¿Qué es el nanomaterial?

Introducción: el concepto de nano es 1959, y el Premio Nobel fue presentado por Richard Feynman en un discurso. En su discurso "Hay mucho espacio en la parte inferior", mencionó que los humanos pueden hacer máquinas más pequeñas que su tamaño con máquinas macroscópicas, y esta máquina más pequeña puede hacer máquinas más pequeñas, logrando así la escala molecular paso a paso. Es decir, el equipo de producción se reduce paso a paso, y finalmente los átomos se ordenan directamente de acuerdo con los deseos, y se fabrican los productos. Él predijo que la química se convertiría en un problema técnico para colocar átomos con precisión uno por uno de acuerdo con los deseos de los seres humanos. Esta es la idea más temprana con los conceptos modernos de nano. A fines de la década de 1980 y principios de la década de 1990, una herramienta importante para caracterizar escalas nanométricas, microscopía de túnel de barrido (STM) y microscopía de fuerza atómica (AFM), una herramienta directa para comprender materiales a nanoescala y nanomundo, ha facilitado enormemente en la escala de comprensión estructura de la materia y la relación entre estructura y naturaleza, surgió la terminología nanotecnológica y se formó la nanotecnología.
De hecho, nano es solo una unidad de longitud, 1 nanómetro (nm) = 10 y negativo 3 veces micrón cuadrado = 10 y negativo sexto milímetro de potencia (mm) = 10 y menos 9 veces metros cuadrados (m) = 10A. Nanociencia y Tecnología (Nano-ST) es una ciencia y tecnología que estudia las leyes y las interacciones de los sistemas que consisten en sustancias entre 1 a 100 nm de tamaño y posibles problemas técnicos en aplicaciones prácticas.

Características del material de 1 nanómetro

Nano es una unidad de medida, 1 nm es una millonésima parte de un milímetro, es decir, 1 nanómetro, es decir, una billonésima parte de un metro, y un átomo es de aproximadamente 0 1 nm. Los nanomateriales son un nuevo tipo de material sólido ultrafino compuesto de nanopartículas, que tienen un tamaño de 1 a 100 nm. La nanotecnología es el estudio y estudio de sustancias y materiales en pequeñas estructuras por debajo de 100 nm, es decir, la ciencia y la tecnología de hacer sustancias con un solo átomo o molécula.
Las nanopartículas son grupos atómicos o grupos de moléculas que consisten en un pequeño número de átomos y moléculas. La superficie de una gran proporción es originalmente una capa amorfa sin procedimientos largos ni procedimientos cortos: dentro de las partículas, hay una capa bien cristalizada. Atomos dispuestos periódicamente, pero su estructura es diferente de la estructura de programa completamente larga de la muestra de cristal. Es esta estructura especial de nanopartículas la que conduce a los efectos superficiales singulares, los efectos de tamaño pequeño, los efectos de tamaño cuántico, los efectos de túnel cuántico de las nanopartículas y, por lo tanto, las propiedades físicas y químicas de muchos nanomateriales diferentes de los materiales convencionales.

