Nanomalzeme nedir?

Giriş: Nano konsept 1959 ve Nobel Ödülü Richard Feynman tarafından bir konuşmada verildi. “Altta çok yer var” konuşmasında, insanların makroskopik makinelerle boyutlarından daha küçük makineler yapabileceğini ve bu daha küçük makinenin daha küçük makineler yapabileceğini ve böylece adım adım moleküler ölçeğe ulaşabileceğini belirtti. Yani, üretim ekipmanı adım adım azaltılır ve son olarak atomlar doğrudan isteklere göre düzenlenir ve ürünler üretilir. Kimyanın, insanların isteklerine göre atomları tek tek doğru bir şekilde yerleştirmenin teknik bir problemi olacağını tahmin etti. Modern nano konseptleri ile en eski fikir budur. 1980'lerin sonunda ve 1990'ların başında, nanometre ölçeklerini, tarama tünelleme mikroskopisini (STM) ve nano ölçekli ve nanoworld malzemelerini anlamak için doğrudan bir araç olan atomik kuvvet mikroskopisini (AFM) karakterize etmek için önemli bir araç, maddenin yapısı ve yapı-doğa ilişkisi, nanoteknoloji terminolojisi ortaya çıktı ve nanoteknoloji oluşturuldu.
Aslında, nano sadece bir uzunluk birimidir, 1 nanometre (nm) = 10 ve negatif 3 kez kare mikron = 10 ve negatif 6. güç milimetre (mm) = 10 ve eksi 9 kez metrekare (m) = l0A. Nanobilim ve Teknoloji (Nano-ST), 1-100 nm büyüklüğündeki maddelerden oluşan sistemlerin yasalarını ve etkileşimlerini ve pratik uygulamalardaki olası teknik sorunları inceleyen bir bilim ve teknolojidir.

1 nanometre malzeme özellikleri

Nano bir ölçü birimidir, 1 nm bir milimetrenin milyonda biri, yani 1 nanometre, yani bir metrenin milyarda biri ve bir atom yaklaşık 0 1 nm'dir. Nanomalzemeler, 1 ila 100 nm büyüklüğünde nanopartiküllerden oluşan yeni bir ultra ince katı malzemedir. Nanoteknoloji, 100 nm'nin altındaki küçük yapılar üzerindeki madde ve malzemelerin, yani tek bir atom veya molekülle madde yapma bilim ve teknolojisinin incelenmesi ve incelenmesidir.
Nanoparçacıklar az sayıda atom ve molekülden oluşan atom grupları veya molekül gruplarıdır. Büyük bir oranın yüzeyi aslında ne uzun prosedürler ne de kısa prosedürler ile amorf bir tabakadır: parçacıkların içinde iyi kristalize bir tabaka vardır. Periyodik olarak düzenlenmiş atomlar, ancak yapıları kristal numunenin tamamen uzun program yapısından farklıdır. Nanopartiküllerin bu özel yapısı, tekil yüzey etkilerine, küçük boyut etkilerine, kuantum boyut etkilerine, nanopartiküllerin kuantum tünelleme etkilerine ve dolayısıyla geleneksel malzemelerden farklı birçok nanomalzemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerine yol açar.

1.1 Yüzey ve arayüz etkileri

Nanomalzemenin yüzey etkisi, yani nanopartikülün büyüklüğünün azalmasıyla atomun toplam atom sayısına oranı artar ve partikülün yüzey enerjisi ve yüzey gerilimi de artar, bu da değişikliğe neden olur nanometre özelliklerinin. Örneğin, 5 nm'lik bir parçacık boyutuna sahip SiC'nin spesifik yüzey alanı 300/12 / g kadar yüksektir; nano-kalay oksidin yüzey alanı partikül büyüklüğüne göre daha fazla değişir ve 10 lltlfl'deki spesifik yüzey alanı 5 nm ile karşılaştırıldığında 90.3 m2 / g'dir. Yüzey alanı 181 m2 / g'a yükseldi ve parçacık boyutu 2 nm'den küçük olduğunda, spesifik yüzey alanı 450 m2 / g'ye sıçradı. Böyle geniş bir spesifik yüzey alanı, yüzeydeki atom sayısını büyük ölçüde arttırır. Bu saldıran atomların kristal alan ortamı ve bağlanma enerjisi, iç atomlardan farklıdır. Yüksek doymamış özelliklere sahip çok sayıda kusur ve birçok sarkan bağ vardır, bu da bu atomların diğer atomlarla birleştirilmesini kolaylaştırır. Kararlıdır ve yüksek kimyasal reaktiviteye sahiptir.
Ek olarak, yüksek derecede aktifleştirilmiş nanoparçacıkların yüzey enerjisi de yüksektir ve spesifik yüzey alanı ve yüzey alanı nanoparçacıkların güçlü kimyasal reaktiviteye sahip olmasını sağlayabilir. Örneğin, metal nanopartiküller havada yanabilir. Bazı oksit nanoparçacıkları atmosfere maruz kalır ve gazları adsorbe eder ve gazlarla reaksiyona girer. Ek olarak, nanomalzemeler, nanopartiküllerin yüzeyinin orijinal malformasyonu nedeniyle yeni optik ve elektriksel özelliklere sahiptir, bu da yüzey elektronu spin konformasyonunda ve elektron enerji potansiyelinde değişikliklere neden olur. Örneğin, bazı oksit ve nitrür nanoparçacıklarının kızılötesi ışınlar üzerinde iyi bir emme ve emisyon etkisi vardır ve ultraviyole ışınlar üzerinde iyi bir koruyucu etkisi vardır.

