Was sind Nanomaterialien - Klassifikation und ihre Eigenschaften

Es wurde beobachtet, dass sich die Quanteneigenschaften des Materials im Nanobereich unterscheiden können. Material, das sich auf molekularer Ebene als Isolator verhält, kann die Eigenschaften des Leiters auf nanoskaliger Ebene ausdrücken. Die Nanotechnologie hat sich als Forschungsmethode herausgestellt, die sich mit der Untersuchung der Änderung der Materialeigenschaften im Nanobereich befasst. Es beinhaltet das kombinatorische Studium verschiedener Wissenschaften wie Quantenphysik, Halbleiterphysik, Material Herstellung usw. auf nanoskaliger Ebene. Materialien, die nach den Prinzipien und Methoden der Nanotechnologie hergestellt wurden und deren Eigenschaften zwischen denen makroskopischer Festkörper und atomarer Systeme liegen, werden als Nanomaterialien bezeichnet.

Was sind Nanomaterialien?

Der Begriff Nanoskala bezieht sich auf die Dimension 10^-9Meter. Es ist der einmilliardste Teil eines Meters. Daher werden die Partikel, deren Außenabmessungen oder Innenstrukturabmessungen oder Oberflächenstrukturabmessungen im Bereich von 1 nm bis 100 nm liegen, als Nanomaterialien betrachtet.

Diese Materialien sind für das bloße Auge unsichtbar. Der materialwissenschaftlich fundierte Ansatz der Nanotechnologie wird für Nanomaterialien berücksichtigt. In dieser Größenordnung weisen diese Materialien im Vergleich zu ihrem Verhalten im molekularen Maßstab einzigartige optische, elektronische, mechanische und Quanteneigenschaften auf.

Ein Nanomaterial kann ein Nanoobjekt oder ein nanostrukturiertes Material sein. Nao-Objekte sind die diskreten Materialstücke, andererseits haben nanostrukturierte Materialien ihre innere oder Oberflächenstruktur in der nanoskaligen Dimension.

Nanomaterialien können von natürlicher Existenz sein, künstlich hergestellt oder zufällig geformt werden. Mit dem Fortschritt in der Forschung werden Nanomaterialien kommerzialisiert und als Rohstoffe verwendet.

Eigenschaften von Nanomaterialien

Eine drastische Veränderung in der Eigenschaften von Nanomaterialien kann beobachtet werden, wenn sie auf nanoskalige Ebene zerfallen. Wenn wir uns von der molekularen Ebene der nanoskaligen Ebene nähern, werden die elektronischen Eigenschaften von Materialien aufgrund des Quantengrößeneffekts verändert. Eine Änderung der mechanischen, thermischen und katalytischen Eigenschaften der Materialien kann mit der Zunahme des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen im Nanobereich beobachtet werden.

Viele der Isolatormaterialien verhalten sich in ihren nanoskaligen Dimensionen wie Leiter. In ähnlicher Weise können beim Erreichen der nanoskaligen Dimensionen viele interessante Quanten- und Oberflächenphänomene beobachtet werden.

Partikelgröße, Form, chemische Zusammensetzung, Kristallstruktur, physikalisch-chemische Stabilität, Oberfläche und Oberflächenenergie usw. sind auf die physikochemischen Eigenschaften der Nanomaterialien zurückzuführen. Mit zunehmendem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Nanomaterialien wird ihre Oberfläche für sich selbst und andere Systeme reaktiver. Die Größe der Nanomaterialien spielt eine wichtige Rolle für ihr pharmakologisches Verhalten. Wenn Nanomaterialien mit Wasser oder anderen Dispersionsmedien interagieren, können sie ihre Kristallstruktur neu ordnen. Die Größe, Zusammensetzung und Oberflächenladung der Nanomaterialien beeinflussen ihre Aggregationszustände. Die magnetischen, physikochemischen und psychokinetischen Eigenschaften dieser Materialien werden durch die Oberflächenbeschichtung beeinflusst. Diese Materialien produzieren ROS, wenn ihre Oberfläche mit Sauerstoff, Ozon und Übergangsmaterialien reagiert.

Auf nanoskaliger Ebene ist die Wechselwirkung zwischen Partikeln entweder auf die Van-der-Waal-Kräfte oder auf starke polare oder kovalente Bindungen zurückzuführen. Die Oberflächeneigenschaften der Nanomaterialien und ihre Wechselwirkungen mit anderen Elementen und Umgebungen können durch die Verwendung von Polyelektrolyten verändert werden.