1.1 Efectos de superficie e interfaz

El efecto superficial del nanomaterial, es decir, la relación del número atómico al número atómico total de la nanopartícula aumenta con la disminución del tamaño de la nanopartícula, y la energía superficial y la tensión superficial de la partícula también aumentan, lo que provoca el cambio de las propiedades del nanómetro. Por ejemplo, el área de superficie específica de SiC con un tamaño de partícula de 5 nm es tan alta como 300/12 / g; mientras que el área superficial del óxido de nano-estaño varía más con el tamaño de partícula, y el área superficial específica a 10 lltlfl es 90.3 m2 / g, en comparación con 5 nm. El área superficial aumentó a 181 m2 / g, y cuando el tamaño de partícula fue inferior a 2 nm, el área superficial específica saltó a 450 m2 / g. Un área de superficie específica tan grande aumenta en gran medida el número de átomos en la superficie. El entorno del campo de cristal y la energía de enlace de estos átomos atacantes son diferentes de los de los átomos internos. Hay una gran cantidad de defectos y muchos enlaces colgantes, que tienen altas propiedades insaturadas, lo que hace que estos átomos sean fáciles de combinar con otros átomos. Es estable y tiene una alta reactividad química.
Además, la energía superficial de las nanopartículas altamente activadas también es alta, y el área superficial específica y el área superficial pueden hacer que las nanopartículas tengan una fuerte reactividad química. Por ejemplo, las nanopartículas de metal pueden arder en el aire. Algunas nanopartículas de óxido están expuestas a la atmósfera y adsorben gases y reaccionan con gases. Además, los nanomateriales tienen nuevas propiedades ópticas y eléctricas debido a la malformación original de la superficie de las nanopartículas, lo que también provoca cambios en la conformación del espín de la superficie y el potencial de energía de los electrones. Por ejemplo, algunas nanopartículas de óxido y nitruro tienen un buen efecto de absorción y emisión en los rayos infrarrojos y tienen un buen efecto de protección en los rayos ultravioleta.

1.2 efecto de tamaño pequeño

Cuando el tamaño de las partículas ultrafinas es igual o menor que el tamaño de la característica física, como la longitud de onda de la onda de luz, la longitud de onda de De Broglie y la longitud de coherencia o profundidad de transmisión del estado superconductor, las condiciones límite periódicas serán destruido, sonido, luz, electromagnética, termodinámica, etc. Las características presentarán un nuevo efecto de tamaño. Por ejemplo, la absorción de luz aumenta significativamente y produce un desplazamiento de frecuencia de resonancia de plasmón del pico de absorción; el estado magnético ordenado está en un estado magnético desordenado, y la fase superconductora se convierte en una fase normal; El espectro de fonones ha cambiado. Estos efectos de tamaño pequeño de las nanopartículas son prácticos
Nuevas áreas ampliadas. Por ejemplo, la plata tiene un punto de fusión de 900 ° C, y el punto de fusión de la nano-plata se puede reducir a 100 ° C, lo que proporciona un nuevo proceso para la industria de la metalurgia de polvos. Al utilizar las propiedades del cambio de tamaño de partícula de la frecuencia de resonancia de plasmón, el desplazamiento del borde de absorción se puede controlar cambiando el tamaño de partícula, y se puede fabricar un nano material de absorción de microondas que tenga un cierto ancho de banda para el blindaje de ondas electromagnéticas, el avión invisible y me gusta.

1. 3 efecto de tamaño cuántico

Cuando el tamaño de partícula cae a un cierto valor, el nivel de energía de electrones cerca del nivel de Fermi cambia de nivel de energía casi continuo a discreto. La relación es:
Donde: £ es el espacio de nivel de energía; E es el nivel de Fermi; N es el número total de electrones. Los objetos macroscópicos contienen un número infinito de átomos (es decir, el número de electrones contenidos, N), entonces 0, es decir, el espaciado del nivel de energía de partículas grandes u objetos macroscópicos es casi cero; mientras que las nanopartículas contienen un número limitado de átomos, y el valor de N es pequeño, lo que resulta en una cierta división del valor del nivel de energía. El espectro de energía electrónica de un metal a granel es una banda de energía casi continua. Cuando el espaciamiento del nivel de energía es mayor que la energía térmica, la energía magnética, la energía magnetostática, la energía electrostática, la energía fotónica o la energía condensada superconductora, se debe considerar el efecto cuántico, que conduce a la nanopartícula. Las propiedades magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas, eléctricas y superconductoras son significativamente diferentes de las propiedades macroscópicas, conocidas como efectos de tamaño cuántico.

