Характеристики наночастиц
Исследователи все еще сталкиваются с проблемой определения физико-химических свойств наночастиц и изучения их структурно-функциональных отношений. Ключевым ограничением является их способность полностью исследовать область наноразмеров: различные методы определения характеристик основаны на разных физических свойствах, поэтому они дают лишь частичную картину характеристик наночастиц. Еще более усложняя ситуацию, сами методы определения характеристик могут напрямую влиять на измеряемые количества наночастиц.
Наночастицы существуют в различных химических составах от мицелл до металлов (оксидов), от синтетических полимеров до крупных биомолекул. Каждый из этих материалов имеет совершенно разные химические свойства, которые можно анализировать различными методами, включая оптическую спектроскопию, рентгеновскую флуоресценцию и поглощение, рамановскую спектроскопию и твердотельный ЯМР.
Однако часто поведение наночастиц в значительной степени определяется их нанометровыми размерами. Таким образом, на протяжении всей характеристики наночастиц исследование размера, формы, поверхностного заряда и пористости является фундаментальным шагом для полного понимания и прогнозирования их поведения.
Решающей особенностью, которая делает наночастицы технически интересными, является их отношение поверхности к объему. Это соотношение увеличивается с уменьшением диаметра частиц. Наночастица состоит из нескольких-нескольких тысяч атомов. Это означает, что значительная часть атомов находится на поверхности частиц.
При диаметре частицы 10 нм 20% из приблизительно 30 000 атомов 4 всей частицы расположены на ее поверхности; при диаметре частиц 5 нм это значение увеличивается до 40% от приблизительно 4000 атомов, а при диаметре 1 нм почти все из приблизительно 30 атомов находятся на поверхности. Поверхностные атомы, в отличие от атомов внутри материала, имеют меньше прямых соседей и поэтому содержат так называемые ненасыщенные связи. Они ответственны за более высокую реакционную способность поверхности частицы.
Повышенная реакционная способность является основой для многочисленных применений. Например, одна идея заключается в том, что точное регулирование диаметра частиц даст новое поколение катализаторов с высокой селективностью. Такие катализаторы будут ускорять только те химические процессы, которые производят целевой продукт из сырья.
Эта высокая реакционная способность также снижает температуру плавления, так что использование наночастиц сырья снижает температуру «обжига» в случае керамики.
Что еще более важно, композиты (твердые вещества, состоящие из различных материалов) будут меньше давать усадку во время процесса закалки, что особенно важно, например, в зубном протезировании.
Даже если поверхность отдельной частицы естественным образом уменьшается вместе с ее диаметром, удельная площадь поверхности порошка увеличивается с уменьшением размера частиц его компонента при условии, что рассматривается такое же количество по массе. Это объясняет, почему наноструктурные материалы интересны для фильтрации и катализа.
Нанопористые материалы имеют большую удельную поверхность, на которую могут наноситься отфильтрованные вещества. Они также обладают высокой реакционной способностью, что способствует адсорбции или их каталитическому эффекту.
Изменение размера наночастиц не только изменяет реакционную способность, но также может изменять оптические характеристики, такие как прозрачность, поглощение, люминесценция и рассеяние.
Хотя частицы диаметром всего несколько нанометров лежат намного ниже диапазона длин волн видимого света (от 380 до 780 нм), они могут поглощать свет с определенной длиной волны.
Эти эффекты могут быть поняты только на уровне квантовой механики. В случае квантовых точек, которые состоят из так называемых полупроводниковых материалов, размер частиц может использоваться, например, для регулировки длины волны флуоресценции. Эти оптические свойства делают наночастицы особенно интересными для применения в оптоэлектронике, косметике и медицинской диагностике.
Важной особенностью магнитного поведения частиц с диаметром в нанометровом диапазоне является то, что они намагничивают постоянные магниты в одном направлении.
Таким образом, наночастицы дают возможность увеличить емкость магнитных устройств хранения данных, которая определяется количеством намагничиваемых элементов.
Наконец, магнитные характеристики наночастиц относительно нечувствительны к колебаниям температуры.
Формы наночастиц
Наночастицы могут иметь различный химический состав. Они могут состоять из металлов, полупроводниковых материалов, соединений, таких как оксиды металлов (неорганические наночастицы) или из углерода или углеродсодержащих соединений, таких как полимеры (органические наночастицы).
В исследовательском и коммерческом секторах синтетические наночастицы часто группируются по следующим категориям в зависимости от их химических и физических характеристик: углерод, оксиды металлов, полупроводники или металлы.
Наночастицы на основе углерода могут быть получены в форме сферических наночастиц (фуллеренов) или цилиндрических нанотрубок. Углеродная сажа используется для описания промышленной сажи, которая целенаправленно синтезируется в контролируемых условиях и определяется физически и химически точно.
Оксиды наноразмерных металлов, такие как диоксид титана (TiO 2 ) и оксид цинка (ZnO), уже широко используются в потребительских товарах, таких как косметика, краски и лаки.
Нанопорошки циркона (ZrO 2 ) и оксида алюминия (Al 2 O 3 ) используются в качестве компонентов в технической керамике для повышения твердости и прочности на разрыв.
Металлические наночастицы в основном находят применение в катализе, тогда как полупроводниковые нанокристаллы используются в лабораторной диагностике и медицинской диагностике на основе их оптических свойств.
Наночастицы могут представлять собой отдельные частицы, агрегаты или агломераты. Агрегаты представляют собой рыхлые, обратимые прикрепления частиц, образованные сильными привлекательными взаимодействиями отдельных частиц. В растворах такие агрегаты могут быть растворены в отдельные наночастицы.
Агломераты, напротив, представляют собой необратимые скопления элементов частиц; они не могут быть разбросаны на отдельные частицы.
Определенные способы получения и модификации поверхности частиц могут быть использованы для контроля образования агрегатов, что обычно желательно для обработки частиц. Более крупные композиты из наночастиц часто имеют характеристики, которые отличаются от таковых у одиночных частиц.
Соответственно, их форма может быть очень неоднородной и принимать различные формы, которые сильно влияют на их характеристики. В зависимости от способа производства и условий производства материалы из наночастиц имеют различные формы и структуры: сферы, иглы или трубки, шарики и волокна.
Изолированные отдельные наночастицы могут быть получены путем специальной модификации их поверхностей. Это может, например, включать химическую обработку, такую как спейсер (лиганд) между частицами, который предотвращает их кластеризацию.
Необработанные металлические наночастицы, как правило, обладают высокой химической активностью и быстро окисляются на воздухе. Во многих применениях это требует соответствующих защитных стратегий для предотвращения разложения необработанных наночастиц во время или после синтеза. Эти способы стабилизации включают покрытие наночастиц, обычно органическими соединениями, такими как поверхностно-активные вещества, углерод и полимеры. В одной из форм стабилизации используется неорганическая оболочка, состоящая из силиката.
Во многих случаях эти защитные оболочки не просто стабилизируют наночастицы: в зависимости от области применения их можно использовать для дальнейшей функционализации, например, с другими наночастицами или с лигандами. Химия поверхности наночастиц может определять их стабилизацию, диспергирование и функционализацию.
Наночастицы находят применение в свободном виде и в нанокомпозитах. Нанокомпозиты относятся к композиционным материалам, в которых, по меньшей мере, один компонент присутствует в форме наночастиц или нанотрубок.
Второй компонент, матрица, часто состоит из полимеров. Композиты являются лучшими материалами для объединения часто уникальных свойств наночастиц с характеристиками композитной матрицы.