Nanomateriał: wszystkie statystyki, fakty i dane, które musisz wiedzieć #039;

Wprowadzenie: Koncepcja nano to rok 1959, a Nagrodę Nobla przedstawił w przemówieniu Richard Feynman. W swoim przemówieniu „Na dole jest dużo miejsca” wspomniał, że ludzie mogą tworzyć maszyny mniejsze niż ich rozmiar za pomocą maszyn makroskopowych, a ta mniejsza maszyna może wytwarzać mniejsze maszyny, osiągając w ten sposób skalę molekularną krok po kroku. Oznacza to, że sprzęt produkcyjny jest stopniowo redukowany, a na końcu atomy są układane bezpośrednio zgodnie z życzeniem i produkty są wytwarzane. Przewidywał, że chemia stanie się problemem technicznym polegającym na dokładnym umieszczaniu atomów jeden po drugim zgodnie z życzeniami ludzi. To najwcześniejszy pomysł z nowoczesnymi koncepcjami nano. Pod koniec lat 80. i na początku lat 90. ważne narzędzie do charakteryzowania skali nanometrycznej, skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i mikroskopia sił atomowych (AFM), bezpośrednie narzędzie do zrozumienia materiałów w nanoskali i nanoświatach, znacznie ułatwiły zrozumienie struktury materii i relacji między strukturą a naturą, pojawiła się terminologia nanotechnologiczna i powstała nanotechnologia.

W rzeczywistości nano jest tylko jednostką długości, 1 nanometr (nm) = 10 i ujemny 3 razy kwadratowy mikron = 10 i ujemny 6. milimetr mocy (mm) = 10 i minus 9 razy metr kwadratowy (m) = 10A. Nanonauka i technologia (Nano-ST) to nauka i technologia, która bada prawa i interakcje układów składających się z substancji o wielkości 1-100 nm i możliwych problemów technicznych w praktycznych zastosowaniach.

Nano jest jednostką miary, 1 nm to milionowa część milimetra, czyli 1 nanometr, czyli miliardowa część metra, a atom ma około 0,1 nm. Nanomateriały to nowy rodzaj bardzo drobnego materiału stałego złożonego z nanocząstek o wielkości od 1 do 100 nm. Nanotechnologia to badanie i badanie substancji i materiałów na maleńkich strukturach poniżej 100 nm, czyli nauka i technologia wytwarzania substancji z jednym atomem lub cząsteczką.

Nanocząstki to grupy atomowe lub grupy cząsteczek składające się z małej liczby atomów i cząsteczek. Powierzchnia dużej części jest pierwotnie warstwą amorficzną, bez długich procedur ani krótkich procedur: wewnątrz cząstek znajduje się dobrze krystalizowana warstwa. Okresowo rozmieszczone atomy, ale ich struktura różni się od całkowicie długiej struktury programowej próbki kryształu. To ta specjalna struktura nanocząstek prowadzi do pojedynczych efektów powierzchniowych, efektów małych rozmiarów, efektów wielkości kwantowych, efektów tunelowania kwantowego nanocząstek, a zatem właściwości fizycznych i chemicznych wielu nanomateriałów innych niż konwencjonalne materiały.

Efekt powierzchniowy nanomateriału, to znaczy stosunek liczby atomowej do całkowitej liczby atomowej nanocząstki wzrasta wraz ze spadkiem wielkości nanocząstki, a także zwiększa się energia powierzchniowa i napięcie powierzchniowe cząstki, co powoduje zmianę właściwości nanometru. Na przykład powierzchnia właściwa SiC o wielkości cząstek 5 nm wynosi aż 300/12 / g; podczas gdy pole powierzchni tlenku nano-cyny zmienia się bardziej w zależności od wielkości cząstek, a pole powierzchni właściwej przy 10 llfl wynosi 90,3 m2 / g, w porównaniu z 5 nm. Pole powierzchni wzrosło do 181 m2 / g, a gdy rozmiar cząstek był mniejszy niż 2 nm, pole powierzchni właściwej skoczyło do 450 m2 / g. Tak duża powierzchnia właściwa znacznie zwiększa liczbę atomów na powierzchni. Środowisko pola krystalicznego i energia wiązania tych atakujących atomów są inne niż atomów wewnętrznych. Istnieje wiele wad i wiele zwisających wiązań, które mają wysokie właściwości nienasycone, co sprawia, że atomy te można łatwo łączyć z innymi atomami. Jest stabilny i ma wysoką reaktywność chemiczną.

