Es va observar que les propietats quàntiques del material poden diferir a escala nanomètrica. El material que es comporta com a aïllant a nivell molecular pot expressar les propietats del conductor quan es mira el seu nivell a nanoescala. La nanotecnologia ha sorgit com la metodologia de recerca que s’ocupa de l’estudi del canvi en les propietats del material a nanoescala. Implica l’estudi combinacional de diverses ciències com la física quàntica, la física dels semiconductors i el material fabricació , etc. a nivell de nanoescala. Els materials formats mitjançant els principis i mètodes de la nanotecnologia, les propietats dels quals es troben entre els sòlids macroscòpics i els sistemes atòmics, es coneixen com a nanomaterials.
Què són els nanomaterials?
El terme nanoescala fa referència a la dimensió de 10-9metres. És la mil·lèsima part del metre. Per tant, les partícules que tenen alguna de les dimensions externes o de la dimensió de l’estructura interna o de la dimensió de l’estructura superficial es troben entre 1nm i 100nm es consideren com a nanomaterials.
Aquests materials són invisibles a simple vista. Es considera l'enfocament de la nanotecnologia basat en la ciència dels materials per als nanomaterials. A aquesta escala, aquests materials tenen propietats òptiques, electròniques, mecàniques i quàntiques úniques en comparació amb el seu comportament a escala molecular.
Un nanomaterial pot ser un nano objecte o un material nanoestructurat. Els objectes Nao són les peces discretes de material; en canvi, els materials nanoestructurats tenen la seva estructura interna o superficial en la dimensió nanoescala.
Els nanomaterials poden ser d’existència natural, fabricats artificialment o formats incidentalment. Amb l’avanç de la investigació, els nanomaterials s’estan comercialitzant i s’utilitzen com a productes bàsics.
Propietats dels nanomaterials
Un canvi dràstic al propietats dels nanomaterials es poden observar quan es descomponen al nivell de nanoescala. A mesura que anem cap al nivell de nanoescala des del nivell molecular, les propietats electròniques dels materials es modifiquen a causa de l’efecte de la mida quàntica. Es pot observar un canvi en les propietats mecàniques, tèrmiques i catalítiques dels materials amb l’augment de la relació superfície / volum a nivell nanomètric.
Molts dels materials aïllants comencen a comportar-se com a conductors a les seves dimensions a nanoescala. De la mateixa manera, a mesura que assolim les dimensions a nanoescala es poden observar molts fenòmens quàntics i superficials interessants.
La mida de les partícules, la forma, la composició química, l'estructura cristal·lina, l'estabilitat fisicoquímica, la superfície i l'energia superficial, etc ... s'atribueixen a les propietats fisicoquímiques dels nanomaterials. A mesura que augmenta la relació superfície / volum dels nanomaterials, la seva superfície es torna més reactiva sobre si mateixa i sobre altres sistemes. La mida dels nanomaterials té un paper important en el seu comportament farmacològic. Quan els nanomaterials interactuen amb aigua o altres mitjans de dispersió, poden reordenar la seva estructura cristal·lina. La mida, la composició i la càrrega superficial dels nanomaterials afecten els seus estats d’agregació. Les propietats magnètiques, fisicoquímiques i psicoquinètiques d’aquests materials es veuen afectades pel recobriment superficial. Aquests materials produeixen ROS quan la seva superfície reacciona amb l’oxigen, l’ozó i els materials de transició.
A nivell nanomètric, la interacció entre les partícules es deu a les forces de van der Waal o als forts enllaços polars o covalents. Les propietats superficials dels nanomaterials i les seves interaccions amb altres elements i entorns es poden modificar amb l’ús de polielectròlits.
Exemples
Els nanomaterials es poden trobar com a nanomaterials dissenyats, accessoris o d’existència natural. Els nanomaterials dissenyats són fabricats per humans amb algunes propietats desitjades. Inclouen nanomaterials de negre de carboni i diòxid de titani. Les nanopartícules també es produeixen a causa de processos mecànics o industrials que es produeixen incidentalment, com durant les fuites del vehicle, els vapors de soldadura, la cocció i la calefacció de combustible. Els nanomaterials atmosfèrics produïts per cert també es coneixen com a partícules ultrafines. Els fullerens són el nanomaterial produït a causa de la crema de biomassa, l’espelma.
Nanotub
Els nanomaterials naturals existents es formen a causa de molts processos naturals com incendis forestals, cendres volcàniques, esprai oceànic, meteorització de metalls, etc. exemples de nanomaterials presents en els sistemes biològics són l’estructura dels cristalls de cera que cobreixen el lotus, l’estructura dels virus, la seda dels àcars, el to blau de les aranyes de taràntula i les escates de les ales de les papallones. Les partícules com la llet, la sang, la banya, les dents, la pell, el paper, els coralls, els becs, les plomes, la matriu òssia, el cotó, les ungles, etc. són nanomaterials orgànics naturals. Les argiles són l’exemple del nanomaterial inorgànic natural, ja que es formen a causa del creixement de cristalls en diverses condicions químiques de l’escorça terrestre.
Classificació
La classificació dels nanomaterials depèn principalment de la morfologia i la seva estructura, es classifiquen en dos grans grups com a Materials consolidats i Nanodispersions. Els nanomaterials consolidats es classifiquen a més en diversos grups. Els sistemes dispersius nano unidimensionals s’anomenen nanopols i nanopartícules. Aquí les nanopartícules es classifiquen a més com a nanocristalls, nanoclusters, nanotubs, supermolècules, etc.