1.4 Características físicas

Los efectos físicos de los nanomateriales incluyen propiedades magnéticas y ópticas.
El diámetro del nanomaterial es pequeño, y el material está compuesto principalmente por enlaces iónicos y enlaces covalentes. En comparación con los cristales, se mejora la capacidad de absorción de la luz, mostrando las características de la banda de frecuencia amplia, absorción fuerte y baja reflectancia. Por ejemplo, aunque varios metales de bloque tienen colores diferentes, todos los metales aparecen negros cuando se refinan en partículas de tamaño nano; algunos objetos también exhiben nuevos fenómenos de luminiscencia, como el silicio mismo, que no ilumina, sin embargo, el nano-silicio tiene un fenómeno de luminiscencia.
Debido al pequeño diámetro de los nanomateriales, los átomos y las moléculas están más expuestos, las filas magnéticas son más aleatorias y más irregulares y, por lo tanto, los nanomateriales son superparamagnéticos.

1.5 características químicas

Los efectos químicos de los nanomateriales incluyen adsorción y catálisis.
Los nanomateriales tienen una gran superficie específica. Hace que tenga propiedades de adsorción más fuertes para otras sustancias.
Los nanomateriales se pueden usar como catalizadores de alta educación. Debido al pequeño tamaño de las nanopartículas, el porcentaje de volumen de la superficie es grande, el estado de enlace y el estado electrónico de la superficie son diferentes del interior de las partículas, y la coordinación atómica de la superficie es incompleta, lo que conduce a un aumento en la posición activa de la superficie, lo que hace que tenga las condiciones básicas como catalizador. . Hay tres aspectos principales del papel de los nanomateriales como catalizadores:
(1) cambiar la velocidad de reacción y mejorar la eficiencia de la reacción;
(2) Determine la ruta de reacción y tenga una excelente selectividad, como hidrogenación y deshidrogenación solamente, sin descomposición por hidrogenación y deshidratación;
(3) Baje la temperatura de reacción. Por ejemplo, un catalizador preparado usando partículas ultrafinas de aleación de Ni y Cu-mon que tienen un diámetro de partícula de menos de 0.3 nm como componente principal puede hacer que la eficiencia de hidrogenación de la materia orgánica sea 10 veces mayor que la de un catalizador de níquel convencional; Polvo PL ultrafino y polvo de WC. Es un catalizador de hidrogenación altamente eficiente; Fe, Ni y Fe02 ultrafino, el cuerpo sinterizado de luz mixta puede reemplazar el metal precioso como agente purificador de gases de escape de automóviles; El polvo de agosto ultrafino se puede utilizar como catalizador para la oxidación de acetileno.

2. Preparación de materiales nanométricos.

Hay muchas formas de preparar nanomateriales. Según si hay una reacción química obvia durante el proceso de preparación, se puede dividir en métodos de preparación física y métodos de preparación química. Los métodos de preparación física incluyen un método de molienda mecánica, un método de impacto en seco, un método de mezcla y un método de evaporación a alta temperatura; y el método de preparación química incluye un método sol-gel, un método de precipitación y un método de evaporación de solvente.

3. Aplicación de materiales nanométricos en el campo textil.

Es precisamente por estas propiedades peculiares de las nanopartículas que sienta las bases para su amplia aplicación. Por ejemplo, las nanopartículas tienen resistencia especial a los rayos UV, absorción de luz visible y rayos infrarrojos, antienvejecimiento, alta resistencia y tenacidad, buenos efectos de protección eléctrica y electrostática, fuerte función de desodorización antibacteriana y capacidad de adsorción, y similares. Por lo tanto, al combinar nanopartículas que tienen estas funciones especiales con materias primas textiles, es posible fabricar nuevas materias primas textiles, nano-pastas y mejorar las funciones de los tejidos.