1.2 küçük boyut etkisi

Çok ince parçacıkların boyutu, ışık dalgasının dalga boyu, De Broglie'nin dalga boyu ve süperiletken durumun tutarlılık uzunluğu veya iletim derinliği gibi fiziksel özellik boyutuna eşit veya daha küçük olduğunda, periyodik sınır koşulları yok, ses, ışık, elektromanyetik, termodinamik vb. özellikler yeni bir boyut efekti sunacaktır. Örneğin, ışık emilimi, emilim pikinin önemli ölçüde artması ve bir plasmon rezonans frekans kayması üretmesi; manyetik sıralı durum manyetik düzensiz durumdadır ve süperiletken faz normal bir faza dönüştürülür; fonon spektrumu değiştirilir. Nanopartiküllerin bu küçük boyutlu etkileri pratiktir
Genişletilmiş yeni alanlar. Örneğin, gümüşün erime noktası 900'C'dir ve nanosilver'in erime noktası 100 ° C'ye düşürülebilir, bu da toz metalurjisi endüstrisi için yeni bir süreç sağlar. Plazmon rezonans frekansının parçacık boyutu değişiminin özelliklerinden yararlanarak, emme kenarının yer değiştirmesi parçacık boyutu değiştirilerek kontrol edilebilir ve elektromanyetik dalga kalkanı, gizli uçaklar ve için belirli bir bant genişliğine sahip bir mikrodalga emme nano malzemesi üretilebilir. sevmek.

1. 3 kuantum boyut efekti

Parçacık boyutu belirli bir değere düştüğünde, Fermi seviyesine yakın elektron enerji seviyesi yarı sürekli seviyeden ayrık enerji seviyesine değişir. İlişki:
Burada: £, enerji seviyesi aralığıdır; E, Fermi seviyesidir; N, toplam elektron sayısıdır. Makroskopik nesneler sonsuz sayıda atom içerir (yani, içerilen elektron sayısı, N), yani 0, yani büyük parçacıkların veya makroskopik nesnelerin enerji seviyesi aralığı neredeyse sıfırdır; nanoparçacıklar sınırlı sayıda atom içerir ve N'nin değeri küçüktür, bu da belli bir sonuç verir. Enerji seviyesinin değeri bölünür. Dökme bir metalin elektron enerji spektrumu, yarı-sürekli bir enerji bandıdır. Enerji seviyesi aralığı termal enerji, manyetik enerji, manyetostatik enerji, elektrostatik enerji, foton enerjisi veya süper iletken yoğunlaştırılmış enerjiden daha büyük olduğunda, nanoparçacığa yol açan kuantum etkisi dikkate alınmalıdır. Manyetik, optik, akustik, termal, elektriksel ve süper iletken özellikler, kuantum boyutu efektleri olarak bilinen makroskopik özelliklerden önemli ölçüde farklıdır.

1.4 Fiziksel özellikler

Nanomalzemelerin fiziksel etkileri manyetik ve optik özellikleri içerir.
Nanomalzemenin çapı küçüktür ve malzeme esas olarak iyonik bağlardan ve kovalent bağlardan oluşur. Kristallerle karşılaştırıldığında, ışığın emme kapasitesi artırılarak geniş frekans bandı, güçlü emilim ve düşük yansıma özellikleri gösterilir. Örneğin, çeşitli blok metallerin farklı renkleri olmasına rağmen, nano boyutlu parçacıklara rafine edildiğinde tüm metaller siyah görünür; bazı nesneler ayrıca, silikonun kendisi gibi, aydınlatıcı olmayan yeni lüminesans fenomenleri sergilerler, Bununla birlikte, nano-silikon lüminesans fenomenine sahiptir.
Nanomalzemelerin küçük çapları nedeniyle, atomlar ve moleküller daha açıktır, manyetik sıralar daha rastgele ve daha düzensizdir ve bu nedenle nanomalzemeler süperparamanyetiktir.

