נצפה כי התכונות הקוונטיות של החומר יכולות להיות שונות ברמת הננו. חומר המתנהג כמבודד ברמה המולקולרית יכול לבטא את התכונות של המוליך כאשר מסתכלים על רמת הננו. הננוטכנולוגיה הופיעה כמתודולוגיית המחקר העוסקת בחקר השינוי בתכונות החומר במידות הננו. זה כולל לימוד שילוב של מדעים שונים כגון פיזיקה קוונטית, פיזיקה של מוליכים למחצה, חומר ייצור וכו 'ברמה הננומטרית. חומרים שנוצרו על ידי שימוש בעקרונות ובשיטות הננוטכנולוגיה, שתכונותיהם בין המאפיינים של מוצקים מקרוסקופיים ומערכות אטומיות, מכונים ננו-חומרים.
מהם ננו-חומרים?
המונח ננו מתייחס לממד של 10-9מטר. זהו החלק המיליארד של מטר. לכן, החלקיקים שכל אחד מהממדים החיצוניים או ממד המבנה הפנימי או ממד מבנה פני השטח נעים בטווח של 1 ננומטר עד 100 ננומטר נחשבים לחומרים ננו.
חומרים אלה בלתי נראים לעין בלתי מזוינת. הגישה המבוססת על מדע חומרי של ננוטכנולוגיה נחשבת לננו-חומרים. בקנה מידה זה, לחומרים אלה יש תכונות אופטיות, אלקטרוניות, מכניות וקוונטיות ייחודיות בהשוואה להתנהגותם בקנה מידה מולקולרי.
חומר ננו יכול להיות אובייקט ננו או חומר ננו-מבנה. אובייקטים של נאו הם חלקי החומר הנפרדים, לעומת זאת, לחומרים בננו-מבניים יש את המבנה הפנימי או המשטחי שלהם בממד הננו.
חומרי ננו יכולים להיות בעלי קיום טבעי, מיוצרים באופן מלאכותי או נוצרו אגב. עם ההתקדמות במחקר, ננו-חומרים ממוסחרים ומשמשים כמוצרים.
מאפייני ננו-חומרים
שינוי דרסטי ב תכונות של חומרי ננו ניתן לצפות כאשר הם מתמוטטים לרמה של ננו. ככל שאנו הולכים לעבר רמת הננו-רמה מהרמה המולקולרית, המאפיינים האלקטרוניים של חומרים משתנים עקב אפקט הגודל הקוונטי. ניתן לראות שינוי בתכונות המכניות, התרמיות והקטליטיות של החומרים עם הגידול ביחס השטח לנפח ברמה הננומטרית.
רבים מחומרי הבידוד מתחילים להתנהג כמוליכים בממדי הננו. באופן דומה, ככל שאנו מגיעים לממדים הננומטריים ניתן לראות תופעות קוונטיות ומשטחיות מעניינות רבות.
גודל החלקיקים, צורתם, הרכבם הכימי, מבנה הגביש, היציבות הפיזיקוכימית, שטח הפנים ואנרגיית השטח וכו '... מייחסים לתכונות הפיזיקוכימיות של חומרי הננו. ככל ששטח הפנים לנפח של חומרי הננו גדל, פני השטח שלהם הופכים לתגובתי יותר על עצמו ועל מערכות אחרות. לגודל החומרים הננויים תפקיד חשוב בהתנהגותם התרופתית. כאשר חומרי ננו מתקשרים עם מים או אמצעי פיזור אחרים הם יכולים לסדר מחדש את מבנה הגביש שלהם. הגודל, ההרכב ומטען השטח של חומרי הננו משפיעים על מצבי הצבירה שלהם. המאפיינים המגנטיים, הפיזיקוכימיים והפסיכוקינטיים של חומרים אלה מושפעים מציפוי פני השטח. חומרים אלה מייצרים ROS כאשר פני השטח שלהם מגיבים עם חמצן, אוזון וחומרי מעבר.
ברמה הננומטרית, האינטראקציה בין חלקיקים נובעת מכוחות ואן דר וואל או מקשרים קוטביים או קוולנטיים חזקים. ניתן לשנות את תכונות השטח של חומרי הננו ואת האינטראקציות שלהם עם אלמנטים וסביבות אחרות בעזרת פולי-אלקטרוליטים.
