ナノマテリアルとは?

はじめに:ナノコンセプトは1959年で、ノーベル賞はリチャードファインマンによって演説で贈られました。彼の「下部には十分な余地がある」スピーチで、人間は巨視的な機械で機械をそのサイズよりも小さくすることができ、この小さな機械はより小さな機械を作ることができるため、段階的に分子スケールを達成できると述べました。つまり、製造設備を段階的に減らし、最終的に原子を直接希望どおりに配置して製品を製造します。化学は人間の希望に応じて原子を一つ一つ正確に配置する技術的な問題になると予測した。これは、最新のnanoコンセプトの最も初期のアイデアです。 1980年代後半から1990年代初頭にかけて、ナノメートルスケールの特性評価、走査型トンネル顕微鏡(STM)、および原子間力顕微鏡(AFM)の重要なツールは、ナノスケールおよびナノワールドの材料を理解するための直接的なツールであり、物質の構造と構造と自然の関係、ナノテクノロジー用語が出現し、ナノテクノロジーが形成されました。
実際、ナノは単なる長さの単位であり、1ナノメートル(nm)= 10および負の3乗ミクロン= 10および負の6乗ミリメートル(mm)= 10およびマイナス9乗平方メートル(m)= l0Aです。ナノサイエンスとテクノロジー(Nano-ST)は、1〜100 nmのサイズの物質からなるシステムの法則と相互作用、および実際のアプリケーションで考えられる技術的な問題を研究する科学技術です。

1ナノメートルの材料特性

ナノは測定の単位であり、1 nmは100万分の1ミリメートル、つまり1ナノメートル、つまり10億分の1メートルであり、原子は約0 1 nmです。ナノ材料は、ナノ粒子で構成される新しいタイプの超微細固体材料であり、サイズは1〜100 nmです。ナノテクノロジーとは、100 nm未満の小さな構造に関する物質と材料の研究と研究、つまり、単一の原子または分子で物質を作成する科学と技術です。
ナノ粒子は、原子グループまたは少数の原子および分子からなる分子のグループです。大きな割合の表面は、元々アモルファスの層であり、長い手順も短い手順もありません。粒子の内部には、十分に結晶化した層があります。周期的に配置された原子ですが、その構造は、結晶サンプルの完全に長いプログラム構造とは異なります。特異な表面効果、小さなサイズの効果、量子サイズの効果、ナノ粒子の量子トンネル効果、そして従来の材料とは異なる多くのナノ材料の物理的および化学的特性につながるのは、このナノ粒子の特殊な構造です。

1.1表面および界面効果

ナノマテリアルの表面効果、つまり、ナノ粒子の全原子数に対する原子の比率は、ナノ粒子のサイズの減少に伴って増加し、粒子の表面エネルギーと表面張力も増加し、これにより変化が生じますナノメートルの特性の。たとえば、粒径が5 nmのSiCの比表面積は300/12 / gにもなります。一方、ナノ酸化スズの表面積は粒子サイズによってさらに異なり、10 lltlflでの比表面積は5 nmと比較して90.3 m2 / gです。表面積は181 m2 / gに増加し、粒子サイズが2 nm未満の場合、比表面積は450 m2 / gに急上昇しました。このような大きな比表面積により、表面の原子数が大幅に増加します。これらの攻撃原子の結晶場環境と結合エネルギーは、内部原子のものとは異なります。多数の欠陥と多くのダングリングボンドがあり、それらは高い不飽和特性を持っているため、これらの原子は他の原子と結合しやすくなっています。安定しており、化学反応性が高い。
さらに、高度に活性化されたナノ粒子の表面エネルギーも高く、比表面積と表面積により、ナノ粒子に強い化学反応性を持たせることができます。たとえば、金属ナノ粒子は空気中で燃焼する可能性があります。一部の酸化物ナノ粒子は大気に曝されてガスを吸着し、ガスと反応します。さらに、ナノ粒子は、ナノ粒子の表面の元の奇形に起因する新しい光学的および電気的特性を備えており、これにより、表面電子スピン構造および電子エネルギーポテンシャルにも変化が生じます。例えば、いくつかの酸化物および窒化物ナノ粒子は、赤外線に対して良好な吸収および放出効果を有し、紫外線に対して良好な遮蔽効果を有する。

