Обзор наноматериалов

Краткая история развития нанотехнологий

В 1959 году знаменитый физик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман предсказал, что люди смогут использовать маленькие машины для создания еще более маленьких машин, и в конечном итоге расположить атомы по одному и производить продукты по одному в соответствии с желаниями человека, что было самой ранней мечтой о нанотехнологиях.

В 1991 году ученые из США успешно синтезировали углеродные нанотрубки и обнаружили, что они составляют всего одну шестую часть массы того же объема стали и в десять раз прочнее, поэтому их назвали суперволокном. Открытие наноматериалов знаменует собой новую вершину в открытии свойств материалов. В 1999 году годовой оборот нанопродукции достиг 50 миллиардов долларов.

Что такое наноматериал?

Нанометр (нм) - это единица длины, один нанометр составляет 10-9 метров (миллиардная часть метра). Для макроскопической материи нанометр - это очень маленькая единица. Диаметр человеческого волоса обычно составляет 7000-8000 нм, красных кровяных телец - 3000-5000 нм, вирусов - от десятков до сотен нанометров, а размер зерна металла вообще находится в микронном масштабе. Для микроскопической материи, такой как атомы, молекулы и так далее, которые раньше выражались в ангстремах, ангстрем - это диаметр атома водорода, а нанометр равен 10 ангстремам.

Принято считать, что наноматериалы должны включать в себя два основных условия: первое - характерный размер наноматериалов составляет от 1 до 100 нм, второе - наноматериалы обладают некоторыми особыми физическими и химическими характеристиками, которые отличают материалы обычного размера в настоящее время.

Наноматериалами называют материалы, которые имеют хотя бы одно измерение нанометрового размера (0,1-100 нм) в трехмерном пространстве или состоят из них как базовые единицы, что составляет примерно размер от 10 до 100 атомов, плотно упакованных вместе. В настоящее время наноматериалы имеют следующие области применения.

Природный наноматериал

Морские черепахи откладывают яйца у побережья Флориды в США. Однако детеныши черепах после рождения вынуждены плыть в воды близ Великобритании, чтобы выжить и вырасти в поисках пищи. В конце концов, взрослые особи возвращаются к побережью Флориды, чтобы отложить яйца. На дорогу туда и обратно уходит около пяти-шести лет. Почему черепахи способны преодолевать десятки тысяч километров? На самом деле они полагаются на наномагнитные материалы внутри головы, которые помогают им правильно ориентироваться.

Биологи, изучающие, почему такие существа, как голуби, дельфины, бабочки и пчелы, никогда не теряются, также обнаружили в их телах наноматериалы, которые помогают им ориентироваться.

Наноразмерные магнитные материалы

Большинство наноматериалов, используемых на практике, являются искусственными. Благодаря малым размерам, однодоменной структуре и высокой коэрцитивной силе, материалы для магнитной записи из наночастиц не только лучше по качеству звука, изображения и соотношению сигнал-шум, но и имеют плотность записи в десятки раз выше, чем уγ-Fe2O3. Суперпарамагнитные сильные магнитные наночастицы также могут быть сделаны в виде магнитных жидкостей для электроакустических устройств, демпфирующих устройств, ротационных уплотнений, смазки и обогащения минералов.

Нанокерамический материал

Зерна традиционного керамического материала нелегко скользят, материал хрупкий, а температура спекания высокая, в то время как нанокерамика имеет маленькие зерна, которые легко перемещаются по другим зернам. Поэтому нанокерамика обладает высокой прочностью, высокой вязкостью и хорошей пластичностью, благодаря чему нанокерамические материалы можно обрабатывать холодом при комнатной температуре или при высокой температуре.

Наносенсор

Наноцирконий, оксид никеля, диоксид титана и другие керамические материалы очень чувствительны к изменениям температуры, инфракрасному излучению и автомобильным выхлопам. В результате они могут быть использованы для изготовления датчиков температуры, инфракрасных детекторов и детекторов автомобильных выхлопов, с гораздо более высокой чувствительностью обнаружения, чем обычные аналогичные керамические датчики.