דוגמאות
חומרי ננו יכולים להימצא כננו-חומרים מהונדסים, כקריים או כקיום טבעי. חומרי ננו מהונדסים מיוצרים על ידי בני אדם עם כמה תכונות רצויות. הם כוללים פחמן שחור וננו-טיטניום דו-חמצני. החלקיקים ננו גם מיוצרים עקב תהליכים מכניים או תעשייתיים אגב כמו בזמן אגזוזי רכב, אדי ריתוך, בישול וחימום דלק. חומרי ננו אטמוספריים המיוצרים אגב ידועים גם כחלקיקים אולטרה עדינים. Fullerenes הם חומר הננו המיוצר עקב שריפת ביומסה, נר.
ננו-צינור
חומרי ננו טבעיים קיימים נוצרים עקב תהליכים טבעיים רבים כמו שריפות יער, אפר וולקני, ריסוס לאוקיאנוס, בליה של מתכות וכו '... חלק מה דוגמאות לחומרים ננו במערכות ביולוגיות קיימים מבנה גבישי שעווה המכסים לוטוס, מבנה נגיפים, משי קרדית עכביש, גוון כחול של עכבישים טרנטולה, קשקשי כנפי פרפר. חלקיקים כמו חלב, דם, קרן, שיניים, עור, נייר, אלמוגים, מקור, נוצות, מטריצת עצם, כותנה, ציפורניים וכו 'הם חומרי ננו אורגניים טבעיים. חימר הם הדוגמה לננו-אורגניים טבעיים המתרחשים באופן טבעי, מכיוון שהם נוצרים עקב גידולי קריסטל בתנאים כימיים מגוונים על קרום כדור הארץ.
מִיוּן
הסיווג של חומרי הננו תלוי בעיקר במורפולוגיה ובמבנה שלהם, הם מסווגים לשתי קבוצות עיקריות כחומרים מאוחדים ונפוצות ננו. חומרי ננו מאוחדים מסווגים עוד למספר קבוצות. מערכות המפזר החד-ממדי של ננו מכונות בשם ננו-אבקות וננו-חלקיקים. כאן חלקיקי הננו מסווגים עוד יותר כננו-קריסטלים, ננו-אשכולות, ננו-צינורות, מולקולות-על וכו '.
עבור חומרי הננו, הגודל הוא תכונה פיזית חשובה. חומרים ננו מסווגים לעיתים קרובות בהתאם למספר המידות שלהם תחת ננו. הננו-חומר שכל שלושת הממדים שלו הם בקנה מידה ננו ואין הבדל משמעותי בין הצירים הארוכים והקצרים ביותר, נקראים חלקיקים. חומרים עם שני המימדים שלהם בקנה המידה הננו נקראים Nanofibres. ננו-סיבים חלולים מכונים ננו-צינורות והמוצקים נקראים ננורודים. חומרים בעלי מימד אחד במידות הננו מכונים ננו-פלאטים. ננו-פלאטים עם שני ממדים ארוכים שונים מכונים Nanoribbons.
בהתבסס על שלבי החומר הכלולים בחומרים הננומטריים הם מסווגים כחומרים ננו-קומפוזיטיים, ננו-קצף, ננו-נקבוביים וננו-גבישיים. חומרים מוצקים המכילים לפחות אזור אחד מבחינה פיזית או כימית עם אזור אחד לפחות עם ממדים בקנה הננו נקראים Nano Composites. ננו-קצף מכיל מטריצה נוזלית או מוצקה, המלאה בשלב גזי ולאחד משני השלבים יש ממדים במידות הננו.
חומרים מוצקים עם ננו-נקבוביות, חללים עם ממדים בקנה-הננו נחשבים לחומרים ננו-פורומיים. לחומרים ננו-גבישיים יש גרגרי קריסטל בקנה המידה הננו.
יישומים של חומרי ננו
כיום ננו-חומרים ממוסחרים מאוד. חלק מהחומרים המסחריים הזמינים בשוק הם מוצרי קוסמטיקה, טקסטיל עמיד בפני מאמץ, אלקטרוניקה, מסנני קרינה, צבעים וכו '... ציפוי ננו ומרכיבים ננו משמשים במוצרי צריכה שונים כגון ציוד ספורט, חלונות, מכוניות וכו'. להגנה על הנזק. הנגרם למשקאות מאור השמש, בקבוקי זכוכית מצופים בציפוי ננו החוסם את קרני ה- UV. באמצעות מרוכבים מחימר ננו מיוצרים כדורי טניס עמידים יותר. סיליקה ננומטרית משמשת כמילוי בסתימות שיניים.