3.1 fibra anti-ultravioleta, anti-sol y anti-envejecimiento

La llamada fibra anti-ultravioleta se refiere a la fibra que tiene fuertes propiedades de absorción y reflexión a la luz ultravioleta. El principio de preparación y procesamiento es generalmente agregar material de protección ultravioleta a la fibra que se mezclará y tratará para mejorar la absorción y la reflexión de los rayos ultravioleta por la fibra. capacidad. Las sustancias que pueden bloquear los rayos ultravioleta aquí se refieren a dos tipos, es decir, sustancias que reflejan los rayos ultravioleta, que habitualmente se llaman agentes de protección ultravioleta, y tienen una fuerte absorción selectiva de los rayos ultravioleta, y pueden realizar la conversión de energía para reducir la cantidad de permeación. del mismo. Sustancia, habitualmente conocida como absorbentes de UV. Los agentes de protección ultravioleta generalmente usan algunos polvos de óxido de metal, y hay muchas variedades de absorbentes de UV en el hogar y en el extranjero. Comúnmente se usan compuestos de salicilato, compuestos de quelato de iones metálicos, benzofenonas y benzotriazoles. . Se agrega una pequeña cantidad de nano-TiO 2 a la fibra sintética utilizando las excelentes características de absorción de luz de las nanopartículas. Debido a que puede proteger una gran cantidad de rayos ultravioleta, las prendas y artículos hechos con los mismos tienen el efecto de bloquear los rayos ultravioleta y tienen un efecto auxiliar en la prevención de enfermedades de la piel y enfermedades de la piel causadas por la absorción ultravioleta.

3.2 fibra antibacteriana

Algunas partículas de metal (como las partículas de nano-plata, partículas de nano-cobre) tienen ciertas propiedades bactericidas, y se combinan con fibra química para producir fibras antibacterianas, que tienen un efecto antibacteriano más fuerte y más lavabilidad que las telas antibacterianas generales. frecuencia. Por ejemplo, el polvo antibacteriano ultrafino desarrollado por el Centro Nacional de Ingeniería de Polvo Ultrafino puede impartir capacidad antibacteriana a los productos de resina e inhibir diversas bacterias, hongos y mohos. El núcleo del polvo antibacteriano puede ser una nanopartícula de sulfato de bario u óxido de zinc, recubierto con plata como antibacteriano y rodeado de óxido de cobre y silicato de zinc para resistir los hongos. Al agregar 1% de este polvo a la fibra taiwanesa, se puede obtener una fibra antibacteriana que tiene buena capacidad de hilatura.

3.3 fibra infrarroja lejana

Algunos polvos cerámicos a nanoescala (como los cristales únicos de circonia, los polvos cerámicos de iones negativos de oxígeno en el infrarrojo lejano) se dispersan en una solución de hilado fundido y luego se hilan en fibras. Esta fibra puede absorber eficazmente la energía externa e irradiar rayos infrarrojos lejanos que son iguales al espectro biológico del cuerpo humano. Esta onda de radiación infrarroja lejana no solo es fácilmente absorbida por el cuerpo humano, sino que también tiene un fuerte poder de penetración. Puede penetrar profundamente en la piel y causar una resonancia profunda de la piel para producir un efecto de resonancia. Activa las células biológicas, promueve la circulación sanguínea, fortalece el metabolismo y mejora.
Cuidado de la salud como la regeneración de tejidos.

3.4 Nuevos materiales resistentes al desgaste de alta resistencia

El nanomaterial en sí tiene las características de súper fuerte, alta dureza y alta tenacidad. Cuando se integra con fibra química, la fibra química tendrá alta resistencia, alta dureza y alta tenacidad. Por ejemplo, los nanotubos de carbono se usan como aditivos compuestos y tienen grandes perspectivas de desarrollo en materiales textiles aeroespaciales, cordones de neumáticos para automóviles y otros materiales textiles de ingeniería.

3.5 materiales textiles sigilosos

Algunos nanomateriales (como los nanotubos de carbono) tienen buenas propiedades absorbentes y pueden usarse para agregar luz a la fibra textil. Los nanomateriales tienen las características de banda ancha, fuerte absorción y baja reflectividad de las ondas de luz, por lo que las fibras no reflejan la luz. Se utiliza para fabricar telas antirreflectantes especiales (como las telas militares invisibles).

