Panoramica dei nanomateriali

Breve storia dello sviluppo delle nanotecnologie

Nel 1959, il famoso fisico e premio Nobel Richard Feynman predisse che l'uomo avrebbe potuto utilizzare macchine più piccole per creare macchine ancora più piccole e, infine, disporre gli atomi uno alla volta e realizzare prodotti uno alla volta secondo i desideri dell'uomo, che era il primo sogno della nanotecnologia. era il primo sogno della nanotecnologia.

Nel 1991, alcuni scienziati statunitensi sintetizzarono con successo dei nanotubi di carbonio e scoprirono che erano solo un sesto della massa dello stesso volume di acciaio e dieci volte più resistenti, tanto da essere chiamati superfibre. La scoperta dei nanomateriali segna un nuovo apice nella scoperta delle proprietà dei materiali. Nel 1999, il fatturato annuo dei nano-prodotti ha raggiunto i 50 miliardi di dollari.

Che cos'è il nanomateriale?

Il nanometro (nm) è un'unità di lunghezza e un nanometro corrisponde a 10-9 metri (miliardesimo di metro). Per la materia macroscopica, il nanometro è un'unità molto piccola. Il diametro dei capelli umani è generalmente di 7000-8000 nm, mentre i globuli rossi umani sono generalmente di 3.000-5000 nm, e anche il virus in generale è di decine o centinaia di nanometri, e la dimensione dei grani di metallo è generalmente nella scala dei micron. Per quanto riguarda la materia microscopica come atomi, molecole e così via, che in passato veniva espressa come angstrom, un angstrom è il diametro di un atomo di idrogeno e un nanometro è pari a 10 angstrom.

In genere si ritiene che i nanomateriali debbano includere due condizioni fondamentali: una è che la dimensione caratteristica dei nanomateriali sia compresa tra 1 e 100 nm, e l'altra è che i nanomateriali abbiano alcune speciali caratteristiche fisiche e chimiche che distinguono i materiali di dimensioni normali in questo momento.

I nanomateriali si riferiscono a materiali che hanno almeno una dimensione di dimensioni nanometriche (0,1-100 nm) nello spazio tridimensionale o che sono composti da unità di base, ovvero dalle dimensioni di 10-100 atomi strettamente impacchettati tra loro. Attualmente, i nanomateriali hanno le seguenti applicazioni.

Nanomateriale naturale

Le tartarughe marine depongono le uova vicino alle coste della Florida, negli Stati Uniti. Tuttavia, i piccoli di tartaruga dopo la nascita devono nuotare verso le acque vicine al Regno Unito per sopravvivere e crescere in cerca di cibo. Alla fine, gli adulti tornano sulle coste della Florida per deporre le uova. Ci vogliono circa cinque o sei anni per fare avanti e indietro. Perché le tartarughe sono in grado di viaggiare per decine di migliaia di chilometri? In realtà, si affidano a materiali nanomagnetici all'interno della testa per navigare correttamente.

Anche i biologi che studiano il motivo per cui creature come piccioni, delfini, farfalle e api non si perdono mai hanno trovato nel loro corpo dei nanomateriali che li guidano.

Materiali magnetici in nanoscala

La maggior parte dei nanomateriali utilizzati nella pratica sono artificiali. Grazie alle dimensioni ridotte, alla struttura a dominio singolo e all'elevata coercitività, i materiali di registrazione magnetica costituiti da nanoparticelle non solo sono migliori in termini di qualità del suono, delle immagini e del rapporto segnale-rumore, ma hanno anche una densità di registrazione decine di volte superiore a quella diγ-Fe2O3. Le nanoparticelle magnetiche superparamagnetiche forti possono anche essere trasformate in liquidi magnetici per i settori dei dispositivi elettroacustici, dei dispositivi di smorzamento, della sigillatura rotante, della lubrificazione e del trattamento dei minerali.

Materiale nano-ceramico

I grani dei materiali ceramici tradizionali non sono facili da far scorrere, il materiale è fragile e la temperatura di sinterizzazione è elevata, mentre i nanoceramici hanno grani piccoli che si muovono facilmente su altri grani. Pertanto, le nanoceramiche hanno un'elevata resistenza, un'alta tenacità e una buona duttilità, che fanno sì che i materiali nanoceramici possano essere lavorati a freddo a temperatura ambiente o ad alta temperatura.

Nanosensore

Lanano zirconia, l'ossido di nichel, il biossido di titanio e altre ceramiche sono molto sensibili alle variazioni di temperatura, agli infrarossi e ai gas di scarico delle automobili. Di conseguenza, possono essere utilizzati per realizzare sensori di temperatura, rivelatori a infrarossi e rivelatori di gas di scarico, con una sensibilità di rilevamento molto più elevata rispetto ai comuni sensori ceramici simili.

