Hva er nanomaterialer - klassifisering og dens egenskaper

Det ble observert at materialets kvanteegenskaper kan variere i nanoskala. Materiale som oppfører seg som isolator på molekylært nivå, kan uttrykke lederens egenskaper når man ser på dets nanoskala. Nanoteknologi har dukket opp som forskningsmetodikken som omhandler studiet av endringen i egenskapene til materialet i nanoskalaen. Det involverer en kombinasjonsstudie av ulike vitenskaper som kvantefysikk, halvlederfysikk, materiale produksjon osv. på nanoskala nivå. Materialer dannet ved bruk av prinsippene og metodene innen nanoteknologi, hvis egenskaper ligger mellom makroskopiske faste stoffer og atomsystemer, er kjent som nanomaterialer.

Hva er nanomaterialer?

Begrepet nanoskala refererer til dimensjonen 10^-9meter. Det er den ene milliarddelen av en meter. Så partikler hvis noen av de ytre dimensjonene eller den indre strukturdimensjonen eller overflatestrukturdimensjonen ligger i området 1 nm til 100 nm, betraktes som nanomaterialer.

Disse materialene er usynlige for det blotte øye. Den materialvitenskapelige baserte tilnærmingen til nanoteknologi vurderes for nanomaterialer. På denne skalaen har disse materialene unike optiske, elektroniske, mekaniske og kvanteegenskaper sammenlignet med deres molekylære skala oppførsel.

Et nanomateriale kan være et nanoobjekt eller et nanostrukturert materiale. Nao-objekter er de diskrete materialbitene, derimot har nanostrukturerte materialer sin indre eller overflatestruktur i nanoskala dimensjonen.

Nanomaterialer kan være av naturlig eksistens, kunstig produsert eller forøvrig dannet. Med fremskrittet i forskningen kommersialiseres nanomaterialer og brukes som varer.

Egenskaper til nanomaterialer

En drastisk endring i egenskaper av nanomaterialer kan observeres når de brytes ned til nanoskala nivå. Når vi går mot nanoskala fra molekylært nivå, blir de elektroniske egenskapene til materialer endret på grunn av kvantestørrelseseffekten. Endring i de mekaniske, termiske og katalytiske egenskapene til materialene kan sees med økningen i overflateareal til volumforhold på nanoskala nivå.

Mange av isolasjonsmaterialene begynner å oppføre seg som ledere i deres nanoskala dimensjoner. På samme måte, når vi når dimensjonene på nanoskala, kan mange interessante kvante- og overflatefenomener observeres.

Partikkelstørrelse, form, kjemisk sammensetning, krystallstruktur, fysisk-kjemisk stabilitet, overflateareal og overflatenergi, osv. ... tilskriver de fysisk-kjemiske egenskapene til nanomaterialene. Når overflatearealet til volumforholdet til nanomaterialene øker, blir overflaten mer reaktiv på seg selv og andre systemer. Størrelsen på nanomaterialene spiller en viktig rolle i deres farmakologiske oppførsel. Når nanomaterialer samhandler med vann eller andre dispersjonsmedier, kan de omorganisere krystallstrukturen. Størrelsen, sammensetningen og overflateladningen til nanomaterialene påvirker deres aggregeringstilstander. De magnetiske, fysisk-kjemiske og psykokinetiske egenskapene til disse materialene blir påvirket av overflatebelegg. Disse materialene produserer ROS når overflaten reagerer med oksygen, ozon og overgangsmaterialer.

På nanoskala nivå skyldes interaksjonen mellom partikler enten van der Waal-kreftene eller sterke polære eller kovalente bindinger. Overflateegenskapene til nanomaterialene og deres interaksjoner med andre elementer og miljøer kan modifiseres ved bruk av polyelektrolytter.

