O que é nanomaterial?

Introdução: O nano conceito é 1959, e o Prêmio Nobel foi apresentado por Richard Feynman em um discurso. Em seu discurso “Há muito espaço na parte inferior”, ele mencionou que os humanos podem fazer máquinas menores que seu tamanho com máquinas macroscópicas, e essa máquina menor pode fazer máquinas menores, alcançando escala molecular passo a passo. Ou seja, o equipamento de produção é reduzido passo a passo e, finalmente, os átomos são arranjados diretamente de acordo com os desejos, e os produtos são fabricados. Ele previu que a química se tornaria um problema técnico de colocar com precisão os átomos, um por um, de acordo com os desejos dos seres humanos. Essa é a primeira idéia com os modernos nano conceitos. No final dos anos 80 e início dos anos 90, uma ferramenta importante para caracterizar escalas nanométricas, microscopia de tunelamento de varredura (STM) e microscopia de força atômica (AFM), uma ferramenta direta para entender materiais em escala nano e nanomundo, facilitou bastante estrutura da matéria e a relação entre estrutura e natureza, a terminologia da nanotecnologia emergiu e a nanotecnologia foi formada.
De fato, o nano é apenas uma unidade de comprimento, 1 nanômetro (nm) = 10 e negativo 3 vezes quadrado mícron = 10 e sexto milímetro de potência negativo (mm) = 10 e menos 9 vezes metro quadrado (m) = 10A. Nanociência e Tecnologia (Nano-ST) é uma ciência e tecnologia que estuda as leis e interações de sistemas que consistem em substâncias entre 1-100 nm de tamanho e possíveis problemas técnicos em aplicações práticas.

Características do material de 1 nanômetro

Nano é uma unidade de medida, 1 nm é um milionésimo de milímetro, ou seja, 1 nanômetro, ou seja, um bilionésimo de metro e um átomo tem cerca de 0 1 nm. Os nanomateriais são um novo tipo de material sólido ultrafino composto de nanopartículas, com tamanho de 1 a 100 nm. Nanotecnologia é o estudo e estudo de substâncias e materiais em estruturas minúsculas abaixo de 100 nm, ou seja, a ciência e a tecnologia de produção de substâncias com um único átomo ou molécula.
Nanopartículas são grupos atômicos ou grupos de moléculas que consistem em um pequeno número de átomos e moléculas. A superfície de uma grande proporção é originalmente uma camada amorfa, sem procedimentos longos nem procedimentos curtos: dentro das partículas, existe uma camada bem cristalizada. Átomos dispostos periodicamente, mas sua estrutura é diferente da estrutura do programa completamente longa da amostra de cristal. É essa estrutura especial de nanopartículas que leva a efeitos superficiais singulares, efeitos de tamanho pequeno, efeitos de tamanho quântico, efeitos de tunelamento quântico de nanopartículas e, portanto, às propriedades físicas e químicas de muitos nanomateriais diferentes dos materiais convencionais.

