Cosa sono i nanomateriali - Classificazione e sue proprietà

È stato osservato che le proprietà quantistiche del materiale possono differire su scala nanometrica. Il materiale che si comporta come isolante a livello molecolare può esprimere le proprietà del conduttore se osservato al suo livello su nanoscala. La nanotecnologia è emersa come la metodologia di ricerca che si occupa dello studio del cambiamento nelle proprietà del materiale su scala nanometrica. Implica lo studio combinatorio di varie scienze come la fisica quantistica, la fisica dei semiconduttori, i materiali produzione , ecc .. a livello di nanoscala. I materiali formati utilizzando i principi e i metodi della nanotecnologia, le cui proprietà si trovano tra quelle dei solidi macroscopici e dei sistemi atomici, sono noti come nanomateriali.

Cosa sono i nanomateriali?

Il termine nanoscala si riferisce alla dimensione di 10^-9metri. È la miliardesima parte di un metro. Quindi, le particelle la cui qualsiasi dimensione esterna o dimensione della struttura interna o dimensione della struttura superficiale si trova nell'intervallo da 1 nm a 100 nm sono considerate nanomateriali.

Questi materiali sono invisibili ad occhio nudo. L'approccio basato sulla scienza dei materiali della nanotecnologia è considerato per i nanomateriali. A questa scala, questi materiali hanno proprietà ottiche, elettroniche, meccaniche e quantistiche uniche rispetto al loro comportamento su scala molecolare.

Un nanomateriale può essere un nano oggetto o un materiale nanostrutturato. Gli oggetti Nao sono i pezzi discreti di materiale, d'altra parte, i materiali nanostrutturati hanno la loro struttura interna o superficiale nella dimensione nanoscala.

I nanomateriali possono essere di esistenza naturale, prodotti artificialmente o formati accidentalmente. Con il progresso della ricerca, i nanomateriali vengono commercializzati e utilizzati come merci.

Proprietà dei nanomateriali

Un drastico cambiamento nel proprietà dei nanomateriali possono essere osservati quando vengono scomposti a livello di nanoscala. Man mano che ci spostiamo verso il livello nanoscala dal livello molecolare, le proprietà elettroniche dei materiali vengono modificate a causa dell'effetto della dimensione quantistica. Il cambiamento nelle proprietà meccaniche, termiche e catalitiche dei materiali può essere visto con l'aumento del rapporto tra superficie e volume a livello di nanoscala.

Molti dei materiali isolanti iniziano a comportarsi come conduttori alle loro dimensioni su nanoscala. Allo stesso modo, quando raggiungiamo le dimensioni su scala nanometrica, si possono osservare molti interessanti fenomeni quantistici e di superficie.

La dimensione delle particelle, la forma, la composizione chimica, la struttura cristallina, la stabilità fisico-chimica, l'area della superficie e l'energia superficiale, ecc ... attribuiscono alle proprietà fisico-chimiche dei nanomateriali. All'aumentare del rapporto tra superficie e volume dei nanomateriali, la loro superficie diventa più reattiva su se stessa e su altri sistemi. La dimensione dei nanomateriali gioca un ruolo significativo nel loro comportamento farmacologico. Quando i nanomateriali interagiscono con l'acqua o altri mezzi di dispersione, possono riorganizzare la loro struttura cristallina. Le dimensioni, la composizione e la carica superficiale dei nanomateriali influenzano i loro stati di aggregazione. Le proprietà magnetiche, fisico-chimiche e psicocinetiche di questi materiali vengono influenzate dal rivestimento superficiale. Questi materiali producono ROS quando la loro superficie reagisce con ossigeno, ozono e materiali di transizione.

A livello di nanoscala, l'interazione tra le particelle è dovuta alle forze di van der Waal oa forti legami polari o covalenti. Le proprietà superficiali dei nanomateriali e le loro interazioni con altri elementi e ambienti possono essere modificate con l'uso di polielettroliti.