Eksempler

Nanomaterialer kan bli funnet som konstruerte nanomaterialer, tilfeldige eller som naturlige eksistenser. Konstruerte nanomaterialer er produsert av mennesker med noen ønskede egenskaper. De inkluderer karbon svart og titandioksid nanomaterialer. Nanopartiklene produseres også på grunn av mekaniske eller industrielle prosesser som for eksempel under kjøretøyeksos, sveisedamp, matlaging og drivstoffoppvarming. Forresten produserte atmosfæriske nanomaterialer er også kjent som ultrafine partikler. Fullerener er det nanomaterialet som produseres på grunn av forbrenning av biomasse, stearinlys.

Nanorør

Naturlige eksisterende nanomaterialer dannes på grunn av mange av de naturlige prosessene som skogbranner, vulkansk aske, havspray, forvitring av metaller osv.… Noen av de eksempler på nanomaterialer til stede i biologiske systemer er strukturen av vokskrystaller som dekker lotus, virusstruktur, edderkoppemiddesilke, blå fargetone av tarantula edderkopper, sommerfuglskalaer. Partikler som melk, blod, horn, tenner, hud, papir, koraller, nebb, fjær, beinmatrise, bomull, spiker osv. Er naturlige organiske nanomaterialer. Leire er eksemplet på naturlig forekommende uorganisk nanomateriale, da de dannes på grunn av krystallvekst under forskjellige kjemiske forhold på jordskorpen.

Klassifisering

Klassifiseringen av nanomaterialer avhenger hovedsakelig av morfologien og deres struktur, de er klassifisert i to hovedgrupper som konsoliderte materialer og nanodispersjoner. Konsoliderte nanomaterialer klassifiseres videre i flere grupper. De endimensjonale nanodispergerende systemene blir betegnet som nanopulver og nanopartikler. Her klassifiseres nanopartiklene videre som nanokrystaller, nanoklynger, nanorør, supermolekyler osv.

For nanomaterialene er størrelsen en viktig fysisk egenskap. Nanomaterialer klassifiseres ofte avhengig av antall dimensjoner som faller under nanoskala. Nanomaterialet hvis alle de tre dimensjonene er av nanoskala og det er vesentlig ingen forskjell mellom de lengste og korteste aksene, kalles nanopartikler. Materialer med to dimensjoner i nanoskalaen kalles nanofibre. Hule nanofibre er kjent som nanorør, og de faste er kjent som nanoroder. Materialer med en dimensjon i nanoskalaen er kjent som Nanoplates. Nanoplater med to forskjellige lengre dimensjoner er kjent som Nanoribbons.

Basert på fasene av materien som inneholder nanostrukturerte materialer, klassifiseres de som nanokompositt, nanofoam, nanoporøse og nanokrystallinske materialer. Faste materialer som inneholder minst en fysisk eller kjemisk distinkt region med minst en region med dimensjoner i nanoskala, kalles Nano Composites. Nanofoams inneholder en flytende eller fast matrise fylt med en gassfase, og en av de to fasene har dimensjoner i nanoskalaen.

Faste materialer med nanoporer, hulrom med dimensjoner på nanoskala betraktes som nanoporøse materialer. Nanokrystallinske materialer har krystallkorn i nanoskalaen.

Anvendelser av nanomaterialer

I dag blir nanomaterialer svært kommersialisert. Noen av de kommersielle nanomaterialene som er tilgjengelige i markedet er kosmetikk, belastningsbestandige tekstiler, elektronikk, solkrem, maling osv. ... Nanoklær og nanokompositter brukes i forskjellige forbrukerprodukter som sportsutstyr, vinduer, biler osv. For å beskytte skaden forårsaket av drikke fra sollys, glassflasker blir belagt med nanobelegging som blokkerer UV-strålene. Ved bruk av nanoleire-kompositter blir det produsert langvarige tennisballer. Nanoskala silisiumdioksyd brukes som fyllstoff i tannfyllinger.