1.1 Efeitos de superfície e interface

O efeito de superfície do nanomaterial, ou seja, a proporção entre o número atômico e o número atômico total da nanopartícula aumenta com a diminuição do tamanho da nanopartícula e a energia superficial e a tensão superficial da partícula também aumentam, o que causa a alteração das propriedades do nanômetro. Por exemplo, a área superficial específica de SiC com um tamanho de partícula de 5 nm é tão alta quanto 300/12 / g; enquanto a área de superfície do óxido de nano-estanho varia mais com o tamanho das partículas, e a área de superfície específica a 10 llfl é 90,3 m2 / g, em comparação com 5 nm. A área de superfície aumentou para 181 m2 / g, e quando o tamanho de partícula era menor que 2 nm, a área de superfície específica saltou para 450 m2 / g. Uma área de superfície específica tão grande aumenta muito o número de átomos na superfície. O ambiente do campo de cristal e a energia de ligação desses átomos atacantes são diferentes daqueles dos átomos internos. Há um grande número de defeitos e muitas ligações pendentes, que possuem altas propriedades insaturadas, o que facilita a combinação desses átomos com outros átomos. É estável e possui alta reatividade química.
Além disso, a energia superficial das nanopartículas altamente ativadas também é alta, e a área superficial e a superfície específicas podem fazer com que as nanopartículas tenham forte reatividade química. Por exemplo, nanopartículas de metal podem queimar no ar. Algumas nanopartículas de óxido são expostas à atmosfera e absorvem gases e reagem com os gases. Além disso, os nanomateriais têm novas propriedades ópticas e elétricas devido à malformação original da superfície das nanopartículas, o que também causa alterações na conformação da rotação do elétron na superfície e no potencial de energia eletrônica. Por exemplo, algumas nanopartículas de óxido e nitreto têm um bom efeito de absorção e emissão nos raios infravermelhos e um bom efeito de blindagem nos raios ultravioleta.

1.2 efeito de tamanho pequeno

Quando o tamanho das partículas ultrafinas é igual ou menor que o tamanho da característica física, como o comprimento de onda da onda de luz, o comprimento de onda de De Broglie e o comprimento da coerência ou profundidade de transmissão do estado supercondutor, as condições de contorno periódicas serão destruído, som, luz, eletromagnético, termodinâmica, etc. Os recursos apresentarão um novo efeito de tamanho. Por exemplo, a absorção de luz aumenta significativamente e produz uma mudança na frequência de ressonância plasmônica do pico de absorção; o estado ordenado magnético está em um estado desordenado magnético e a fase supercondutora é convertida em uma fase normal; o espectro do fonão é alterado. Esses efeitos de tamanho pequeno das nanopartículas são práticos
Novas áreas expandidas. Por exemplo, a prata tem um ponto de fusão de 900 ° C e o ponto de fusão do nanossilver pode ser reduzido para 100 ° C, o que fornece um novo processo para a indústria de metalurgia do pó. Utilizando as propriedades da alteração do tamanho das partículas da frequência de ressonância plasmônica, o deslocamento da borda de absorção pode ser controlado alterando o tamanho das partículas e um nano material de absorção de microondas com uma certa largura de banda pode ser fabricado para blindagem de ondas eletromagnéticas, aeronaves furtivas e gostar.

1. efeito do tamanho de 3 quantum

Quando o tamanho da partícula cai para um determinado valor, o nível de energia eletrônica próximo ao nível de Fermi muda de nível de energia quase contínuo para discreto. O relacionamento é:
Onde: £ é o espaçamento do nível de energia; E é o nível de Fermi; N é o número total de elétrons. Objetos macroscópicos contêm um número infinito de átomos (ou seja, o número de elétrons contidos, N), então 0, ou seja, o espaçamento do nível de energia de partículas grandes ou objetos macroscópicos é quase zero; enquanto as nanopartículas contêm um número limitado de átomos, e o valor de N é pequeno, resultando em uma certa divisão do valor da energia. O espectro de energia eletrônica de um metal a granel é uma banda de energia quase contínua. Quando o espaçamento do nível de energia é maior que a energia térmica, energia magnética, energia magnetostática, energia eletrostática, energia de fótons ou energia condensada supercondutora, o efeito quântico deve ser considerado, o que leva à nanopartícula. As propriedades magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas, elétricas e supercondutoras são significativamente diferentes das propriedades macroscópicas, conhecidas como efeitos de tamanho quântico.

