelor coloidale sub-micrometrice și, prin urmare, oferă primul pas în căutarea unei înțelegeri mai riguroase a mecanismelor implicate în evoluția structurală a performanțelor de înaltă performanță. materiale și componente conexe. [10] [11]

Clasificare

Materialele denumite „nanomateriale” se încadrează în general în două categorii: fullerene și nanoparticule anorganice.

Fullereni

Buckminsterfullerene C 60 , cunoscut și sub numele de buckyball, este cel mai mic membru al familiei fullerenelor.
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Fullerene .

Fullerenele sunt un tip de alotropi de carbon constând din foi de grafen învelite în tuburi sau sfere. Acestea includ nanotuburi de carbon sau nanotuburi de siliciu , ambele având un interes considerabil datorită rezistenței lor mecanice și proprietăților electrice.

În ultimul deceniu, proprietățile fizice și chimice ale fulerenilor au fost un subiect de frunte în cercetare și dezvoltare și probabil că vor deține acest loc pentru o lungă perioadă de timp. În aprilie 2003, fulerenii au început să fie studiați și din punct de vedere medical : crearea de legături între antibiotice specifice și structurile rezistente ale bacteriilor sau chiar posibilitatea de a viza anumite celule canceroase, cum ar fi melanoamele . În 2005, numărul din octombrie al Chimiei și Biologiei conține un articol care descrie utilizarea fulerenilor ca agenți antimicrobieni cu lumină activată . În domeniul nanotehnologiei, proprietățile căldurii atrag cercetări intense.

O metodă utilizată în mod obișnuit de producere a fulerenilor este de a trimite o descărcare electrică mare între doi electrozi de grafit într-o atmosferă inertă. Arcul de plasmă de carbon rezultat între cei doi electrozi se răcește până la un reziduu de funingine, din care pot fi izolați mulți fullereni.

În timpul cercetării, s-au făcut multe calcule prin aplicarea metodelor ab initio , în special a celei cuantice, la fullereni. De exemplu, spectroscopiile în infraroșu , ultraviolete și Raman pot fi obținute prin DFT și TDDFT. Rezultatele acestor calcule pot fi apoi comparate cu rezultatele experimentale.

Nanoparticule

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Nanoparticule .

Nanoparticulele sau nanocristalele metalelor, semiconductoarelor sau oxizilor prezintă un interes deosebit pentru proprietățile lor mecanice, electrice, optice și chimice. Nanoparticulele au fost utilizate ca puncte cuantice și catalizatori chimici.

Nanoparticulele prezintă un mare interes științific, deoarece reprezintă în mod eficient puntea dintre materialele de masă și structurile atomice sau moleculare. Un material în vrac ar trebui să aibă proprietăți fizice constante, indiferent de dimensiunea sa, dar coborând în domeniul nano-scară, acest lucru nu este adesea respectat. S-au observat proprietăți dependente de mărime, cum ar fi confinarea cuantică în particulele semiconductoare , rezonanța plasmonului de suprafață în unele particule metalice și supermagnetismul în materialele magnetice .

Nanoparticulele prezintă o serie de proprietăți speciale în comparație cu aceleași materiale la scări obișnuite ( macroscală ). De exemplu, curbura cuprului (cabluri, benzi etc.) are loc cu mișcarea atomilor / grupurilor de cupru pe o scară de aproximativ 50 nm. Nanoparticulele de cupru mai mici de 50 nm sunt considerate în schimb un material foarte rezistent care nu are aceeași maleabilitate și ductilitate . Schimbarea proprietății nu este întotdeauna de dorit. Particulele de materiale feroelectrice mai mici de 10 nm își pot schimba direcția de magnetizare prin exploatarea energiei termice simple prezente la temperatura camerei, făcându-le inutilizabile pentru stocarea în masă. Suspensiile de nanoparticule sunt realizabile deoarece interacțiunea particulelor de suprafață cu solventul este suficient de puternică pentru a depăși diferența de densitate , care de obicei face ca materialul să se scufunde sau să plutească. Nanoparticulele prezintă, de asemenea, deseori proprietăți vizuale neașteptate, deoarece sunt suficient de mici pentru a-și limita electronii și pentru a produce diferite efecte cuantice. De exemplu, nanoparticulele aurii au o culoare care variază de la roșu aprins la negru atunci când se află într-o soluție.