Наноградиентные функциональные материалы

В аэрокосмических водородно-кислородных двигателях внутренняя поверхность камеры сгорания должна быть устойчива к высокой температуре, а внешняя - контактировать с охлаждающей жидкостью. Поэтому внутренняя поверхность должна быть выполнена из керамики, а внешняя - из металла с хорошей теплопроводностью. Однако кусковая керамика и металл трудно соединяются друг с другом. Если состав металла и керамики изменяется постепенно и непрерывно в процессе производства, металл и керамика могут быть "соединены друг с другом", в конечном итоге они могут быть объединены в градиентные функциональные материалы. Когда наночастицы металла и керамики смешиваются и формируются путем спекания в соответствии с требованием постепенного изменения их содержания, это может удовлетворить требование высокотемпературной стойкости внутри камеры сгорания и хорошей теплопроводности снаружи.

Нанополупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы, такие как кремний и арсенид галлия, обладают множеством превосходных свойств. Например, эффект квантового туннелирования в нанополупроводнике делает перенос электронов в некоторых полупроводниковых материалах ненормальным, проводимость уменьшается, а теплопроводность снижается по мере уменьшения размера частиц, даже появляется отрицательное значение. Все вышеперечисленные характеристики играют важную роль в области приборов Lsi (крупномасштабных интегральных схем) и оптоэлектронных устройств. Поскольку электроны и дырки, генерируемые нанополупроводниковыми частицами при облучении светом, обладают сильной восстановительной и окислительной способностью, они могут окислять токсичные неорганические вещества, разлагать большинство органических веществ и в конечном итоге производить нетоксичный углекислый газ без запаха, воду и так далее. Поэтому полупроводниковые наночастицы можно использовать для катализа разложения неорганических и органических веществ под действием солнечной энергии.

Нанокаталитический материал

Наночастицы являются отличным катализатором. Наночастицы имеют малый размер, большую объемную долю на поверхности, различное состояние химической связи и электронное состояние на поверхности, а также неполную координацию атомов на поверхности, что приводит к увеличению активной позиции на поверхности, что делает его пригодным в качестве катализатора.

Гидрирование никелевых или медно-цинковых наночастиц до некоторых органических веществ является отличным катализатором и может заменить дорогостоящие платиновые или палладиевые катализаторы. Нанометровый катализатор платиновый черный может сделать температуру реакции окисления этилена сниженной с 600 ℃ до комнатной температуры.

Применение в медицине

Красные кровяные тельца в крови имеют размер от 6, 000 до 9, 000 нм, в то время как наночастицы имеют размер всего в несколько нанометров, что на самом деле намного меньше, чем красные кровяные тельца, поэтому они могут свободно перемещаться в крови. Если вводить различные терапевтические наночастицы в различные части тела, их можно исследовать и лечить, что более эффективно, чем традиционные инъекции и лекарства.

Углеродные материалы хорошо растворяются в крови. В XXI веке искусственные сердечные клапаны покрываются слоем пиролитического углерода или алмазоподобного углерода на материальной подложке. Однако этот процесс осаждения сложен и, как правило, применим только для получения твердых материалов.

Для изготовления интервенционного газового баллончика и катетера обычно используется высокоэластичный полиуретановый материал. Внедрив углеродные нанотрубки с высоким соотношением длины и диаметра и чистые атомы углерода в полиуретан с высокой эластичностью, мы можем сделать этот полимерный материал сохраняющим свои отличные механические свойства и легко поддающимся обработке и формовке, с одной стороны, и получить лучшую растворимость крови.

Результаты показали, что нанокомпозит реже вызывает гемолиз и реже активирует тромбоциты; использование нанотехнологий может сделать процесс производства лекарств все более и более тонким, а также напрямую использовать расположение атомов и молекул в масштабе наноматериалов для создания лекарств с определенными функциями; Наночастицы облегчат перемещение лекарств по организму, а "умные" препараты, обернутые в слои наночастиц, смогут активно искать и атаковать раковые клетки или восстанавливать поврежденные ткани; новые диагностические приборы с использованием нанотехнологий смогут выявлять заболевания по белкам и ДНК в небольшом количестве крови. Особые свойства наночастиц могут быть модифицированы на их поверхности для формирования некоторых транспортных носителей лекарств с целевым, контролируемым высвобождением и легким обнаружением, обеспечивая новый метод лечения локальных патологических изменений в организме и открывая новое направление для разработки лекарств.