Materiali funzionali a nano gradiente

Nei motori aerospaziali a idrogeno e ossigeno, la superficie interna della camera di combustione deve essere resistente alle alte temperature, mentre la superficie esterna deve essere a contatto con il liquido di raffreddamento. Pertanto, la superficie interna deve essere realizzata in ceramica, mentre la superficie esterna deve essere realizzata in metallo con una buona conducibilità termica. Tuttavia, le ceramiche e i metalli grumosi sono difficili da legare tra loro. Se la composizione del metallo e della ceramica viene modificata in modo graduale e continuo durante la produzione, il metallo e la ceramica possono essere "connessi l'uno con l'altro" e, infine, possono essere combinati per formare materiali funzionali a gradiente. Quando le nanoparticelle di metallo e ceramica vengono mescolate e formate per sinterizzazione in base ai requisiti del loro contenuto che cambia gradualmente, possono soddisfare i requisiti di resistenza alle alte temperature all'interno della camera di combustione e di buona conducibilità termica all'esterno.

Materiali nano-semiconduttori

I materiali semiconduttori come il silicio e l'arseniuro di gallio hanno molte proprietà eccellenti. Ad esempio, l'effetto tunneling quantistico nei nano semiconduttori rende anomalo il trasporto di elettroni di alcuni materiali semiconduttori, la conduttività diminuisce e la conduttività termica diminuisce al diminuire delle dimensioni delle particelle, fino a raggiungere un valore negativo. Tutte queste caratteristiche giocano un ruolo importante nel campo dei dispositivi Lsi（Large Scale Integrated circuit） e dei dispositivi optoelettronici. Poiché gli elettroni e i fori generati dalle particelle di nano-semiconduttore sotto l'irradiazione della luce hanno una forte capacità di riduzione e ossidazione, possono ossidare le sostanze inorganiche tossiche, degradare la maggior parte delle sostanze organiche e produrre infine anidride carbonica, acqua e così via, non tossici e inodori. Pertanto, le nanoparticelle di semiconduttore possono essere utilizzate per catalizzare la decomposizione della materia inorganica e organica mediante l'energia solare.

Materiale nanocatalitico

Le nanoparticelle sono un eccellente catalizzatore. Le nanoparticelle hanno dimensioni ridotte, una grande frazione di volume sulla superficie, uno stato di legame chimico e uno stato elettronico diversi sulla superficie e una coordinazione incompleta degli atomi sulla superficie, con conseguente aumento della posizione attiva sulla superficie, che le rende qualificate come catalizzatori.

L'idrogenazione di nanoparticelle di nichel o rame-zinco ad alcuni organici è un eccellente catalizzatore e può sostituire i costosi catalizzatori di platino o palladio. Il catalizzatore nanometrico nero di platino può ridurre la temperatura della reazione di ossidazione dell'etilene da 600 ℃ a temperatura ambiente.

Applicazioni mediche

I globuli rossi nel sangue hanno dimensioni comprese tra 6.000 e 9.000 nm, mentre le nanoparticelle hanno dimensioni di pochi nanometri, molto più piccole dei globuli rossi, e possono quindi muoversi liberamente nel sangue. Se una serie di nanoparticelle terapeutiche viene iniettata in varie parti del corpo, queste possono essere esaminate e trattate, il che è più efficace delle iniezioni e dei farmaci tradizionali.

I materiali di carbonio sono altamente solubili nel sangue. Nel XXI secolo, le valvole cardiache artificiali vengono depositate sul substrato materiale con uno strato di carbonio pirolitico o di carbonio simile al diamante. Tuttavia, questo processo di deposizione è complesso e generalmente applicabile solo alla preparazione di materiali duri.

Il gasbag e il catetere interventistico sono generalmente preparati con un materiale poliuretanico altamente elastico. Introducendo nanotubi di carbonio con un elevato rapporto lunghezza-diametro e atomi di carbonio puro nel poliuretano ad alta elasticità, possiamo far sì che questo materiale polimerico mantenga le sue eccellenti proprietà meccaniche e sia facile da lavorare e modellare, ottenendo da un lato una migliore solubilità del sangue.

I risultati hanno mostrato che il nanocomposito aveva meno probabilità di causare emolisi e meno probabilità di attivare le piastrine; l'uso della nanotecnologia può rendere il processo di produzione dei farmaci sempre più raffinato e utilizzare direttamente la disposizione di atomi e molecole sulla scala dei nanomateriali per realizzare farmaci con funzioni specifiche; le nanoparticelle renderanno più facile il viaggio dei farmaci nel corpo, dove i farmaci intelligenti avvolti in strati di nanoparticelle possono cercare e attaccare attivamente le cellule tumorali o riparare i tessuti danneggiati; i nuovi strumenti diagnostici che utilizzano le nanotecnologie possono rilevare le malattie attraverso le proteine e il DNA in una piccola quantità di sangue. Le proprietà speciali delle nanoparticelle possono essere modificate sulla loro superficie per formare alcuni vettori di trasporto di farmaci con un rilascio mirato e controllabile e un facile rilevamento, fornendo un nuovo metodo per il trattamento di cambiamenti patologici locali nel corpo e aprendo una nuova direzione per lo sviluppo di farmaci.