Ponadto energia powierzchniowa wysoce aktywowanych nanocząstek jest również wysoka, a powierzchnia właściwa i pole powierzchni mogą sprawić, że nanocząstki będą silnie reaktywne chemicznie. Na przykład metalowe nanocząsteczki mogą palić się w powietrzu. Niektóre nanocząsteczki tlenku są narażone na atmosferę i adsorbują gazy i reagują z nimi. Ponadto nanomateriały mają nowe właściwości optyczne i elektryczne ze względu na pierwotne zniekształcenie powierzchni nanocząstek, co również powoduje zmiany w konformacji spinów elektronowych na powierzchni i potencjale energii elektronowej. Na przykład niektóre nanocząsteczki tlenku i azotku mają dobry efekt absorpcji i emisji promieni podczerwonych i mają dobry efekt ochronny dla promieni ultrafioletowych.

Gdy rozmiar najdrobniejszych cząstek jest równy lub mniejszy od rozmiaru cechy fizycznej, takiego jak długość fali fali świetlnej, długość fali De Broglie oraz długość koherencji lub głębokość transmisji stanu nadprzewodzącego, okresowe warunki brzegowe będą wynosić zniszczone, dźwiękowe, lekkie, elektromagnetyczne, termodynamiczne itp. Funkcje przedstawią nowy efekt wielkości. Na przykład absorpcja światła znacznie wzrasta i powoduje przesunięcie częstotliwości rezonansu plazmonowego piku absorpcji; magnetyczny stan uporządkowany jest w stanie nieuporządkowanym magnetycznie, a faza nadprzewodząca jest przekształcana w fazę normalną; widmo fononowe zostało zmienione. Te niewielkie efekty nanocząstek są praktyczne

Rozszerzone nowe obszary. Na przykład srebro ma temperaturę topnienia 900'C, a temperaturę topnienia nanosrebra można obniżyć do 100°C, co zapewnia nowy proces dla przemysłu metalurgii proszków. Wykorzystując właściwości zmiany wielkości cząstek częstotliwości rezonansowej plazmonów, przemieszczenie krawędzi absorpcji można kontrolować poprzez zmianę rozmiaru cząstek, a nanomateriał absorpcji mikrofalowej o określonej szerokości pasma może być wytwarzany do ekranowania fal elektromagnetycznych, samolotów stealth i tak jak.

Gdy rozmiar cząstek spada do pewnej wartości, poziom energii elektronów w pobliżu poziomu Fermiego zmienia się z quasi-ciągłego na dyskretny poziom energii. Relacja jest następująca:

Gdzie: £ to odstęp między poziomami energii; E oznacza poziom Fermiego; N jest całkowitą liczbą elektronów. Obiekty makroskopowe zawierają nieskończoną liczbę atomów (tj. Liczbę zawartych elektronów, N), a więc 0, to znaczy odstęp energetyczny dużych cząstek lub obiektów makroskopowych wynosi prawie zero; podczas gdy nanocząstki zawierają ograniczoną liczbę atomów, a wartość N jest niewielka, co powoduje pewną wartość poziomu energii jest podzielona. Widmo energii elektronów metalu sypkiego jest quasi-ciągłym pasmem energii. Gdy odstępy między poziomami energii są większe niż energia cieplna, energia magnetyczna, energia magnetostatyczna, energia elektrostatyczna, energia fotonów lub nadprzewodnikowa energia skondensowana, należy wziąć pod uwagę efekt kwantowy, który prowadzi do nanocząstki. Właściwości magnetyczne, optyczne, akustyczne, termiczne, elektryczne i nadprzewodzące różnią się znacznie od właściwości makroskopowych, zwanych efektami wielkości kwantowej.

Fizyczne skutki nanomateriałów obejmują właściwości magnetyczne i optyczne.

Średnica nanomateriału jest niewielka, a materiał składa się głównie z wiązań jonowych i wiązań kowalencyjnych. W porównaniu z kryształami, zdolność absorpcji światła jest zwiększona, pokazując cechy szerokiego pasma częstotliwości, silną absorpcję i niski współczynnik odbicia. Na przykład, chociaż różne metale blokowe mają różne kolory, wszystkie metale wydają się czarne, gdy są rafinowane do cząstek w rozmiarze nano; niektóre obiekty wykazują także nowe zjawiska luminescencji, takie jak sam krzem, który nie jest oświetlający, jednak nanokrzem ma zjawisko luminescencji.