Beispiele

Nanomaterialien können entweder als zufällige Nanomaterialien, zufällig oder von natürlicher Existenz gefunden werden. Technische Nanomaterialien werden vom Menschen mit einigen gewünschten Eigenschaften hergestellt. Dazu gehören Ruß- und Titandioxid-Nanomaterialien. Die Nanopartikel werden auch aufgrund mechanischer oder industrieller Prozesse wie bei Fahrzeugabgasen, Schweißrauch, Kochen und Kraftstoffheizung hergestellt. Übrigens hergestellte atmosphärische Nanomaterialien werden auch als ultrafeine Partikel bezeichnet. Fullerene sind das Nanomaterial, das beim Verbrennen von Biomasse, Kerze, entsteht.

Nanoröhre

Natürliche vorhandene Nanomaterialien entstehen durch viele natürliche Prozesse wie Waldbrände, Vulkanasche, Ozeanspray, Verwitterung von Metallen usw. Einige der Beispiele für Nanomaterialien In biologischen Systemen sind die Struktur von Wachskristallen, die Lotus bedecken, die Struktur von Viren, Spinnmilbenseide, der blaue Farbton von Tarantelspinnen und Schmetterlingsflügelschuppen vorhanden. Partikel wie Milch, Blut, Horn, Zähne, Haut, Papier, Korallen, Schnäbel, Federn, Knochenmatrix, Baumwolle, Nägel usw. sind rein natürlich vorkommende organische Nanomaterialien. Tone sind das Beispiel für natürlich vorkommendes anorganisches Nanomaterial, da sie durch Kristallwachstum unter verschiedenen chemischen Bedingungen auf der Erdkruste entstehen.

Einstufung

Die Klassifizierung von Nanomaterialien hängt hauptsächlich von der Morphologie und ihrer Struktur ab. Sie werden in zwei Hauptgruppen als konsolidierte Materialien und Nanodispersionen eingeteilt. Konsolidierte Nanomaterialien werden weiter in mehrere Gruppen eingeteilt. Die eindimensionalen nanodispersiven Systeme werden als Nanopulver und Nanopartikel bezeichnet. Hier werden die Nanopartikel weiter klassifiziert als Nanokristalle, Nanocluster, Nanoröhren, Supermoleküle usw.

Für die Nanomaterialien ist die Größe ein wichtiges physikalisches Merkmal. Nanomaterialien werden häufig in Abhängigkeit von der Anzahl ihrer Dimensionen klassifiziert, die unter die Nanoskala fallen. Das Nanomaterial, dessen alle drei Dimensionen nanoskalig sind und bei dem es keinen signifikanten Unterschied zwischen der längsten und der kürzesten Achse gibt, wird als Nanopartikel bezeichnet. Materialien mit ihren zwei Dimensionen im Nanobereich werden als Nanofasern bezeichnet. Hohlnanofasern sind als Nanoröhren und die festen als Nanostäbe bekannt. Materialien mit einer Dimension im Nanobereich werden als Nanoplatten bezeichnet. Nanoplatten mit zwei verschiedenen längeren Dimensionen werden als Nanobänder bezeichnet.

Basierend auf den in den nanostrukturierten Materialien enthaltenen Materiephasen werden sie in Nanokomposit-, Nanoschaum-, nanoporöse und nanokristalline Materialien eingeteilt. Feste Materialien, die mindestens einen physikalisch oder chemisch unterschiedlichen Bereich mit mindestens einem Bereich mit Abmessungen im Nanobereich enthalten, werden als Nanokomposite bezeichnet. Nanoschäume enthalten eine flüssige oder feste Matrix, die mit einer gasförmigen Phase gefüllt ist, und eine der beiden Phasen hat Dimensionen im Nanobereich.

Feste Materialien mit Nanoporen, Hohlräume mit Abmessungen im Nanobereich gelten als nanoporöse Materialien. Nanokristalline Materialien haben Kristallkörner im Nanobereich.

Anwendungen von Nanomaterialien

Heute werden Nanomaterialien stark kommerzialisiert. Einige der kommerziellen Nanomaterialien, die auf dem Markt erhältlich sind, sind Kosmetika, spannungsbeständige Textilien, Elektronik, Sonnenschutzmittel, Farben usw. Nanobeschichtungen und Nanokomposite werden in verschiedenen Konsumgütern wie Sportgeräten, Fenstern, Automobilen usw. verwendet, um den Schaden zu schützen Aufgrund von Getränken aus dem Sonnenlicht werden Glasflaschen mit einer Nanobeschichtung versehen, die die UV-Strahlen blockiert. Aus Nano-Ton-Verbundwerkstoffen werden langlebigere Tennisbälle hergestellt. Nanoskaliges Siliciumdioxid wird als Füllstoff in Zahnfüllungen verwendet.