De optiske egenskapene til nanomaterialene brukes til å danne optiske detektorer, sensorer, lasere, skjermer, solceller. Denne egenskapen brukes også i biomedisin og fotoelektrokjemi. I mikrobielle brenselceller består elektrodene av karbon-nanorør. Nanokrystallinsk sinkselenid brukes i skjermbildene for å øke oppløsningen til pikslene som danner High Definition TV-apparater og personlige datamaskiner. I mikroelektronisk industri blir miniaturisering av kretser som transistorer, dioder, motstander og kondensatorer vektlagt.

Nanotråder brukes til å danne kryssfrie transistorer . Nanomaterialer brukes også som katalysatorer i bilkatalysatorer og kraftproduksjonssystemer, for å reagere med giftige gasser som karbonmonoksid og nitrogenoksid, og derved forhindre miljøforurensning forårsaket av dem. For å øke solbeskyttelsesfaktoren (SPF) i solkremene brukes nano-TiO2. For å gi sensorene en meget aktiv overflate, brukes konstruerte nanolag.

Fullerener brukes i kreft for å behandle kreftceller som melanom. Disse har også funnet bruk som lysaktiverte antimikrobielle midler. På grunn av deres optiske og elektriske egenskaper har kvantprikker, nanotråder og nanorods sterkt valgt optoelektronikk. Nanomaterialer testes for applikasjoner innen vevsteknikk, medikamentlevering og biosensorer. Nanozymer er de kunstige enzymene som brukes til biosensing, bioavbildning, tumoroppdagelse.

Fordeler og ulemper ved nanomaterialer

De elektriske, magnetiske, optiske og mekaniske egenskapene til nanomaterialene har gitt mange fascinerende bruksområder. Forskning pågår fortsatt for å vite om disse egenskapene. Egenskapene til nanomaterialene avviker fra den i bulkmodellen. Noen av fordelene med nanomaterialene er som følger -

• Nanomateriale halvleder q-partikler viser kvanteinneslutningseffekter, og gir dem luminescensegenskapene.
• Sammenlignet med grovkornet keramikk er nanofase-keramikk mer duktilt ved forhøyede temperaturer.
• Kaldsveiseegenskapen til de nanosiserte metallpulverne sammen med deres duktilitet er svært nyttig for metall-metallbinding.
• Enkelt nanosiserte magnetiske partikler gir super paramagnetismegenskap.
• Nanostrukturerte metallklynger med monometallisk sammensetning fungerer som forløpere for heterogene katalysatorer.
• For solceller danner nanokrystallinske silisiumfilmer en svært gjennomsiktig kontakt.
• Nanostrukturerte porøse filmer av titanoksid gir høy overføring og forbedring av høyt overflateareal.
• Utfordringer som mikroelektronisk industri står overfor i miniatyriseringen av kretsene, for eksempel dårlig spredning av varme generert av høyhastighets mikroprosessorer , kan dårlig pålitelighet overvinnes ved hjelp av nanokrystallinske materialer. Disse gir høy varmeledningsevne, høy holdbarhet og holdbare langvarige sammenkoblinger.

Det er også noen teknologiske ulemper som finnes ved bruk av nanomaterialer. Noen av disse ulempene er som følger -

• Ustabilitet i nanomaterialene.
• Dårlig korrosjonsbestandighet.
• Høy løselighet.
• Når nanomaterialene med høyt overflateareal kommer i direkte kontakt med oksygen, finner eksoterm forbrenning sted som fører til en eksplosjon.
• Urenhet
• Nanomaterialer anses å være biologisk skadelige. Disse har høy toksisitet som kan føre til irritasjoner.
• Kreftfremkallende
• Vanskelig å syntetisere
• Ingen sikker avhending tilgjengelig
• Vanskelig å resirkulere

I dag Nanomaterials sammen med nanoteknologi revolusjonerer måtene som ulike produkter produseres på. Navngi et organisk naturlig forekommende nanomateriale?