1.2小さいサイズの効果

超微粒子のサイズが、光波の波長、ドブロイ波長、超伝導状態のコヒーレンス長または透過深度などの物理的特徴サイズ以下の場合、周期境界条件は次のようになります。破壊、音、光、電磁気、熱力学など。機能は新しいサイズの効果を提示します。たとえば、光の吸収が大幅に増加し、吸収ピークのプラズモン共鳴周波数シフトが生じます。磁気秩序状態は磁気無秩序状態にあり、超伝導相は正常相に変換されます。フォノンスペクトルが変化します。ナノ粒子のこれらの小さなサイズの効果は実用的です
新しいエリアを拡大しました。たとえば、銀の融点は900℃であり、ナノ銀の融点は100℃まで下げることができるため、粉末冶金業界に新しいプロセスが提供されます。プラズモン共鳴周波数の粒子径変化の性質を利用することで、粒子径を変化させることで吸収端の変位を制御でき、電磁波シールドやステルス航空機、お気に入り。

1. 3量子サイズ効果

粒子サイズが特定の値に低下すると、フェルミレベルに近い電子エネルギーレベルは、準連続エネルギーレベルから離散エネルギーレベルに変化します。関係は次のとおりです。
ここで、£はエネルギーレベルの間隔です。 Eはフェルミレベルです。 Nは全電子数です。巨視的オブジェクトには無限の数の原子(つまり、含まれる電子の数N)が含まれているため、0、つまり、大きな粒子または巨視的オブジェクトのエネルギーレベル間隔はほぼゼロです。ナノ粒子は限られた数の原子を含み、Nの値は小さいため、特定の値になります。エネルギーレベルの値は分割されます。バルク金属の電子エネルギースペクトルは、準連続エネルギーバンドです。エネルギー準位の間隔が熱エネルギー、磁気エネルギー、静磁気エネルギー、静電エネルギー、光子エネルギーまたは超伝導凝縮エネルギーよりも大きい場合、量子効果を考慮しなければならず、これがナノ粒子につながります。磁気、光学、音響、熱、電気、超伝導の特性は、量子サイズ効果として知られる巨視的な特性とは大きく異なります。

1.4物理的特性

ナノ材料の物理的影響には、磁気的および光学的特性が含まれます。
ナノ材料の直径は小さく、主にイオン結合と共有結合で構成されています。水晶と比較して、光の吸収能力が高く、広い周波数帯域、強い吸収、低い反射率の特性を示します。たとえば、さまざまなブロック金属の色は異なりますが、ナノサイズの粒子に微細化すると、すべての金属が黒く見えます。一部のオブジェクトは、シリコン自体のように新しい発光現象を示しますが、これは発光しませんが、ナノシリコンには発光現象があります。
ナノ材料の直径が小さいため、原子と分子がより露出し、磁性列はよりランダムで不規則になるため、ナノ材料は超常磁性になります。

1.5化学的特性

ナノ材料の化学的影響には、吸着と触媒作用が含まれます。
ナノ材料は大きな比表面積を持っています。他の物質との吸着力が強くなります。
ナノマテリアルは、高等教育の触媒として使用できます。ナノ粒子のサイズが小さいため、表面の体積パーセンテージが大きく、表面の結合状態および電子状態が粒子の内部とは異なり、表面の原子配位が不完全であり、これにより、表面のアクティブな位置で、触媒としての基本的な状態になります。 。ナノマテリアルの触媒としての役割には、主に3つの側面があります。
(1)反応速度を変えて反応効率を向上させる。
(2)反応経路を決定し、水素化分解および脱水なしで、水素化および脱水素のみのような優れた選択性を有する。
(3)反応温度を下げる。例えば、粒径が0.3nm未満のNiとCu-mon合金の超微粒子を主成分とした触媒は、有機物の水素化効率を従来のニッケル触媒の10倍にすることができる。超微粉PLパウダーとWCパウダー。それは非常に効率的な水素化触媒です。超微細なFe、Ni、Fe02の混合軽質焼結体は、自動車の排気ガス浄化剤としての貴金属を置き換えることができます。 8月の超微細粉末は、アセチレン酸化の触媒として使用できます。