Esempi

I nanomateriali possono essere trovati come nanomateriali ingegnerizzati, accidentali o di esistenza naturale. I nanomateriali ingegnerizzati sono prodotti da esseri umani con alcune proprietà desiderate. Includono nanomateriali nerofumo e biossido di titanio. Le nanoparticelle vengono prodotte anche a causa di processi meccanici o industriali, incidentalmente, come durante gli scarichi dei veicoli, i fumi di saldatura, la cottura e il riscaldamento del carburante. I nanomateriali atmosferici prodotti accidentalmente sono noti anche come particelle ultrafini. I fullereni sono il nanomateriale prodotto a causa della combustione di biomasse, candele.

Nanotubo

I nanomateriali naturali esistenti si formano a causa di molti dei processi naturali come incendi boschivi, ceneri vulcaniche, spruzzi oceanici, agenti atmosferici dei metalli, ecc ... Alcuni dei esempi di nanomateriali presenti nei sistemi biologici sono la struttura dei cristalli di cera che ricoprono il loto, la struttura dei virus, la seta degli acari, la tonalità blu dei ragni tarantola, le squame delle ali di farfalla. Particelle come latte, sangue, corno, denti, pelle, carta, coralli, becchi, piume, matrice ossea, cotone, unghie, ecc. Sono nanomateriali organici naturali. Le argille sono l'esempio di nanomateriali inorganici presenti in natura, poiché si formano a causa della crescita di cristalli in diverse condizioni chimiche sulla crosta terrestre.

Classificazione

La classificazione dei nanomateriali dipende principalmente dalla morfologia e dalla loro struttura, sono classificati in due gruppi principali come Materiali consolidati e Nanodispersioni. I nanomateriali consolidati sono ulteriormente classificati in diversi gruppi. I sistemi nano dispersivi unidimensionali sono denominati nanopolveri e nanoparticelle. Qui le nanoparticelle sono ulteriormente classificate come nanocristalli, nanocluster, nanotubi, supermolecole, ecc.

Per i nanomateriali, la dimensione è un attributo fisico importante. I nanomateriali sono spesso classificati in base al numero delle loro dimensioni che rientrano nella nanoscala. I nanomateriali le cui tutte e tre le dimensioni sono su scala nanometrica e non c'è differenza significativa tra l'asse più lungo e quello più corto, sono chiamati nanoparticelle. I materiali con le loro due dimensioni in nanoscala sono chiamati nanofibre. Le nanofibre cave sono note come nanotubi e quelle solide sono conosciute come nanorod. I materiali con una dimensione in nanoscala sono noti come nanopiastre. Le nanopiastre con due diverse dimensioni più lunghe sono note come nanonastri.

In base alle fasi di materia contenute dai materiali nanostrutturati vengono classificati come materiali nanocompositi, nanofoam, nanoporosi e nanocristallini. I materiali solidi contenenti almeno una regione fisicamente o chimicamente distinta con almeno una regione con dimensioni in nanoscala sono chiamati Nano Compositi. I nanofoam contengono una matrice liquida o solida, riempita con una fase gassosa e una delle due fasi ha dimensioni in nanoscala.

I materiali solidi con nanopori, cavità con dimensioni su scala nanometrica sono considerati materiali nanoporosi. I materiali nanocristallini hanno grani di cristallo su scala nanometrica.

Applicazioni dei nanomateriali

Oggi i nanomateriali sono altamente commercializzati. Alcuni dei nanomateriali commerciali disponibili sul mercato sono cosmetici, tessuti resistenti alla deformazione, elettronica, creme solari, vernici, ecc ... Nanorivestimenti e nanocompositi vengono utilizzati in vari prodotti di consumo come attrezzature sportive, finestre, automobili, ecc .. Per proteggere i danni causato dalle bevande dalla luce solare, le bottiglie di vetro vengono rivestite con nanorivestimento che blocca i raggi UV. Utilizzando compositi nano-argilla vengono prodotte palline da tennis di lunga durata. La silice su nanoscala viene utilizzata come riempitivo nelle otturazioni dentali.