1.5 kimyasal özellikler

Nanomalzemelerin kimyasal etkileri adsorpsiyon ve katalizi içerir.
Nanomalzemeler geniş bir spesifik yüzey alanına sahiptir. Diğer maddeler için daha güçlü adsorpsiyon özelliklerine sahip olmasını sağlar.
Nanomalzemeler yüksek öğrenim katalizörleri olarak kullanılabilir. Nanopartiküllerin küçük boyutu nedeniyle, yüzeyin hacim yüzdesi büyüktür, bağlanma durumu ve yüzeyin elektronik durumu parçacıkların içinden farklıdır ve yüzey atomik koordinasyonu eksiktir, bu da bir artışa yol açar yüzeyin aktif konumunda, bu da katalizör olarak temel koşullara sahip olmasını sağlar. . Nanomalzemelerin katalizör olarak rolünün üç ana yönü vardır:
(1) reaksiyon hızının değiştirilmesi ve reaksiyon etkinliğinin arttırılması;
(2) Reaksiyon yolunu belirleyin ve hidrojenasyon dekompozisyonu ve dehidrasyonu olmaksızın sadece hidrojenasyon ve hidrojen giderme gibi mükemmel seçiciliğe sahip olun;
(3) Reaksiyon sıcaklığını düşürün. Örneğin, ana bileşen olarak 0.3 nm'den daha küçük bir tanecik çapına sahip olan Ni ve Cu-mon alaşımının ultra ince tanecikleri kullanılarak hazırlanan bir katalizör, organik maddenin hidrojenleme verimliliğini geleneksel bir nikel katalizörünün 10 katı yapabilir; ultra ince PL tozu ve WC tozu. Yüksek verimli bir hidrojenasyon katalizörüdür; ultra ince Fe, Ni ve Fe02, karışık hafif sinterlenmiş gövde otomobil egzoz gazı arıtma maddesi olarak değerli metalin yerini alabilir; ultra ince Aug tozu asetilen oksidasyonu için katalizör olarak kullanılabilir.

2. Nanometre malzemelerinin hazırlanması

Nanomalzemeleri hazırlamanın birçok yolu vardır. Hazırlama işlemi sırasında belirgin kimyasal reaksiyon olup olmadığına göre, fiziksel hazırlama yöntemlerine ve kimyasal hazırlama yöntemlerine ayrılabilir. Fiziksel hazırlama yöntemleri arasında mekanik bir öğütme yöntemi, bir kuru darbe yöntemi, bir karıştırma yöntemi ve bir yüksek sıcaklıkta buharlaştırma yöntemi; ve kimyasal hazırlama yöntemi bir sol-jel yöntemi, bir çöktürme yöntemi ve bir çözücü buharlaştırma yöntemini içermektedir.

3. Nanometre malzemelerinin tekstil alanına uygulanması

Tam olarak nanopartiküllerin bu tuhaf özelliklerinden dolayı geniş uygulaması için temel oluşturuyor. Örneğin, nanopartiküller özel UV direncine, görünür ışık ve kızılötesi ışınların emilimine, yaşlanma karşıtı, yüksek mukavemet ve tokluğa, iyi elektriksel ve elektrostatik koruyucu etkilere, güçlü antibakteriyel koku giderici fonksiyona ve adsorpsiyon kapasitesine ve benzerlerine sahiptir. Bu nedenle, bu özel fonksiyonlara sahip nanoparçacıkları tekstil hammaddeleriyle birleştirerek yeni tekstil hammaddeleri, nano macunlar üretmek ve kumaş fonksiyonlarını geliştirmek mümkündür.