Наномеханический компьютер

Первый в мире электронный компьютер появился на свет в 1945 году, его успешно разработали совместно американские университеты и армия, разделив на 18 000 трубок, общим весом 30 т, занимающих площадь около 170 ㎡. Это джамбо, но он может выполнять только 5 000 операций за 1 секунду.

Спустя полвека развитие технологий интегральных схем, микроэлектроники, технологий хранения информации, компьютерных языков и технологий программирования позволило добиться быстрого прогресса в компьютерных технологиях. Современные компьютеры достаточно малы, чтобы поместиться на столе. Они весят в десятки миллионов раз больше своих предшественников, но работают гораздо быстрее, чем первые электронные компьютеры.

Если использовать нанотехнологии для создания устройств электронных компьютеров, то компьютер будущего станет своего рода "молекулярным компьютером". Он будет гораздо компактнее современных компьютеров и принесет обществу значительную пользу в виде экономии материалов и энергии.

Чипы памяти из наноматериалов, способные считывать данные с карт памяти на жестких дисках и вмещающие в тысячи раз больше памяти, чем микросхемы, уже производятся. После широкого применения наноматериалов компьютеры могут уменьшиться до размеров наладонника.

УНТ (углеродная нанотрубка)

В 1991 году японские специалисты произвели материал, названный углеродными нанотрубками. Это трубка, состоящая из множества шестиугольных круглых атомов углерода, или же она может быть сделана из нескольких коаксиальных трубок. Оба конца однослойной и многослойной трубки часто запаиваются, как показано здесь.

Диаметр и длина трубки из атомов углерода наноразмерные, поэтому ее называют углеродной нанотрубкой. Ее прочность на разрыв в 100 раз выше, чем у стали, а электропроводность выше, чем у меди.

Углеродные нанотрубки в воздухе нагреваются до 700 ℃ или около того, чтобы сделать трубу в верхней части клешнеобразного устройства атома углерода из-за повреждения от окисления, стали открытыми углеродными нанотрубками. Затем низкоплавкий металл (например, свинец) испаряется электронным лучом и конденсируется на открытой углеродной нанотрубке. В результате сифонирования металл попадает в полую сердцевину углеродной нанотрубки. Из-за чрезвычайно малого диаметра углеродных нанотрубок металлические проволоки, образующиеся внутри них, также очень тонкие. Их называют нанопроволоками. Поэтому углеродные нанотрубки в сочетании с нанопроводами могут стать новыми сверхпроводниками.

В разных странах мира нанотехнологии пока находятся в зачаточном состоянии. Хотя в некоторых странах, таких как США, Япония и Германия, нанотехнологии уже начали формироваться, они все еще находятся в стадии исследований, и новые теории и технологии продолжают появляться.

Бытовая техника

Многофункциональный нанопластик из наноматериалов обладает функциями антибактериальной, дезодорирующей, антисептической, антивозрастной и антиультрафиолетовой, что позволяет использовать его в качестве антибактериального дезодорирующего пластика в корпусе холодильника и кондиционера.

Защита окружающей среды

Появятся наномембраны с уникальными функциями в области экологии. Мембрана может обнаруживать загрязнения, вызванные химическими и биологическими агентами, и фильтровать их для устранения загрязнения.

Текстильная промышленность

Нано-SiO2, нано-ZnO и нано-SiO2 композитные порошковые материалы добавляются в синтетическую волокнистую смолу. После вытягивания и плетения белье и одежда могут быть стерилизованы, предотвращены плесень, дезодорированы и устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Кроме того, оно может быть использовано в производстве антибактериального белья, расходных материалов, а также может быть изготовлено в соответствии с требованиями оборонной промышленности из функционального волокна против ультрафиолетового излучения.

Машиностроительная промышленность

Нанопорошковое покрытие на металлической поверхности основных механических деталей применяется для повышения износостойкости, твердости и срока службы механического оборудования.