Pin
Send
Share
Send


Кремний наноқұны.Таралу электронды микроскопымен байқалғандағы нанодиондтар.

Нанотехнологияда бөлшек, оның тасымалдануы мен қасиеттері жағынан тұтас бірлік ретінде әрекет ететін ұсақ объект ретінде анықталады. Бөлшектер мөлшері бойынша жіктеледі. Осылайша, «ұсақ бөлшектер» - диаметрі 100-2500 нанометр (нм) диаметрі барлар, ал «ультрафинді бөлшектердің» диаметрі 1 ден 100 нанометрге дейін. Ультрафинді бөлшектер сияқты, нанобөлшектер диаметрі 1-ден 100 нанометрге дейін анықталады, дегенмен екі өлшеммен шектеуге болады. Өлшем диапазонының кішкентай ұшында нанобөлшектерді көбінесе кластерлер деп атайды. Сонымен қатар, наносфералар, нанородтар және нанокуптар - өсірілген бірнеше пішін.

Металл, диэлектрик және жартылай өткізгіштік нанобөлшектер, сондай-ақ гибридті құрылымдар (ядро қабығы нанобөлшектері сияқты) дайындалды. Жартылай өткізгіш материалдан жасалған нанобөлшектерге кванттық нүктелер де белгіленуі мүмкін, егер олар аз болса (әдетте 10 нм-ден төмен) электронды энергия деңгейлерін кванттау жүреді. Жартылай қатты және жұмсақ нанобөлшектер шығарылды. Жартылай қатты табиғаттағы нанобөлшектердің прототипі - липосома.

Қазіргі уақытта нанобөлшектерді зерттеу биомедициналық, оптикалық және электронды салалардағы ықтимал қосымшалардың көптігіне байланысты қарқынды ғылыми зерттеулер саласы болып табылады. Ұлттық нанотехнология бастамасы Америка Құрама Штаттарында нанобөлшектерді зерттеуге жомарт мемлекеттік қаржы тартуға алып келді. Нанобөлшектердің әр түрлі түрлері қазіргі уақытта клиникалық тұрғыдан антибиотиктерге қарсы вакциналар мен вакциналарды жеткізу жүйесі немесе бейнелеу агенттері ретінде қолданылады.

Тарих

Жалпы нанобөлшектер қазіргі ғылымның өнертабысы деп саналғанымен, олар өте ұзақ тарихы бар. Атап айтсақ, нанобөлшектерді қолөнершілер тоғызыншы ғасырда Месопотамиядан бастап, құмыраның бетіне жарқыраған әсер беру үшін қолданған.

Орта ғасырлар мен Қайта өрлеу дәуіріндегі қыш құмыралар көбінесе ерекше алтын немесе мыс түсті металл жарқылын сақтайды. Бұл деп аталатын жылтырлығы мөлдір бетіне жағылған металл қабықшадан туындайды. Егер пленка атмосфералық тотығуға және басқа ауа-райына қарсы тұрса, жылтырлығы әлі де көрініп тұрады.

Жарқырау керамикалық глазурдің әйнек матрицасында біртекті шашыраңқы күміс пен мыс нанобөлшектері бар пленканың ішінде пайда болады. Бұл нанобөлшектерді қолөнершілер мыс пен күміс тұздары мен оксидтерін, сірке суын, уылдырықты және балшықпен бірге, бұрын ширатылған қыш құмыраның бетіне қосып жасаған. Содан кейін нысан пешке қойылып, атмосферада шамамен 600 ° C дейін қызады.

Жылу кезінде глазурь жұмсарып, мыс пен күміс иондарының жылтыр қабаттың сыртқы қабаттарына енуіне әкеледі. Онда атмосфералық иондар металдарға қайта түсіп, олар түс пен оптикалық эффект беретін нанобөлшектерді түзді.

Люстра техникасы шеберлердің материалдарды өте күрделі эмпирикалық білімі бар екенін көрсетеді. Техника ислам әлемінде пайда болды. Мұсылмандарға алтынды көркемдік бейнелерде қолдануға тыйым салынғандықтан, олар нақты алтынды пайдаланбастан осындай эффект жасау жолын табуға мәжбүр болды. Олар тапқан шешім - жылтырды пайдалану.