התכונות האופטיות של חומרי הננו משמשות ליצירת גלאים אופטיים, חיישנים, לייזרים, תצוגות, תאי שמש. מאפיין זה משמש גם בביו-רפואה ופוטו-אלקטרוכימיה. בתאי דלק מיקרוביאליים, האלקטרודות מורכבות מצינורות פחמן. סלניד אבץ ננו-גבישי משמש במסכי התצוגה כדי להגדיל את הרזולוציה של הפיקסלים היוצרים מכשירי טלוויזיה High Definition ומחשבים אישיים. בתעשייה המיקרו-אלקטרונית, מודגש במזעור מעגלים כמו טרנזיסטורים, דיודות, נגדים וקבלים.
נעשה שימוש בחוטי ננו להיווצרות ללא צומת טרנזיסטורים . חומרי ננו משמשים גם כזרזים בממירים זרזים לרכב ובמערכות ייצור חשמל, כדי להגיב עם גזים רעילים כמו פחמן חד חמצני ותחמוצת חנקן, ובכך מונעים את זיהום הסביבה הנגרם על ידיהם. כדי להגדיל את מקדם ההגנה מפני השמש (SPF) במסנני קרינה נעשה שימוש ב- nano-TiO2. כדי לספק משטח פעיל מאוד לחיישנים משתמשים בשכבות ננולוליות מהונדסות.
פולרנים משמשים בסרטן לטיפול בתאים סרטניים כגון מלנומה. אלה מצאו שימוש גם כחומרים מיקרוביאלים המופעלים באמצעות אור. בשל המאפיינים האופטיים והחשמליים שלהם, נקודות קוונטיות, חוטי ננו ונורוד בחרו מאוד באופטואלקטרוניקה. חומרי ננו נבדקים ליישומים בתחום הנדסת רקמות, אספקת תרופות וחייבי ביו. ננו-אנזימים הם האנזימים המלאכותיים המשמשים לחישה ביולוגית, הדמיה ביולוגית, לגילוי גידולים.
יתרונות וחסרונות של חומרי ננו
התכונות החשמליות, המגנטיות, האופטיות והמכניות של הננו-חומרים סיפקו יישומים מרתקים רבים. המחקר עדיין מתבצע כדי לדעת על מאפיינים אלה. המאפיינים של חומרי הננו שונים מזו של מודל גודל בתפזורת. חלק מהיתרונות של חומרי הננו הם כדלקמן -
- ננו-חומר מוֹלִיך לְמֶחֱצָה חלקיקי q מראים אפקטים של כליאה קוונטית, ובכך מקנים להם את מאפיין הארה.
- בהשוואה לקרמיקה גרגרית גסה, קרמיקה ננו-פאזית נמשכת יותר בטמפרטורות גבוהות.
- תכונת הריתוך הקרה של אבקות המתכת הננומטריות יחד עם משיכותן שימושית מאוד לקשירת מתכת-מתכת.
- חלקיקים מגנטיים חד-ממודדים מספקים נכס סופר-מגנטי.
- אשכולות מתכת בננו-מבנים של הרכב מונומטאלי משמשים כמבשרים לזרזים הטרוגניים.
- עבור תאים סולריים, סרטי סיליקון ננו-גבישיים יוצרים מגע שקוף ביותר.
- סרטים נקבוביים של תחמוצת טיטניום בננו-ננו מספקים שידור גבוה ושיפור שטח הפנים.
- אתגרים העומדים בפני התעשייה המיקרו-אלקטרונית במזעור המעגלים כמו פיזור לקוי של חום הנוצר במהירות גבוהה מעבדים , ניתן להתגבר על אמינות ירודה בעזרת חומרים ננומטריים. אלה מספקים מוליכות תרמית גבוהה, עמידות גבוהה, וחיבורי קשר עמידים לאורך זמן.
ישנם גם חסרונות טכנולוגיים הנמצאים בשימוש בחומרים ננו. חלק מהחסרונות הם כדלקמן -
- חוסר יציבות של חומרי הננו.
- עמידות לקורוזיה ירודה.
- מסיסות גבוהה.
- כאשר חומרי הננו עם השטח הגבוה באים במגע ישיר עם בעירה אקסותרמית של חמצן המובילה לפיצוץ.
- טוּמאָה
- חומרי ננו נחשבים כמזיקים ביולוגית. אלה הם בעלי רעילות גבוהה אשר עלולה להוביל לגירויים.
- מְסַרטֵן
- קשה לסנתז
- אין פינוי בטוח זמין
- קשה למחזר
היום חומרי ננו יחד עם ננוטכנולוגיה מחולל מהפכה בדרכי הייצור של מוצרים שונים. שם שם של ננו-חומר אורגני?