2.ナノメートル材料の準備

ナノ材料を準備するには多くの方法があります。準備過程で明らかな化学反応があるかどうかにより、物理的な準備方法と化学的な準備方法に分けることができます。物理的調製方法には、機械的粉砕法、ドライインパクト法、ブレンディング法、および高温蒸発法が含まれる。また、化学的製法としては、ゾルゲル法、沈殿法、溶媒蒸発法などがある。

3.ナノメートル材料の繊維分野への応用

ナノ粒子のこれらの独特の特性のために、それが幅広い用途の基礎を築いています。例えば、ナノ粒子は、特殊なUV耐性、可視光線と赤外線の吸収、老化防止、高強度と靭性、優れた電気的および静電的シールド効果、強力な抗菌脱臭機能と吸着能力などを備えています。したがって、これらの特殊機能を有するナノ粒子と繊維原料を組み合わせることにより、新たな繊維原料やナノペーストを製造し、繊維機能を向上させることが可能です。

3.1抗紫外線、抗日光、老化防止繊維

いわゆる抗紫外線繊維とは、紫外光に対して強い吸収・反射特性を持つ繊維のことです。準備と処理の原則は、通常、混合および処理するファイバーに紫外線遮蔽材を追加して、ファイバーによる紫外線の吸収と反射を改善することです。能力。ここで、紫外線を遮断できる物質とは、紫外線を反射する物質であり、通例、紫外線遮蔽剤と呼ばれ、紫外線を選択的に強く吸収し、エネルギー変換を行うことで透過量を低減できる物質を指す。その。物質、通例UV吸収剤として知られています。紫外線遮蔽剤は、通常、いくつかの金属酸化物粉末を使用しており、国内外で多くの種類の紫外線吸収剤があります。一般的に使用されるのは、サリチル酸化合物、金属イオンキレート化合物、ベンゾフェノンおよびベンゾトリアゾールです。 。ナノ粒子の優れた光吸収特性を利用して、合成繊維に少量のナノTiO 2を添加しています。紫外線を大量に遮断することができるので、衣類やその製品は紫外線を遮断する効果があり、皮膚病や紫外線吸収による皮膚病の予防に補助的な効果があります。

3.2抗菌繊維

一部の金属粒子(ナノ銀粒子、ナノ銅粒子など)には特定の殺菌特性があり、それらは化学繊維と組み合わされて、一般的な抗菌布よりも強い抗菌効果と洗浄性を持つ抗菌繊維を生成します。周波数。たとえば、国立超微粉エンジニアリングセンターによって開発された超微細抗菌粉末は、樹脂製品に抗菌能力を付与し、さまざまな細菌、真菌、およびカビを抑制することができます。抗菌パウダーのコアは、硫酸バリウムまたは酸化亜鉛のナノ粒子であり、抗菌のために銀でコーティングされ、真菌に抵抗するために酸化銅とケイ酸亜鉛で囲まれています。この粉末の1%を台湾繊維に添加することにより、紡糸性に優れた抗菌性繊維が得られます。

3.3遠赤外線ファイバー

一部のナノスケールセラミック粉末(ジルコニア単結晶、遠赤外線負酸素イオンセラミック粉末など)は、溶融紡糸液に分散され、繊維に紡糸されます。このファイバーは、外部エネルギーを効果的に吸収し、人体の生物学的スペクトルと同じ遠赤外線を放射することができます。この遠赤外線放射波は人体に吸収されやすいだけでなく、強力な透過力があります。皮膚の奥深くまで浸透し、皮膚に深い共鳴を引き起こし、共鳴効果を生み出します。生体細胞を活性化し、血液循環を促進し、代謝を強化し、強化します。
組織再生などのヘルスケア。