1.4 Características físicas

Os efeitos físicos dos nanomateriais incluem propriedades magnéticas e ópticas.
O diâmetro do nanomaterial é pequeno, e o material é composto principalmente de ligações iônicas e ligações covalentes. Comparado aos cristais, a capacidade de absorção da luz é aprimorada, mostrando as características de ampla faixa de frequência, forte absorção e baixa refletância. Por exemplo, embora vários metais de bloco tenham cores diferentes, todos os metais aparecem pretos quando são refinados para partículas de tamanho nanométrico; alguns objetos também exibem novos fenômenos de luminescência, como o próprio silício, que não é iluminador. No entanto, o nano-silício apresenta um fenômeno de luminescência.
Devido ao pequeno diâmetro dos nanomateriais, os átomos e as moléculas são mais expostos, as fileiras magnéticas são mais aleatórias e mais irregulares e, portanto, os nanomateriais são superparamagnéticos.

1.5 características químicas

Os efeitos químicos dos nanomateriais incluem adsorção e catálise.
Os nanomateriais têm uma grande área de superfície específica. Faz com que tenha propriedades de adsorção mais fortes para outras substâncias.
Os nanomateriais podem ser usados como catalisadores de ensino superior. Devido ao pequeno tamanho das nanopartículas, a porcentagem de volume da superfície é grande, o estado de ligação e o estado eletrônico da superfície são diferentes do interior das partículas e a coordenação atômica da superfície é incompleta, o que leva a um aumento na posição ativa da superfície, o que faz com que tenha as condições básicas como catalisador. . Existem três aspectos principais do papel dos nanomateriais como catalisadores:
(1) alterar a taxa de reação e melhorar a eficiência da reação;
(2) Determine a rota da reação e tenha excelente seletividade, como hidrogenação e desidrogenação apenas, sem decomposição e desidratação por hidrogenação;
(3) Abaixe a temperatura da reação. Por exemplo, um catalisador preparado usando partículas ultrafinas de liga de Ni e Cu-mon com um diâmetro de partícula inferior a 0,3 nm como componente principal pode tornar a eficiência de hidrogenação da matéria orgânica 10 vezes maior que a de um catalisador de níquel convencional; pó ultrafino de PL e pó de WC. É um catalisador de hidrogenação altamente eficiente; ultrafino Fe, Ni e Fe02, o corpo sinterizado de luz mista pode substituir metais preciosos como agente purificador de gases de escapamento de automóveis; O pó ultrafino de agosto pode ser usado como catalisador para a oxidação do acetileno.

2. Preparação de materiais nanométricos

Existem muitas maneiras de preparar nanomateriais. De acordo com a existência de uma reação química óbvia durante o processo de preparação, ela pode ser dividida em métodos de preparação física e métodos de preparação química. Os métodos de preparação física incluem um método de moagem mecânica, um método de impacto seco, um método de mistura e um método de evaporação a alta temperatura; e o método de preparação química inclui um método sol-gel, um método de precipitação e um método de evaporação de solvente.

3. Aplicação de materiais nanométricos no campo têxtil

É precisamente por causa dessas propriedades peculiares das nanopartículas que ela lança as bases para sua ampla aplicação. Por exemplo, as nanopartículas têm resistência especial aos UV, absorção de luz visível e raios infravermelhos, antienvelhecimento, alta resistência e tenacidade, bons efeitos de blindagem elétrica e eletrostática, forte função de desodorização antibacteriana e capacidade de adsorção, e similares. Portanto, combinando nanopartículas com essas funções especiais com matérias-primas têxteis, é possível fabricar novas matérias-primas têxteis, nano-pastas e melhorar as funções dos tecidos.