Raportul suprafață-volum adesea foarte ridicat al nanoparticulelor oferă o forță consistentă care determină difuzia , în special la temperaturi ridicate. Sinterizarea este posibilă la temperaturi mai scăzute și timpuri mai rapide decât pentru particulele mai mari. Acest lucru teoretic nu afectează densitatea produsului final, chiar dacă dificultățile legate de flux și tendința nanoparticulelor de a aglomera lucrurile considerabil. Efectele de suprafață ale nanoparticulelor tind, de asemenea, să reducă temperatura incipientă de topire.

Sinteză

Sol-gel

Procesul sol-gel este o tehnică chimică în fază lichidă (cunoscută și sub numele de depunere chimică în soluție) utilizată pe scară largă în domeniile științei materialelor și tehnologiilor ceramice. Aceste metode sunt utilizate în principal pentru producerea de materiale (de obicei, oxizi metalici ) pornind de la o soluție chimică (abbr. Sol înseamnă soluție), care acționează ca un substrat pentru formarea unui rețea ( gel ) de particule izolate sau chiar de polimer zăbrele. [12] Reactanții tipici sunt oxizii de metale alcaline și clorurile de metal, care suferă reacții de hidroliză și policondensare pentru a forma fie o rețea „elastică solidă”, fie un coloid sau chiar o dispersie . Formarea unui oxid de metal are loc prin conectarea centrelor metalice cu punți MOM de oxigen (os) sau cu punți de hidroxid M- (OH) -M, generând respectiv polimeri de oxizi metalici și hidroxizi metalici.

Siguranță

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: reglementarea nanotehnologiei .

Notă

  1. ^ (EN) C. Buzea, Nanomateriale și nanoparticule: Surse și toxicitate, în Biointerfaze, vol. 2, 2007, p. MR17.
  2. ^ Nanomateriale . Comisia Europeană. Ultima actualizare la 18 octombrie 2011
  3. ^ Onoda, GY, Jr. și Hench, LL Eds., Procesarea ceramicii înainte de ardere (Wiley & Sons, New York, 1979)
  4. ^ (EN) Aksay, IA, Lange, FF; Davis, BI,Uniformitatea Al 2 O 3 -ZrO 2 Compozite de coloid de filtrare , în J. Am. Ceram. Soc. , Vol. 66, 1983, p. C-190, DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1983.tb10550.x .
  5. ^ (EN) Franks, GV, Lange, FF,Tranziție plastic-fragilă a compacte de pulbere saturată, de alumină , în J. Am. Ceram. Soc. , Vol. 79, 1996, p. 3161, DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1996.tb08091.x .
  6. ^ (EN) Evans, AG și Davidge, RW, Phil. Mag. , Vol. 20, nr. 164, 1969, p. 373, DOI : 10.1080 / 14786436908228708 , https://oadoi.org/10.1080/14786436908228708 .
  7. ^ ( RO ) J Mat. Știință , vol. 5, 1970, p. 314.
  8. ^ (EN) Lange, FF și Metcalf, M., J. Am. Ceram. Soc. , Vol. 66, 1983, p. 398, DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1983.tb10069.x ,https://oadoi.org/10.1111/j.1151-2916.1983.tb10069.x .
  9. ^ (EN) Evans, AG, J. Am. Ceram. Soc. , Vol. 65, 1987, p. 497, DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1982.tb10340.x ,https://oadoi.org/10.1111/j.1151-2916.1982.tb10340.x .
  10. ^ (EN) Whitesides, GM, și colab., Molecular Self-Assembly and Nanochemistry: A Strategy for the Chemical Synthesis of Nanostructures , în Știință, vol. 254, 1991, p. 1312, DOI : 10.1126 / science.1962191 .
  11. ^ (EN) Dubbs D. M, IA Aksay, Ceramica auto-asamblată , în Ann. Pr. Phys. Chem. , vol. 51, 2000, p. 601, DOI : 10.1146 / annurev.physchem.51.1.601 .
  12. ^ (EN) CJ Brinker, GW Scherer, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, Academic Press, 1990.

Bibliografie

  • ( EN ) Știința Sol-Gel: fizica și chimia prelucrării Sol-Gel de C. Jeffrey Brinker și George W. Scherer, Academic Press (1990)

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 54387 · LCCN (EN) sh93000864 · GND (DE) 4342626-8 · BNF (FR) cb124693847 (data)
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Nanomateriali&oldid=115632927 ”