Синтетически полученные наночастицы играют важную роль в нанотехнологиях . Они являются основой для многих приложений, которые в настоящее время используются в больших масштабах, и имеют большой потенциал в разработке новых материалов.
Разнообразие синтетических наночастиц значительно. Они отличаются по своим свойствам. В дополнение к их размеру, синтетические наночастицы различаются по химическому составу, форме, характеристикам поверхности и способу производства.
Существует множество способов классификации наночастиц: натуральный или искусственный? Синтетически произведенные или побочные продукты? Органический или неорганический? По размеру, формы, свойством поверхности, или функционализации.
Наночастицы являются не только продуктом современных технологий, но также создаются естественными процессами, такими как извержения вулканов или лесные пожары. Встречающиеся в природе наночастицы также включают ультратонкие песчинки минерального происхождения (например, оксиды, карбонаты).
В дополнение к коммерчески производимым наноматериалам многие наночастицы непреднамеренно образуются в результате сгорания дизельного топлива (ультрадисперсных частиц) или во время приготовления барбекю.
Синтетические наночастицы находят применение во многих приложениях. Это включает дисперсии в газах (например, в виде аэрозолей), в виде ультрадисперсного порошка, для пленок, распределенных во флюидах (диспергированных, например, в феррофлюиде) или встроенных в твердое тело (нанокомпозиты).
Определение
Термин « наночастица» представляет собой смесь слов «нанос» (по-гречески «карлик») и «частицы» (по-латыни «частица»). В научном контексте «нано» прежде всего относится к определенному порядку величины, а именно 10 -9 в метрической системе.
Это может относиться к объему, весу или единице времени, когда нанометр (нм = 10 -9 метров) соответствует одной миллионной миллиметра. Чтобы проиллюстрировать это более наглядно, нанометр имеет такое же отношение к метру, как диаметр фундука к диаметру Земли.
Вы также часто встречаете термин нанокластер . Это небольшие агломераты атомов и молекул, состоящие из нескольких тысяч единиц и имеющие диаметр в основном в масштабе одного нанометра.
Название наночастицы часто используется, когда речь идет о более крупных кластерах диаметром от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров, но различие между кластером и наночастицей не является четко определенным.
В рамках нанотехнологии термин «нано» относится почти исключительно к длине частиц. Это означает, что те объекты, которые простираются в двух измерениях от 1 до нескольких 100 нм, обозначаются как наночастицы. Это, однако, также включает в себя нитевидные объекты, такие как нанотрубки
Применение наночастиц
Области применения наночастиц очень широки. Они играют важную роль в разработке материалов. Большие надежды, которые мы возлагаем на современные материалы, содержащие наночастицы, основаны на надежде на то, что различные свойства материала, такие как проводимость, вес, стабильность, гибкость, термостойкость и т. д., Можно задавать независимо друг от друга.
Многочисленные нанотехнологические продукты появились на рынке с недавних пор. В химическом секторе это включает сажу (частицы сажи), например, в черной печати. В автомобильном секторе это краски, устойчивые к царапинам, наполнитель в шинах и антибликовое покрытие.
В повседневной жизни наночастицы используются для биочипов, а также для так называемых маркеров.
Они также используются в солнцезащитных и косметических продуктах. В медицинской диагностике наночастицы все чаще используются в качестве контрастных веществ, они также являются инструментом в лечении рака.
Наночастицы также были представлены на рынке в красках, полимернанокомпозитах и нанопигментах.
Существуют концепции и прототипы для регенеративной медицины (например, в тканевых культурах), высокоэффективных систем хранения водорода, самовосстанавливающихся материалов и покрытий, которые меняют свой цвет с помощью сенсорной технологии.
Кроме того, в настоящее время предпринимаются усилия по разработке продуктов для лечения заболеваний и оказания влияния на контролируемое производство лекарств.
Нанометр (нм) составляет одну миллионную часть метра. Для сравнения, эритроцит имеет ширину около 7000 нм, а молекула воды - почти 0,3 нм.
Чтобы увидеть, где «нано» соответствует масштабу вещей, посмотрите на Млечный путь на расстоянии 10 миллионов световых лет от Земли. Затем двигайтесь в пространстве к Земле последовательно, на несколько порядков, пока не достигнете высокого дуба.
После этого начните двигаться от фактического размера листа в микроскопический мир, который раскрывает клеточные стенки листьев, ядро клетки, хроматин, ДНК и, наконец, в субатомную вселенную электронов и протонов.
Людей интересует наноразмер - который мы определяем как размер от 100 нм до размера атомов (примерно 0,2 нм) - потому что именно в этом масштабе свойства материалов могут сильно отличаться от свойств в более широком масштабе.
Мы определяем нанонауку как изучение явлений и манипуляций с материалами на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, где свойства значительно отличаются от свойств в более широком масштабе. Нанотехнологии это как характеристика, производство и применение структур, устройств и систем, контролируя форму и размер в нанометровом масштабе.
Нанонаука и нанотехнологии не новы
В некоторых смыслах нанонаука и нанотехнологии не новы. Химики создавали полимеры, которые представляют собой большие молекулы, состоящие из наноразмерных субъединиц, на протяжении многих десятилетий, и нанотехнологии использовались для создания крошечных элементов на компьютерных чипах в течение последних 20 лет.
Тем не менее, достижения в инструментах, которые теперь позволяют атомы и молекулы исследовать с большой точностью, сделали возможным развитие нанонауки и нанотехнологий.
Начало нанотехнологии как науки, начиная с классической лекции Ричарда Фейнмана в декабре 1959 года.
Свойства материалов часто резко меняются при использовании нано ингредиентов. Композиты, изготовленные из частиц наноразмерной керамики или металлов размером менее 100 нанометров, могут внезапно стать намного прочнее, чем существующие модели материаловедения.
Например, металлы с так называемым размером атомов около 10 нанометров в семь раз тверже и прочнее, чем их обычные аналоги с размерами атомов в сотни нанометров.
Причины этих радикальных изменений происходят из удивительного мира квантовой физики. Объемные свойства любого материала - это просто среднее значение всех квантовых сил, действующих на все атомы. По мере того, как вы создаёте предметы все меньше и меньше, вы в конечном итоге достигаете точки, когда усреднение больше не работает.
Свойства материалов на наноуровне могут различаться по двум основным причинам:
Во-первых, наноматериалы имеют относительно большую площадь поверхности по сравнению с той же массой материала, произведенного в более крупной форме. Это может сделать материалы более химически реактивными (в некоторых случаях материалы, которые являются инертными в их более крупной форме, являются реактивными при производстве в их наноразмерной форме), и влияют на их прочность или электрические свойства.
Во-вторых, квантовые эффекты могут начать доминировать в поведении вещества на наноуровне, особенно на нижнем уровне, влияя на оптическое, электрическое и магнитное свойства материалов.
Могут быть получены материалы, которые являются наноразмерными в одном измерении (например, нанопроволоки, наностержни и нанотрубки ), в двух измерениях (пластинчатые формы, такие как нанопокрытия, нанослои и графен ) или во всех трех измерениях (например, наночастицы).