Z powodu małej średnicy nanomateriałów atomy i cząsteczki są bardziej odsłonięte, rzędy magnetyczne są bardziej losowe i bardziej nieregularne, a zatem nanomateriały są superparamagnetyczne.

Chemiczne działanie nanomateriałów obejmuje adsorpcję i katalizę.

Nanomateriały mają dużą powierzchnię właściwą. To sprawia, że ma silniejsze właściwości adsorpcyjne dla innych substancji.

Nanomateriały mogą być stosowane jako katalizatory szkolnictwa wyższego. Ze względu na mały rozmiar nanocząstek procent objętościowy powierzchni jest duży, stan wiązania i stan elektroniczny powierzchni różnią się od wnętrza cząstek, a koordynacja atomowa powierzchni jest niepełna, co prowadzi do wzrostu w aktywnej pozycji powierzchni, co sprawia, że ma ona podstawowe warunki jako katalizator. . Istnieją trzy główne aspekty roli nanomateriałów jako katalizatorów:

(1) zmiana szybkości reakcji i poprawa wydajności reakcji;

(2) Określić drogę reakcji i mieć doskonałą selektywność, taką jak tylko uwodornienie i odwodornienie, bez rozkładu uwodornienia i odwodnienia;

(3) Obniż temperaturę reakcji. Na przykład katalizator wytworzony przy użyciu bardzo drobnych cząstek Ni i stopu Cu-mon o średnicy cząstek mniejszej niż 0,3 nm jako głównego składnika może sprawić, że wydajność uwodornienia materii organicznej będzie 10 razy większa niż w przypadku konwencjonalnego katalizatora niklowego; ultradrobny proszek PL i proszek WC. Jest to bardzo wydajny katalizator uwodornienia; ultradrobny Fe, Ni i Fe02, mieszany lekki spiekany korpus może zastąpić metal szlachetny jako samochodowy środek oczyszczający gazy spalinowe; bardzo drobny proszek Aug może być stosowany jako katalizator utleniania acetylenu.

Istnieje wiele sposobów przygotowania nanomateriałów. W zależności od tego, czy zachodzi oczywista reakcja chemiczna podczas procesu przygotowania, można ją podzielić na metody przygotowania fizycznego i metody przygotowania chemicznego. Metody przygotowania fizycznego obejmują metodę mechanicznego mielenia, metodę udarności na sucho, metodę mieszania i metodę odparowywania w wysokiej temperaturze; a metoda przygotowania chemicznego obejmuje metodę zol-żel, metodę strącania i metodę odparowywania rozpuszczalnika.

Właśnie ze względu na te szczególne właściwości nanocząstek stanowi podstawę ich szerokiego zastosowania. Na przykład nanocząstki mają specjalną odporność na promieniowanie UV, absorpcję światła widzialnego i promieni podczerwonych, działanie przeciwstarzeniowe, wysoką wytrzymałość i wytrzymałość, dobre efekty ekranowania elektrycznego i elektrostatycznego, silne działanie dezodoryzujące przeciwbakteryjne i zdolność adsorpcji i tym podobne. Dlatego łącząc nanocząstki spełniające te specjalne funkcje z surowcami tekstylnymi, można wytwarzać nowe surowce tekstylne, nanopaste i poprawiać funkcje tkanin.