3.1 ultraviyole, güneş ve yaşlanma karşıtı fiber

Anti-ultraviyole fiber olarak adlandırılan fiber, ultraviyole ışığa karşı güçlü emilim ve yansıtma özelliklerine sahip olan fibere karşılık gelir. Hazırlama ve işleme prensibi genellikle karıştırılacak ve muamele edilecek fibere ultraviyole koruyucu malzeme eklenerek ultraviyole ışınlarının fiber tarafından emilimini ve yansımasını arttırmaktır. kabiliyet. Burada ultraviyole ışınlarını bloke edebilen maddeler, iki tür anlamına gelir, yani, genellikle ultraviyole koruyucu ajanlar olarak adlandırılan ve ultraviyole ışınlarının güçlü seçici emilimine sahip olan ve geçirgenlik miktarını azaltmak için enerji dönüşümü gerçekleştirebilen maddeler. içerir. Madde, genellikle UV emiciler olarak bilinir. Ultraviyole koruyucu maddeler genellikle bazı metal oksit tozları kullanır ve yurtiçi ve yurtdışında birçok UV emici çeşidi vardır. Yaygın olarak kullanılan salisilat bileşikleri, metal iyonu çelat bileşikleri, benzofenonlar ve benzotriazollerdir. . Nanopartiküllerin mükemmel ışık emme özellikleri kullanılarak sentetik fibere az miktarda nano-Ti02 eklenir. Çok miktarda ultraviyole ışınını koruyabildiğinden, aynı kıyafetler ve nesneler ultraviyole ışınlarını bloke etme etkisine sahiptir ve ultraviyole emiliminin neden olduğu cilt hastalıklarını ve cilt hastalıklarını önlemede yardımcı bir etkiye sahiptir.

3.2 antibakteriyel lif

Bazı metal parçacıkları (nano-gümüş parçacıkları, nano-bakır parçacıkları gibi) belirli bakterisidal özelliklere sahiptir ve genel antibakteriyel kumaşlardan daha güçlü antibakteriyel etkiye ve daha fazla yıkanabilirliğe sahip anti-bakteriyel lifler üretmek için kimyasal fiber ile birleştirilirler. Sıklık. Örneğin, Ulusal Ultra Ince Toz Mühendislik Merkezi tarafından geliştirilen ultra ince antibakteriyel toz, ürünleri reçineye antibakteriyel yetenek kazandırabilir ve çeşitli bakteri, mantar ve küfleri engelleyebilir. Antibakteriyel tozun çekirdeği, baryum sülfat veya çinko oksidin bir nanoparçacık olabilir, antibakteriyel için gümüşle kaplanmış ve mantarlara direnmek için bakır oksit ve çinko silikat ile çevrelenmiştir. Bu tozun 1%'sini Tayvan lifine ekleyerek, iyi eğrilebilirliğe sahip bir antibakteriyel lif elde edilebilir.

3.3 infrared fiber

Bazı nano ölçekli seramik tozları (zirkonya tek kristalleri, uzak kızılötesi negatif oksijen iyonlu seramik tozları gibi), bir eriyik eğirme çözeltisine dağıtılır ve daha sonra liflere dönüştürülür. Bu lif, dış enerjiyi etkili bir şekilde emebilir ve insan vücudunun biyolojik spektrumu ile aynı olan uzak kızılötesi ışınları yayabilir. Bu uzak kızılötesi radyasyon dalgası sadece insan vücudu tarafından kolayca emilmez, aynı zamanda güçlü bir nüfuz gücüne sahiptir. Cildin derinlerine nüfuz edebilir ve rezonans etkisi yaratmak için cildin derin rezonansına neden olabilir. Biyolojik hücreleri aktive eder, kan dolaşımını teşvik eder, metabolizmayı güçlendirir ve geliştirir.
Doku rejenerasyonu gibi sağlık hizmetleri.

3.4 Yüksek mukavemetli aşınmaya dayanıklı yeni malzemeler

Nanomalzemenin kendisi süper güçlü, yüksek sertlik ve yüksek tokluk özelliklerine sahiptir. Kimyasal elyaf ile entegre edildiğinde, kimyasal elyaf yüksek mukavemete, yüksek sertliğe ve yüksek tokluğa sahip olacaktır. Örneğin, karbon nanotüpler kompozit katkılar olarak kullanılır ve havacılık ve uzay tekstil malzemeleri, otomotiv lastik kordları ve diğer mühendislik tekstil malzemeleri konusunda büyük gelişme potansiyeline sahiptir.

3.5 Gizli Tekstil Malzemeleri

Bazı nano malzemeler (karbon nanotüpler gibi) iyi emici özelliklere sahiptir ve bunlar tekstil elyafına ışık eklemek için kullanılabilir. Nano malzemeler, geniş bant, güçlü emilim ve ışık dalgalarının düşük yansıtma özelliklerine sahiptir, böylece lifler ışığı yansıtmaz. Özel amaçlı yansıma önleyici kumaşlar (askeri görünmez kumaşlar gibi) yapmak için kullanılır.