Die optischen Eigenschaften der Nanomaterialien werden verwendet, um optische Detektoren, Sensoren, Laser, Displays und Solarzellen zu bilden. Diese Eigenschaft wird auch in der Biomedizin und Photoelektrochemie verwendet. In mikrobiellen Brennstoffzellen bestehen die Elektroden aus Kohlenstoffnanoröhren. Nanokristallines Zinkselenid wird in den Bildschirmen verwendet, um die Auflösung der Pixel zu erhöhen, die hochauflösende Fernsehgeräte und PCs bilden. In der mikroelektronischen Industrie wird die Miniaturisierung von Schaltungen wie Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren hervorgehoben.

Nanodrähte werden zur Bildung von Verbindungsstellen verwendet Transistoren . Nanomaterialien werden auch als Katalysatoren in Autokatalysatoren und Stromerzeugungssystemen verwendet, um mit giftigen Gasen wie Kohlenmonoxid und Stickoxiden zu reagieren und so die durch sie verursachte Umweltverschmutzung zu verhindern. Zur Erhöhung des Sonnenschutzfaktors (SPF) in den Sonnenschutzmitteln wird Nano-TiO2 verwendet. Um den Sensoren eine hochaktive Oberfläche zu verleihen, werden konstruierte Nanoschichten verwendet.

Fullerene werden bei Krebs zur Behandlung von Krebszellen wie Melanomen eingesetzt. Diese haben auch Verwendung als lichtaktivierte antimikrobielle Mittel gefunden. Quantenpunkte, Nanodrähte und Nanostäbe haben sich aufgrund ihrer optischen und elektrischen Eigenschaften stark für die Optoelektronik entschieden. Nanomaterialien werden für Anwendungen in den Bereichen Tissue Engineering, Arzneimittelabgabe und Biosensoren getestet. Nanozyme sind die künstlichen Enzyme, die zur Biosensorik, Bioimaging und Tumordetektion verwendet werden.

Vor- und Nachteile von Nanomaterialien

Die elektrischen, magnetischen, optischen und mechanischen Eigenschaften der Nanomaterialien haben viele faszinierende Anwendungen geliefert. Über diese Eigenschaften wird noch geforscht. Die Eigenschaften der Nanomaterialien unterscheiden sich von denen des Bulk-Size-Modells. Einige der Vorteile der Nanomaterialien sind folgende:

• Nanomaterial Halbleiter q-Teilchen zeigen Quantenbeschränkungseffekte, wodurch sie die Lumineszenzeigenschaft erhalten.
• Im Vergleich zu grobkörnigen Keramiken sind nanophasige Keramiken bei erhöhten Temperaturen duktiler.
• Die Kaltschweißeigenschaft der nanoskaligen Metallpulver zusammen mit ihrer Duktilität ist für die Metall-Metall-Bindung sehr nützlich.
• Einzelne magnetische Partikel mit Nanogröße bieten eine Superparamagnetismus-Eigenschaft.
• Nanostrukturierte Metallcluster mit monometallischer Zusammensetzung wirken als Vorläufer für heterogene Katalysatoren.
• Bei Solarzellen bilden nanokristalline Siliziumfilme einen hochtransparenten Kontakt.
• Nanostrukturierte poröse Titanoxidfilme bieten eine hohe Transmission und eine Verbesserung der Oberfläche.
• Herausforderungen für die mikroelektronische Industrie bei der Miniaturisierung der Schaltkreise wie schlechte Wärmeableitung durch Hochgeschwindigkeit Mikroprozessoren Eine schlechte Zuverlässigkeit kann mit Hilfe von nanokristallinen Materialien überwunden werden. Diese bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Haltbarkeit und langlebige Verbindungen.

Es gibt auch einige technologische Nachteile bei der Verwendung von Nanomaterialien. Einige dieser Nachteile sind wie folgt:

• Instabilität der Nanomaterialien.
• Schlechte Korrosionsbeständigkeit.
• Hohe Löslichkeit.
• Wenn die Nanomaterialien mit der großen Oberfläche in direkten Kontakt mit Sauerstoff kommen, findet eine exotherme Verbrennung statt, die zu einer Explosion führt.
• Verunreinigung
• Nanomaterialien gelten als biologisch schädlich. Diese haben eine hohe Toxizität, die zu Reizungen führen kann.
• Krebserregend
• Schwer zu synthetisieren
• Keine sichere Entsorgung möglich
• Schwer zu recyceln

Heute Nanomaterialien zusammen mit Nanotechnologie revolutioniert die Art und Weise, wie verschiedene Produkte hergestellt werden. Nennen Sie ein organisches natürlich vorkommendes Nanomaterial?