3.4高強度の耐摩耗性新素材

ナノ材料自体は、超強力、高硬度、高靭性の特性を持っています。化学繊維と一体化することで、化学繊維は高強度、高硬度、高靭性になります。たとえば、カーボンナノチューブは複合添加剤として使用されており、航空宇宙用繊維材料、自動車用タイヤコード、およびその他のエンジニアリング用繊維材料に大きな発展の見通しがあります。

3.5ステルス繊維材料

一部のナノ材料(カーボンナノチューブなど)は良好な吸収特性を備えており、繊維に光を加えるために使用できます。ナノ材料は、光波の広帯域、強力な吸収、および低反射率の特性を備えているため、ファイバーは光を反射しません。特殊用途の反射防止生地(軍事用の目に見えない生地など)の作成に使用されます。

3. 6帯電防止繊維

化学繊維紡糸の過程で金属ナノ材料またはカーボンナノ材料を追加すると、紡糸されたフィラメントに帯電防止特性およびマイクロ波防止特性を持たせることができます。たとえば、カーボンナノチューブは非常に優れた導電体です。導電率は銅よりも優れています。化学繊維紡糸液に安定分散する機能性添加剤として使用されています。それは異なるモル濃度で作ることができます。優れた導電性または帯電防止特性を持つ繊維および布。

3.7反電磁繊維

合成繊維にナノSiO 2を添加することで高誘電率絶縁繊維が得られます。近年、通信・家電の継続的な発展に伴い、携帯電話、テレビ、パソコン、電子レンジなどの利用が増えています。すべての電気機器と配線の周囲に電磁場が存在し、電磁波は人間の心臓、神経、妊婦にあります。胎児の影響には明確な結論があります。報告によると、米国、日本、韓国、およびその他の抗電磁波服がリストされており、抗電磁波ファイバーを準備するためのナノ材料の使用に関する国内研究も進行中です。

3.8その他の機能性繊維パイル

ナノスケールまたは超微細材料のさまざまな特性は、個々の機能繊維で使用されます。東レ株式会社の「XY-E」、旭化成株式会社の「7月」、東洋紡績株式会社の「ピラミッド」など、超硬合金などの超高比重材料を用いた超サスペンション繊維を開発。そして、Ti02の屈折特性を使用して不透明な繊維を開発します。日本のユニジカは鞘芯複合紡糸法を採用しています。皮質とコア層には異なる量のTiO2が含まれており、不透明度の良いポリエステル繊維が得られます。蛍光ファイバーはアルミン酸バリウムとアルミン酸カルシウムの光度を利用して開発されています。日本の基本的な特殊化学会社は、アルミン酸バリウムとアルミン酸カルシウムを主成分とする蓄光材料を開発し、残り時間は10時間以上に達することがあります。一部の金属複塩、遷移金属化合物は、温度変化により結晶変態します。または、配位子の形状の色の変化または水の「水」の結晶化、その可逆的なサーモクロミック特性を使用した色変化ファイバーの開発。三菱レイヨンはポリエステルにコロイド状炭酸カルシウムを添加して中空にし、繊維にアルカリ還元処理を施して微細孔を形成し、吸湿性に優れています。

4おわりに

ナノマテリアル科学は、原子物理学、凝縮物質物理学、コロイド化学、固体化学、配位化学、化学反応速度論、表面および界面科学の交差点から出現する新しい分野の成長点です。ナノ材料には、未知のプロセスや新しい現象が数多く含まれており、従来の物理化学理論では説明することが困難です。ある意味で、ナノマテリアル研究の進歩は、物理学と化学の分野における多くの分野を新たなレベルに押し上げるでしょう。近年、台湾の繊維形成ポリマーに特定の超微細またはナノスケールの無機材料粉末を添加することにより、遠赤外線繊維や耐摩耗性などの機能性繊維の製造方法が普及し、ある特別な機能。紫外線繊維、磁気繊維、超張り出し繊維、蛍光繊維、変色繊維、帯電防止繊維、導電性繊維、高吸湿性繊維。ナノ材料の合成と基礎理論の改善の継続的な進歩により、ナノ材料はより急速に発展し、アプリケーションは世界の多くの分野をカバーします。

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