3. 6 fibras antiestáticas

Agregar nanomateriales metálicos o nanomateriales de carbono en el proceso de hilado de fibras químicas puede hacer que los filamentos hilados tengan propiedades antiestáticas y a prueba de microondas. Por ejemplo, los nanotubos de carbono son un excelente conductor eléctrico. Su conductividad es mejor que la del cobre. Se utiliza como un aditivo funcional para dispersarse de manera estable en la solución química de hilado de fibras. Se puede hacer a diferentes concentraciones molares. Fibra y tejido con buena conductividad eléctrica o propiedades antiestáticas.

3.7 fibra anti-electromagnética

Se pueden obtener fibras aislantes de alta dieléctrica agregando nano-SiO 2 a la fibra sintética. En los últimos años, con el desarrollo continuo de la comunicación y los electrodomésticos, el uso de teléfonos móviles, televisores, computadoras, hornos de microondas, etc. se está volviendo cada vez más común. Existen campos electromagnéticos alrededor de todos los equipos y cables eléctricos, y las ondas electromagnéticas están en el corazón humano, los nervios y las mujeres embarazadas. El impacto del feto tiene una conclusión clara. Según los informes, los Estados Unidos, Japón, Corea del Sur y otras prendas de ondas anti-electromagnéticas han sido incluidas en la lista, y la investigación nacional sobre el uso de nanomateriales para preparar fibras de ondas anti-electromagnéticas también está en marcha.

3.8 otras pilas de fibras funcionales

Las diferentes propiedades de los materiales a nanoescala o ultrafinos se utilizan en fibras funcionales individuales. Desarrolle fibras de ultra suspensión usando materiales de alta gravedad específica como el carburo de tungsteno, como "XY-E" de Toray Industries, "July" de Asahi Kasei Corporation y "Pyramidal" de Toyobo Co., Ltd .; y desarrollar fibras opacas usando las propiedades refractivas de Ti02. Unijica de Japón utiliza un método de hilado compuesto de núcleo de vaina. La corteza y la capa central contienen diferentes cantidades de TiO2 para obtener una fibra de poliéster con buena opacidad. La fibra fluorescente se desarrolla utilizando la luminosidad del aluminato de bario y el aluminato de calcio. La compañía química especial fundamental de Japón ha desarrollado un material de almacenamiento ligero con aluminato de bario y aluminato de calcio como componentes principales, y el tiempo de descanso puede alcanzar más de 10 h; En algunas sales dobles de metal, los compuestos de metal de transición sufren transformación cristalina debido a los cambios de temperatura. O el cambio de color de la geometría del ligando o la cristalización del agua "agua", el uso de sus características termocrómicas reversibles para desarrollar fibras que cambian de color; Mitsubishi Rayon Company utiliza la adición de carbonato de calcio coloidal en el poliéster para hacer huecos. Las fibras se tratan con reducción de álcali para formar microporos en las fibras, y las fibras tienen buenas propiedades higroscópicas.

4. Conclusión

La ciencia de nanomateriales es un nuevo punto de crecimiento de disciplina que emerge de la intersección de la física atómica, física de la materia condensada, química coloidal, química sólida, química de coordinación, cinética de reacción química, ciencia de superficie e interfaz. Hay muchos procesos desconocidos y nuevos fenómenos involucrados en los nanomateriales, que son difíciles de explicar con la teoría tradicional de la química física. En cierto sentido, el avance de la investigación de nanomateriales empujará muchas disciplinas en el campo de la física y la química a un nuevo nivel. En los últimos años, al agregar ciertos polvos de material inorgánico ultrafino o nanoescala al polímero formador de fibras de Taiwán, se ha convertido en un método popular de fabricación de fibra funcional, como la fibra de infrarrojo lejano y antidesgaste, al girar para obtener fibras que tienen Una cierta función especial. Fibras ultravioletas, fibras magnéticas, fibras superpuestas, fibras fluorescentes, fibras que cambian de color, fibras antiestáticas, fibras conductoras y fibras altamente higroscópicas. Con el progreso continuo en la síntesis de nanomateriales y la mejora de las teorías básicas, los nanomateriales se desarrollarán más rápidamente y la aplicación cubrirá muchos campos en el mundo.

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