Computer nanomeccanico

Il primo computer elettronico al mondo è nato nel 1945, è stato sviluppato con successo congiuntamente dalle università americane e dall'esercito, una condivisione dei 18 000 tubi, il peso totale di 30 t, copre una superficie di circa 170 ㎡. È un jumbo, ma può fare solo 5.000 operazioni in 1 secondo.

Dopo mezzo secolo, lo sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati, della microelettronica, della tecnologia di memorizzazione delle informazioni, del linguaggio informatico e della tecnologia di programmazione ha fatto compiere rapidi progressi alla tecnologia informatica. I computer di oggi sono tanto piccoli da stare su un tavolo. Pesano un decimo di milione di volte rispetto ai loro predecessori, ma sono molto più veloci dei primi computer elettronici.

Se la nanotecnologia verrà utilizzata per costruire i dispositivi dei computer elettronici, il computer del futuro sarà una sorta di "computer molecolare". È molto più compatto dei computer di oggi e porterà notevoli vantaggi alla società in termini di risparmio di materiali ed energia.

Sono già in produzione chip di memoria di classe nanomateriale, in grado di leggere i lettori di schede sui dischi rigidi e di contenere una quantità di memoria migliaia di volte superiore a quella dei chip. I computer possono essere ridotti a un palmare dopo l'uso diffuso dei nanomateriali.

CNT (nano-tubo di carbonio)

Nel 1991, esperti giapponesi hanno prodotto il materiale chiamato nanotubi di carbonio. Si tratta di un tubo costituito da una serie di atomi di carbonio circolari esagonali, oppure può essere costituito da più tubi coassiali. Entrambe le estremità del tubo a strato singolo o multistrato sono spesso sigillate, come mostrato qui.

Il diametro e la lunghezza di questo tubo fatto di atomi di carbonio sono tutti su scala nanometrica, per cui viene chiamato nanotubo di carbonio. La sua resistenza alla trazione è 100 volte superiore a quella dell'acciaio e la sua conduttività è superiore a quella del rame.

I nanotubi di carbonio sono stati riscaldati in aria a circa 700 ℃ per creare un tubo in cima al dispositivo a forma di tenaglia dell'atomo di carbonio a causa di un danno da ossidazione, diventando nanotubi di carbonio aperti. Quindi, il metallo a bassa fusione (come il piombo) viene evaporato dal fascio di elettroni e condensato sul nanotubo di carbonio aperto. Per effetto del sifonamento, il metallo entra nel nucleo cavo del nanotubo di carbonio. A causa del diametro estremamente ridotto dei nanotubi di carbonio, anche i fili metallici che si formano all'interno dei tubi sono molto sottili. Sono chiamati nanofili. Pertanto, i nanotubi di carbonio combinati con i nanofili possono diventare nuovi superconduttori.

Le nanotecnologie sono ancora in fase embrionale nei Paesi di tutto il mondo. Sebbene alcuni Paesi, come gli Stati Uniti, il Giappone e la Germania, abbiano iniziato a prendere forma, sono ancora in fase di ricerca e stanno emergendo nuove teorie e tecnologie.

Elettrodomestici

La plastica nano multifunzionale fatta di nanomateriali ha funzioni antibatteriche, deodoranti, antisepsi, anti-invecchiamento e anti-ultraviolette, che possono essere utilizzate come plastica deodorante antibatterica nel guscio del frigorifero e del condizionatore d'aria.

Protezione dell'ambiente

Ci saranno nano-membrane con funzioni uniche nel campo della scienza ambientale. La membrana può rilevare l'inquinamento causato da agenti chimici e biologici e può filtrare tali agenti per eliminare l'inquinamento.

Industria tessile

I materiali in polvere compositi nano-SiO2, nano-ZnO e nano-SiO2 vengono aggiunti alla resina di fibra sintetica. Dopo essere stati disegnati e tessuti, la biancheria intima e gli indumenti possono essere sottoposti a sterilizzazione, prevenzione della muffa, deodorazione e resistenza ai raggi ultravioletti. Inoltre, può essere utilizzato nella produzione di biancheria intima antibatterica, forniture e può essere prodotto per soddisfare i requisiti dell'industria della difesa per la fibra funzionale anti-radiazioni ultraviolette.

Industria meccanica

Il rivestimento in nanopolveri sulla superficie metallica di parti meccaniche chiave viene applicato per migliorare la resistenza all'usura, la durezza e la durata delle apparecchiature meccaniche.