3.1 fibra anti-ultravioleta, anti-sol e anti-envelhecimento

A chamada fibra anti-ultravioleta refere-se à fibra que possui fortes propriedades de absorção e reflexão à luz ultravioleta. O princípio da preparação e processamento é geralmente adicionar material de proteção ultravioleta à fibra a ser misturada e tratada para melhorar a absorção e reflexão dos raios ultravioleta pela fibra. habilidade. As substâncias que podem bloquear os raios ultravioleta aqui se referem a dois tipos, ou seja, substâncias que refletem os raios ultravioleta, que são habitualmente chamados de agentes de proteção ultravioleta, e possuem forte absorção seletiva dos raios ultravioleta e podem realizar conversão de energia para reduzir a quantidade de permeação disso. Substância, habitualmente conhecida como absorvedores de UV. Os agentes de proteção ultravioleta geralmente usam alguns pós de óxido de metal, e existem muitas variedades de absorvedores de UV em casa e no exterior. Comumente usados são compostos de salicilato, compostos de quelato de íons metálicos, benzofenonas e benzotriazóis. . Uma pequena quantidade de nano-TiO 2 é adicionada à fibra sintética usando as excelentes características de absorção de luz das nanopartículas. Como ele pode proteger uma grande quantidade de raios ultravioleta, as peças de vestuário e os artigos feitos com os mesmos têm o efeito de bloquear os raios ultravioleta e têm um efeito auxiliar na prevenção de doenças da pele e doenças da pele causadas pela absorção de raios ultravioleta.

3.2 fibra antibacteriana

Algumas partículas de metal (como partículas de nano-prata, partículas de nano-cobre) têm certas propriedades bactericidas e são combinadas com fibras químicas para produzir fibras antibacterianas, que têm um efeito antibacteriano mais forte e mais lavabilidade do que os tecidos antibacterianos em geral. frequência. Por exemplo, o pó antibacteriano ultrafino desenvolvido pelo National Ultrafine Powder Engineering Center pode conferir capacidade antibacteriana aos produtos de resina e inibir várias bactérias, fungos e bolores. O núcleo do pó antibacteriano pode ser uma nanopartícula de sulfato de bário ou óxido de zinco, revestida com prata para antibacteriana e cercada por óxido de cobre e silicato de zinco para resistir a fungos. Ao adicionar 1% deste pó à fibra de Taiwan, pode ser obtida uma fibra antibacteriana com boa espinabilidade.

3.3 fibra infravermelha distante

Alguns pós cerâmicos em escala nano (como cristais únicos de zircônia, pós cerâmicos de íons de oxigênio negativos no infravermelho distante) são dispersos em uma solução de fiação por fusão e, em seguida, são transformados em fibras. Essa fibra pode efetivamente absorver energia externa e irradiar raios infravermelhos distantes, iguais ao espectro biológico do corpo humano. Essa onda de radiação infravermelha distante não é apenas facilmente absorvida pelo corpo humano, mas também possui um forte poder de penetração. Pode penetrar profundamente na pele e causar ressonância profunda da pele, produzindo um efeito de ressonância. Ativa células biológicas, promove a circulação sanguínea, fortalece o metabolismo e melhora.
Cuidados de saúde, como regeneração de tecidos.

3.4 Novos materiais resistentes ao desgaste e de alta resistência

O próprio nanomaterial possui as características de super forte, alta dureza e alta tenacidade. Quando é integrada à fibra química, a fibra química terá alta resistência, alta dureza e alta tenacidade. Por exemplo, nanotubos de carbono são usados como aditivos compostos e têm grandes perspectivas de desenvolvimento em materiais têxteis aeroespaciais, cabos de pneus automotivos e outros materiais têxteis de engenharia.

3.5 materiais têxteis furtivos

Alguns nanomateriais (como os nanotubos de carbono) têm boas propriedades de absorção e podem ser usados para adicionar luz à fibra têxtil. Os nanomateriais têm características de banda larga, forte absorção e baixa refletividade das ondas de luz, de modo que as fibras não refletem a luz. É usado para fabricar tecidos antirreflexo para fins especiais (como tecidos invisíveis militares).

3. 6 fibra antiestática

A adição de nanomateriais metálicos ou nanomateriais de carbono no processo de fiação química das fibras pode fazer com que os filamentos fiados tenham propriedades antiestáticas e à prova de microondas. Por exemplo, os nanotubos de carbono são um excelente condutor elétrico. Sua condutividade é melhor que a do cobre. É utilizado como aditivo funcional para dispersar estavelmente em solução de fiação de fibras químicas. Pode ser feito em diferentes concentrações molares. Fibra e tecido com boas condutividades elétricas ou propriedades antiestáticas.