Tak zwane włókno anty-ultrafioletowe odnosi się do włókna, które ma silne właściwości pochłaniania i odbijania światła ultrafioletowego. Zasadą przygotowania i przetwarzania jest zazwyczaj dodanie materiału osłaniającego promieniowanie ultrafioletowe do mieszanego włókna i obróbka w celu poprawy absorpcji i odbicia promieni ultrafioletowych przez włókno. umiejętność. Substancje, które mogą blokować promienie ultrafioletowe, odnoszą się tutaj do dwóch rodzajów, to znaczy substancji odbijających promienie ultrafioletowe, które są zwykle nazywane środkami osłaniającymi promieniowanie ultrafioletowe i mają silną selektywną absorpcję promieni ultrafioletowych i mogą przeprowadzać konwersję energii w celu zmniejszenia ilości przenikania tego. Substancja, zwana zwykle absorbentami UV. Środki do ochrony przed promieniowaniem ultrafioletowym zwykle wykorzystują niektóre proszki tlenku metalu, a w kraju i za granicą istnieje wiele odmian absorberów UV. Powszechnie stosowane są związki salicylanowe, związki chelatujące jony metali, benzofenony i benzotriazole. . Niewielką ilość nano-TiO2 dodaje się do włókna syntetycznego, stosując doskonałe właściwości absorpcji światła przez nanocząstki. Ponieważ może chronić dużą ilość promieni ultrafioletowych, wykonane z nich ubrania i artykuły blokują promienie ultrafioletowe i mają działanie pomocnicze w zapobieganiu chorobom skóry i chorobom skóry spowodowanym absorpcją promieniowania ultrafioletowego.

Niektóre cząstki metalu (takie jak cząsteczki nanosrebra, cząsteczki nano-miedzi) mają określone właściwości bakteriobójcze i są łączone z włóknem chemicznym w celu wytworzenia włókien antybakteryjnych, które mają silniejsze działanie przeciwbakteryjne i większą zmywalność niż ogólne tkaniny przeciwbakteryjne. częstotliwość. Na przykład bardzo drobny proszek antybakteryjny opracowany przez National Ultrafine Powder Engineering Center może nadawać produktom żywicznym działanie przeciwbakteryjne i hamować różne bakterie, grzyby i pleśnie. Rdzeń proszku przeciwbakteryjnego może być nanocząstką siarczanu baru lub tlenku cynku, powleczoną srebrem dla działania przeciwbakteryjnego i otoczoną tlenkiem miedzi i krzemianem cynku, aby były odporne na grzyby. Dodając 1% tego proszku do błonnika tajwańskiego, można uzyskać włókno antybakteryjne o dobrej zdolności do przędzenia.

Niektóre proszki ceramiczne w nanoskali (takie jak monokryształy tlenku cyrkonu, proszki ceramiczne z ujemnymi jonami tlenu w dalekiej podczerwieni) są rozpraszane w roztworze przędzenia ze stopu, a następnie przędzone we włókna. Włókno to może skutecznie pochłaniać energię zewnętrzną i emitować promienie dalekiej podczerwieni, które są takie same jak widmo biologiczne ludzkiego ciała. Ta fala promieniowania podczerwonego jest nie tylko łatwo absorbowana przez organizm ludzki, ale ma również silną siłę przenikania. Może wnikać głęboko w skórę i powodować głęboki rezonans skóry, aby wywołać efekt rezonansu. Aktywuje komórki biologiczne, wspomaga krążenie krwi, wzmacnia metabolizm i poprawia.

Opieka zdrowotna, taka jak regeneracja tkanek.

Sam nanomateriał ma cechy super silnej, wysokiej twardości i wysokiej wytrzymałości. Po zintegrowaniu z włóknem chemicznym, włókno chemiczne będzie miało wysoką wytrzymałość, wysoką twardość i wysoką wytrzymałość. Na przykład nanorurki węglowe są stosowane jako dodatki kompozytowe i mają duże perspektywy rozwoju w materiałach włókienniczych stosowanych w lotnictwie, oponach samochodowych i innych materiałach technicznych.

Niektóre nanomateriały (takie jak nanorurki węglowe) mają dobre właściwości pochłaniające i można je stosować do dodawania światła do włókna tekstylnego. Nanomateriały mają szerokie pasmo, silną absorpcję i niski współczynnik odbicia fal świetlnych, dzięki czemu włókna nie odbijają światła. Służy do wykonywania specjalnych tkanin antyrefleksyjnych (takich jak niewidoczne dla wojska).

Dodanie nanomateriałów metalowych lub nanomateriałów węglowych w procesie przędzenia włókien chemicznych może sprawić, że przędzone włókna będą miały właściwości antystatyczne i odporne na działanie mikrofal. Na przykład nanorurki węglowe są bardzo doskonałym przewodnikiem elektrycznym. Ich przewodnictwo jest lepsze niż miedzi. Jest stosowany jako dodatek funkcjonalny do stabilnego rozproszenia w roztworze przędzalniczym z włókien chemicznych. Można go wytwarzać przy różnych stężeniach molowych. Włókno i tkanina o dobrej przewodności elektrycznej lub właściwościach antystatycznych.