Per als nanomaterials, la mida és un atribut físic important. Els nanomaterials sovint es classifiquen en funció del nombre de dimensions que caiguin en nanoescala. El nanomaterial les tres dimensions de les quals són de nanoescala i que no suposa cap diferència significativa entre els eixos més llargs i els més curts, s’anomenen nanopartícules. Els materials amb les seves dues dimensions a nanoescala s’anomenen nanofibres. Les nanofibres buides es coneixen com a nanotubs i les sòlides, com a nanorodes. Els materials amb una dimensió a nanoescala es coneixen com a nanoplates. Les nanoplates amb dues dimensions més llargues diferents es coneixen com a nanoribons.
Basant-se en les fases de la matèria continguda pels materials nanoestructurats, es classifiquen en materials nanocompostos, nanoescumants, nanoporosos i nanocristal·lins. Els materials sòlids que contenen almenys una regió física o químicament diferent amb almenys una regió amb dimensions a nanoescala s’anomenen Nano Composites. Les nanoescumes contenen una matriu líquida o sòlida, plena d’una fase gasosa i una de les dues fases té dimensions a escala nanomètrica.
Els materials sòlids amb nanopors, les cavitats amb dimensions a nanoescala es consideren materials nanoporosos. Els materials nanocristal·lins tenen grans de cristall a escala nanomètrica.
Aplicacions dels nanomaterials
Avui en dia els nanomaterials es comercialitzen molt. Alguns dels nanomaterials comercials disponibles al mercat són cosmètics, tèxtils resistents a la deformació, productes electrònics, protectors solars, pintures, etc. a causa de les begudes provinents de la llum solar, les ampolles de vidre s’estan recobrint amb nano-recobriment que bloqueja els raigs UV. L’ús de compostos nanoargilosos es fabrica pilotes de tennis de més llarga durada. La sílice a nanoescala s’utilitza com a farciment en els farciments dentals.
Les propietats òptiques dels nanomaterials s’utilitzen per formar detectors òptics, sensors, làsers, pantalles i cèl·lules solars. Aquesta propietat també s'utilitza en biomedicina i fotoelectroquímica. A les cèl·lules de combustible microbianes, els elèctrodes estan formats per nanotubs de carboni. El selenur de zinc nanocristal·lí s’utilitza a les pantalles de visualització per augmentar la resolució dels píxels que formen televisors d’alta definició i ordinadors personals. A la indústria microelectrònica, es fa èmfasi en la miniaturització de circuits com transistors, díodes, resistències i condensadors.
S’utilitzen nanocables per formar sense connexions transistors . Els nanomaterials també s’utilitzen com a catalitzadors en convertidors catalítics d’automòbils i sistemes de generació d’energia, per reaccionar amb gasos tòxics com el monòxid de carboni i l’òxid de nitrogen, evitant així la contaminació ambiental causada per aquests. Per augmentar el factor de protecció solar (SPF) dels protectors solars s’utilitza nano-TiO2. Per proporcionar una superfície altament activa als sensors, s’utilitzen nanocapes dissenyades.
Els fullerens s’utilitzen en el càncer per tractar cèl·lules cancerígenes com el melanoma. Aquests també han trobat ús com a agents antimicrobians activats per la llum. A causa de les seves propietats òptiques i elèctriques, els punts quàntics, els cables i els nanorods han optat per l'optoelectrònica. S’estan provant els nanomaterials per a aplicacions en enginyeria de teixits, distribució de fàrmacs i biosensors. Els nanozims són els enzims artificials que s’utilitzen per a la biosensibilitat, la bioimatge i la detecció de tumors.
Avantatges i desavantatges dels nanomaterials
Les propietats elèctriques, magnètiques, òptiques i mecàniques dels nanomaterials han proporcionat moltes aplicacions fascinants. Encara s’està investigant per conèixer aquestes propietats. Les propietats dels nanomaterials difereixen de les del model de mida gran. Alguns dels avantatges dels nanomaterials són els següents:
- Nanomaterial semiconductor Les partícules q mostren efectes de confinament quàntic, donant-los així la propietat de luminescència.
- En comparació amb la ceràmica de gra gruixut, la ceràmica nanofàsica és més dúctil a temperatures elevades.
- La propietat de soldadura en fred dels pols metàl·lics nanosimilitzats juntament amb la seva ductilitat és molt útil per a la unió metall-metall.
- Les partícules magnètiques nanosimples proporcionen una propietat de super paramagnetisme.
- Els cúmuls metàl·lics nanoestructurats de composició monometàl·lica actuen com a precursors de catalitzadors heterogenis.
- Per a les cèl·lules solars, les pel·lícules de silici nanocristal·lí formen un contacte altament transparent.
- Les pel·lícules poroses d’òxid de titani nanoestructurades proporcionen una elevada transmissió i millora de la superfície.
- Desafiaments que afronta la indústria microelectrònica en la miniaturització dels circuits com la mala dissipació de calor generada per l’alta velocitat microprocessadors , la pobra fiabilitat es pot superar amb l'ajut de materials nanocristal·lins. Aquests proporcionen una alta conductivitat tèrmica, alta durabilitat i interconnexions duradores i duradores.
També hi ha alguns desavantatges tecnològics en l’ús de nanomaterials. Alguns d’aquests desavantatges són els següents:
- Inestabilitat dels nanomaterials.
- Poca resistència a la corrosió.
- Alta solubilitat.
- Quan els nanomaterials amb una superfície elevada entren en contacte directe amb l’oxigen es produeix una combustió exotèrmica que provoca una explosió.
- Impuresa
- Es considera que els nanomaterials són biològicament nocius. Aquests tenen una elevada toxicitat que pot provocar irritacions.
- Cancerogènic
- Difícil de sintetitzar
- No hi ha eliminació segura disponible
- Difícil de reciclar
Avui Nanomaterials juntament amb nanotecnologia està revolucionant les formes de fabricació de diversos productes. Posa un nom a un nanomaterial orgànic natural?