3. 6 antistatik elyaf

Kimyasal elyaf eğirme işleminde metal nano malzemeler veya karbon nano malzemeler eklemek, eğrilmiş filamanların antistatik ve mikrodalga geçirmez özelliklere sahip olmasını sağlayabilir. Örneğin, karbon nanotüpler çok mükemmel bir elektrik iletkenidir. İletkenlikleri bakırdan daha iyidir. Kimyasal elyaf eğirme çözeltisinde kararlı bir şekilde dağılmak için fonksiyonel bir katkı maddesi olarak kullanılır. Farklı molar konsantrasyonlarda yapılabilir. İyi elektriksel iletkenliğe veya antistatik özelliklere sahip fiber ve kumaş.

3.7 anti-elektromanyetik elyaf

Sentetik fibere nano-Si02 eklenerek yüksek dielektrik izolasyon fiberleri elde edilebilir. Son yıllarda, iletişim ve ev aletlerinin sürekli gelişimi ile, cep telefonu, televizyon, bilgisayar, mikrodalga fırın vb. Kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Elektromanyetik alanlar tüm elektrikli ekipman ve teller etrafında bulunur ve elektromanyetik dalgalar insan kalbi, sinirler ve hamile kadınlar üzerindedir. Fetusun etkisi net bir sonuca sahiptir. Raporlara göre, Amerika Birleşik Devletleri, Japonya, Güney Kore ve diğer anti-elektromanyetik dalga kıyafetleri listelenmiş ve anti-elektromanyetik dalga liflerini hazırlamak için nano malzemelerin kullanımı ile ilgili yurtiçi araştırmalar da devam etmektedir.

3.8 Diğer fonksiyonel elyaf yığınları

Nanoölçekli veya ultra ince malzemelerin farklı özellikleri, ayrı fonksiyonel liflerde kullanılır. Toray Industries'den “XY-E”, Asahi Kasei Corporation'dan “Temmuz” ve Toyobo Co., Ltd'den “Piramidal” gibi tungsten karbür gibi yüksek özgül ağırlıkta malzemeler kullanarak ultra süspansiyonlu lifler geliştirin; ve Ti02'nin kırılma özelliklerini kullanarak opak lifler geliştirmek. Japon Unijica, kılıf çekirdekli kompozit eğirme yöntemi kullanıyor. Korteks ve çekirdek katmanı, iyi opaklığa sahip bir polyester elyaf elde etmek için farklı miktarlarda Ti02 içerir. Floresan fiber, baryum alüminat ve kalsiyum alüminatın parlaklığı kullanılarak geliştirilmiştir. Japonya'nın temel özel kimya şirketi, ana bileşenler olarak baryum alüminat ve kalsiyum alüminat ile hafif depolama malzemesi geliştirdi ve dinlenme süresi 10 saatten fazla olabilir; bazı metal çift tuzları, geçiş metali bileşikleri sıcaklık değişimleri nedeniyle kristal dönüşümüne uğrarlar. Veya ligand geometrisinin renk değişimi veya suyun “suyun” kristalizasyonu, renk değiştiren liflerin geliştirilmesi için tersinir termokromik özelliklerinin kullanılması; Mitsubishi Rayon Company, içi boş yapmak için poliesterde kolloidal kalsiyum karbonat ilavesini kullanır. Lifler, lifler üzerinde mikrogözenekler oluşturmak için alkali indirgeme ile işlenir ve fiberler iyi higroskopik özelliklere sahiptir.

4. Sonuç

Nanomalzeme bilimi, atom fiziği, yoğun madde fiziği, kolloid kimyası, katı kimya, koordinasyon kimyası, kimyasal reaksiyon kinetiği, yüzey ve arayüz bilimi kesişiminden ortaya çıkan yeni bir disiplin büyüme noktasıdır. Nanomalzemelerde yer alan, geleneksel fiziksel kimya teorisi ile açıklanması zor olan birçok bilinmeyen süreç ve yeni fenomen vardır. Bir anlamda nanomalzemeler araştırmasının ilerlemesi fizik ve kimya alanındaki birçok disiplini yeni bir seviyeye taşıyacaktır. Son yıllarda, Tayvan lifini oluşturan polimere belirli ultra ince veya nano ölçekli inorganik malzeme tozları ekleyerek, lifleri elde etmek için döndürerek, uzak kızılötesi lif ve aşınma önleyici gibi popüler bir fonksiyonel lif üretim yöntemi haline gelmiştir. belirli bir özel işlev. Ultraviyole elyaflar, manyetik elyaflar, süper sarkan elyaflar, floresan elyaflar, renk değiştiren elyaflar, antistatik elyaflar, iletken elyaflar ve yüksek higroskopik elyaflar. Nanomalzemelerin sentezindeki sürekli ilerleme ve temel teorilerin geliştirilmesi ile nanomalzemeler daha hızlı gelişecek ve uygulama dünyadaki birçok alanı kapsayacaktır.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

tr_TRTürkçe