Wysoko dielektryczne włókna izolacyjne można uzyskać przez dodanie nano-SiO2 do włókna syntetycznego. W ostatnich latach, wraz z ciągłym rozwojem urządzeń komunikacyjnych i gospodarstwa domowego, korzystanie z telefonów komórkowych, telewizorów, komputerów, kuchenek mikrofalowych itp. Staje się coraz bardziej powszechne. Pola elektromagnetyczne istnieją wokół całego sprzętu elektrycznego i przewodów, a fale elektromagnetyczne są na sercu człowieka, nerwach i kobietach w ciąży. Wpływ płodu ma wyraźny wniosek. Według doniesień wymieniono Stany Zjednoczone, Japonię, Koreę Południową i inną odzież przeciw falom elektromagnetycznym, a także prowadzone są krajowe badania nad wykorzystaniem nanomateriałów do wytwarzania włókien fal przeciwelektromagnetycznych.

Różne właściwości nanoskali lub ultradrobnych materiałów są wykorzystywane w poszczególnych włóknach funkcjonalnych. Opracowanie włókien ultrazawieszonych przy użyciu materiałów o wysokim ciężarze właściwym, takich jak węglik wolframu, takich jak „XY-E” firmy Toray Industries, „July” firmy Asahi Kasei Corporation i „Pyramidal” firmy Toyobo Co., Ltd.; i opracować nieprzezroczyste włókna wykorzystując właściwości refrakcyjne Ti02. Japońska firma Unijica wykorzystuje metodę przędzenia kompozytowego z rdzeniem osłonowym. Kora i warstwa rdzenia zawierają różne ilości TiO2, aby uzyskać włókno poliestrowe o dobrej nieprzezroczystości. Włókno fluorescencyjne jest opracowywane przy użyciu jasności glinianu baru i glinianu wapnia. Podstawowa japońska firma zajmująca się chemikaliami specjalnymi opracowała materiał do przechowywania światła, którego głównymi składnikami są glinian baru i glinian wapnia, a czas spoczynku może sięgać ponad 10 godzin; niektóre podwójne sole metali, związki metali przejściowych ulegają przemianie krystalicznej w wyniku zmian temperatury. Lub zmiana koloru geometrii ligandu lub krystalizacja „wody” wody, wykorzystanie jej odwracalnych właściwości termochromowych do opracowania włókien zmieniających kolor; Firma Mitsubishi Rayon Company stosuje dodatek koloidalnego węglanu wapnia w poliestrze, aby uzyskać wydrążenie. Włókna są poddawane redukcji alkaliów, aby utworzyć mikropory na włóknach, a włókna mają dobre właściwości higroskopijne.

Nauka o nanomateriałach to nowy punkt wzrostu dyscypliny, który powstaje ze skrzyżowania fizyki atomowej, fizyki materii skondensowanej, chemii koloidów, chemii ciała stałego, chemii koordynacji, kinetyki reakcji chemicznych, nauki o powierzchni i interfejsie. Istnieje wiele nieznanych procesów i nowych zjawisk związanych z nanomateriałami, które trudno wyjaśnić tradycyjną teorią chemii fizycznej. W pewnym sensie postęp badań nad nanomateriałami popchnie wiele dyscyplin w dziedzinie fizyki i chemii na nowy poziom. W ostatnich latach, poprzez dodanie pewnych drobnych lub nanoskali proszków z materiału nieorganicznego do tajwańskiego polimeru włóknistego, stał się on popularną metodą wytwarzania włókien funkcjonalnych, takich jak włókno dalekiej podczerwieni i przeciwzużyciowe, poprzez przędzenie w celu uzyskania włókien o pewna specjalna funkcja. Włókna ultrafioletowe, włókna magnetyczne, włókna nadwieszone, włókna fluorescencyjne, włókna zmieniające barwę, włókna antystatyczne, włókna przewodzące i wysoce higroskopijne. Dzięki ciągłemu postępowi w syntezie nanomateriałów i ulepszaniu podstawowych teorii, nanomateriały będą się rozwijać szybciej, a ich zastosowanie obejmie wiele dziedzin na świecie.