Le proprietà ottiche dei nanomateriali vengono utilizzate per formare rivelatori ottici, sensori, laser, display, celle solari. Questa proprietà è utilizzata anche in biomedicina e fotoelettrochimica. Nelle celle a combustibile microbiche, gli elettrodi sono costituiti da nanotubi di carbonio. Il seleniuro di zinco nanocristallino viene utilizzato negli schermi per aumentare la risoluzione dei pixel che formano televisori ad alta definizione e personal computer. Nell'industria microelettronica, viene enfatizzata la miniaturizzazione di circuiti come transistor, diodi, resistori e condensatori.

I nanofili vengono utilizzati nella formazione di giunzioni transistor . I nanomateriali sono anche usati come catalizzatori nei convertitori catalitici delle automobili e nei sistemi di generazione di energia, per reagire con gas tossici come il monossido di carbonio e l'ossido di azoto, prevenendo così l'inquinamento ambientale da essi causato. Per aumentare il fattore di protezione solare (SPF) nelle creme solari viene utilizzato nano-TiO2. Per fornire una superficie altamente attiva ai sensori, vengono utilizzati nanostrati ingegnerizzati.

I fullereni sono usati nel cancro per trattare le cellule tumorali come il melanoma. Questi hanno anche trovato impiego come agenti antimicrobici attivati ​​dalla luce. A causa delle loro proprietà ottiche ed elettriche, punti quantici, nanofili e nanocavi hanno optato fortemente per l'optoelettronica. I nanomateriali vengono testati per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti, nella somministrazione di farmaci e nei biosensori. I nanozimi sono gli enzimi artificiali utilizzati per il biosensing, il bioimaging, il rilevamento di tumori.

Vantaggi e svantaggi dei nanomateriali

Le proprietà elettriche, magnetiche, ottiche e meccaniche dei nanomateriali hanno fornito molte applicazioni affascinanti. La ricerca è ancora in corso per conoscere queste proprietà. Le proprietà dei nanomateriali differiscono da quelle del loro modello di massa. Alcuni dei vantaggi dei nanomateriali sono i seguenti:

• Nanomateriale semiconduttore Le particelle q mostrano effetti di confinamento quantistico, conferendo loro la proprietà di luminescenza.
• Rispetto alla ceramica a grana grossa, le ceramiche nanofase sono più duttili a temperature elevate.
• La proprietà di saldatura a freddo delle polveri metalliche nanodimensionate insieme alla loro duttilità è molto utile per l'incollaggio metallo-metallo.
• Le singole particelle magnetiche di dimensioni nanometriche forniscono proprietà di super paramagnetismo.
• I cluster metallici nanostrutturati di composizione monometallica agiscono come precursori per catalizzatori eterogenei.
• Per le celle solari, i film di silicio nanocristallino formano un contatto altamente trasparente.
• Le pellicole porose di ossido di titanio nanostrutturate forniscono un'elevata trasmissione e un elevato miglioramento della superficie.
• Sfide affrontate dall'industria microelettronica nella miniaturizzazione dei circuiti come la scarsa dissipazione del calore generato dall'alta velocità microprocessori , la scarsa affidabilità può essere superata con l'aiuto di materiali nanocristallini. Questi forniscono un'elevata conduttività termica, un'elevata durata e interconnessioni durevoli di lunga durata.

Ci sono anche alcuni svantaggi tecnologici riscontrati nell'uso dei nanomateriali. Alcuni di questi svantaggi sono i seguenti:

• Instabilità dei nanomateriali.
• Scarsa resistenza alla corrosione.
• Elevata solubilità.
• Quando i nanomateriali con la superficie elevata vengono a diretto contatto con l'ossigeno, avviene una combustione esotermica che porta ad un'esplosione.
• Impurità
• I nanomateriali sono considerati biologicamente dannosi. Questi hanno un'elevata tossicità che può causare irritazioni.
• Cancerogeno
• Difficile da sintetizzare
• Nessuno smaltimento sicuro disponibile
• Difficile da riciclare

Oggi nanomateriali insieme a nanotecnologia sta rivoluzionando i modi in cui vengono fabbricati i vari prodotti. Nominare un nanomateriale organico naturale?