3.7 fibra anti-eletromagnética

Fibras isolantes dielétricas altas podem ser obtidas adicionando nano-SiO 2 à fibra sintética. Nos últimos anos, com o desenvolvimento contínuo da comunicação e dos eletrodomésticos, o uso de telefones celulares, televisores, computadores, fornos de microondas, etc., está se tornando cada vez mais comum. Existem campos eletromagnéticos ao redor de todos os equipamentos e fios elétricos, e as ondas eletromagnéticas estão no coração humano, nos nervos e nas mulheres grávidas. O impacto do feto tem uma conclusão clara. Segundo relatos, Estados Unidos, Japão, Coréia do Sul e outras roupas de ondas anti-eletromagnéticas foram listadas, e pesquisas domésticas sobre o uso de nanomateriais para preparar fibras de ondas anti-eletromagnéticas também estão em andamento.

3.8 outras pilhas funcionais de fibra

As diferentes propriedades dos materiais em nanoescala ou ultrafina são usadas em fibras funcionais individuais. Desenvolva fibras de ultra-suspensão usando materiais de alta gravidade específica, como carboneto de tungstênio, como "XY-E" da Toray Industries, "julho" da Asahi Kasei Corporation e "Pyramidal" da Toyobo Co., Ltd .; e desenvolver fibras opacas usando as propriedades de refração do Ti02. A Unijica do Japão usa um método de fiação composta com núcleo de revestimento. O córtex e a camada central contêm diferentes quantidades de TiO2 para obter uma fibra de poliéster com boa opacidade. A fibra fluorescente é desenvolvida usando a luminosidade do aluminato de bário e aluminato de cálcio. A empresa química especial fundamental do Japão desenvolveu um material de armazenamento de luz com aluminato de bário e aluminato de cálcio como componentes principais, e o tempo de descanso pode chegar a mais de 10 h; alguns sais duplos de metal, os compostos de metal de transição sofrem transformação de cristal devido a mudanças de temperatura. Ou a mudança de cor da geometria do ligante ou a cristalização da “água” da água, o uso de suas características termocrômicas reversíveis para desenvolver fibras que mudam de cor; A Mitsubishi Rayon Company utiliza a adição de carbonato de cálcio coloidal no poliéster para criar cavidades. As fibras são tratadas com redução de álcalis para formar microporos nas fibras, e as fibras têm boas propriedades higroscópicas.

4. Conclusão

A ciência dos nanomateriais é um novo ponto de crescimento da disciplina que emerge da interseção da física atômica, física da matéria condensada, química colóide, química sólida, química sólida, química de coordenação, cinética da reação química, ciência da superfície e da interface. Existem muitos processos desconhecidos e novos fenômenos envolvidos nos nanomateriais, difíceis de explicar com a teoria tradicional da físico-química. Em certo sentido, o avanço da pesquisa em nanomateriais levará muitas disciplinas no campo da física e da química a um novo nível. Nos últimos anos, ao adicionar certos materiais inorgânicos ultrafinos ou em escala nanométrica ao polímero formador de fibra de Taiwan, tornou-se um método popular de fabricação de fibras funcionais, como fibra de infravermelho distante e antidesgaste, girando para obter fibras com uma determinada função especial. Fibras ultravioletas, fibras magnéticas, fibras super pendentes, fibras fluorescentes, fibras que mudam de cor, fibras antiestáticas, fibras condutoras e fibras altamente higroscópicas. Com o progresso contínuo na síntese de nanomateriais e o aprimoramento das teorias básicas, os nanomateriais se desenvolverão mais rapidamente, e o aplicativo cobrirá muitos campos do mundo.

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