Майкл Фарадей өзінің 1857 жылғы «Алтынның (және басқа металдардың) жарыққа экспериментальды қатынастары» атты классикалық қағазында нанометрлік масштабтағы металдардың оптикалық қасиеттері туралы алғашқы сипаттамасын берді.1

Осы нысандарды қазіргі заманғы зерттеулердің көпшілігі ESRF зертханасында жүргізілген. Рютерфордтың артқы спектрометриясы (RBS), көрінетін-ультракүлгін аймақтағы оптикалық сіңіру, электронды микроскопия (TEM және SEM) сияқты осы жылтырлықтың химиялық және физикалық қасиеттерін сипаттау үшін бірнеше әдістер қолданылды.

Терминология және классификация

Нанокластерлер2 кемінде 1-ден 10 нанометрге дейін және тар өлшемді үлестірімде болуы керек. Наноқұстар2 бұл ультрафинді бөлшектердің, нанобөлшектердің немесе нанокласттардың агломераттары. Нанометр өлшеміндегі жалғыз кристалдар немесе бір домендік ультрафинді бөлшектер көбінесе нанокристалдар деп аталады. NanoCrystal® термині - тіркелген сауда белгісі3 EPIL-дің меншікті фрезерлік процесіне және нанопартикулалық препарат құрамына қатысты қолданылатын Elan Pharma International (EPIL).

Қасиеттері

Нанобөлшектер үлкен ғылыми қызығушылық тудырады, өйткені олар сусымалы материалдар мен атом немесе молекулалық құрылымдар арасындағы тиімді көпір. Сусымалы материал, оның көлеміне қарамастан, тұрақты физикалық қасиеттерге ие болуы керек, бірақ нано-масштабта мұндай жағдай жиі емес. Жартылай өткізгіш бөлшектердегі кванттық ұстамалар, кейбір металл бөлшектеріндегі плазмоникалық резонанс және магниттік материалдардағы суперпарамагнетизм сияқты мөлшерге байланысты қасиеттер байқалады.

Материалдардың қасиеттері олардың мөлшері наноскалаға жақындаған сайын өзгереді және материалдың бетіндегі атомдардың үлесі маңызды бола бастайды. Бір микрометрден асатын көлемді материалдар үшін атомдардың жалпы санына қатысты жер бетіндегі атомдардың үлесі минус болып табылады. Нанобөлшектердің қызықты және кейде күтпеген қасиеттері ішінара материалдың беткі жағының аспектілік қасиеттерінің орнына қасиеттеріне байланысты.

Нанобөлшектер ұсақ бөлшектерде немесе сусымалы материалдарда байқалғаннан едәуір ерекшеленетін мөлшерге байланысты интенсивті қасиеттерді көрсетуі немесе көрсетпеуі мүмкін.4 Олар сусымалы материалдардан ерекшеленетін бірқатар ерекше қасиеттерге ие. Мысалы, сымның мыжылуы (сым, лента және басқалары) шамамен 50 нм масштабтағы мыс атомдарының / кластерлерінің қозғалуымен жүреді. 50 нм-ден кіші мыс нанобөлшектері өте қатты материалдар болып саналады, олар сығылған мыс сияқты икемділік пен икемділікті көрсетпейді. Қасиеттердің өзгеруі әрдайым қала бермейді. 10 нм кіші ферроэлектрлік материалдар бөлме температурасының жылу энергиясын қолдана отырып магниттелу бағытын өзгерте алады, осылайша оларды жадта сақтау үшін пайдасыз етеді.

Нанобөлшектердің тоқтап қалуы мүмкін, өйткені бөлшектердің беткі қабатының еріткішпен әрекеттесуі тығыздықтағы айырмашылықтарды жеңуге жеткілікті күшті болады, нәтижесінде материал сұйықтыққа түсіп кетеді немесе өзгереді. Нанобөлшектер көбінесе күтпеген көрінетін қасиеттерге ие, өйткені олардың электрондары шектеліп, кванттық әсер береді. Мысалы, алтын нанобөлшектері ерітіндіде қызылдан қараға дейін көрінеді.

Нанобөлшектердің беткі қабатының көлемге қатынасы өте жоғары. Бұл, әсіресе жоғары температурада, диффузия үшін үлкен қозғаушы күш береді. Бейнелеу үлкенірек бөлшектерге қарағанда төменірек температурада, қысқа уақыт аралығында жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл теориялық тұрғыдан ақырғы өнімнің тығыздығына әсер етпейді, дегенмен ағынның қиындықтары және нанобөлшектердің агломератқа бейімділігі мәселелерді қиындатады. Үлкен беткейдің көлем көлеміне қатынасы нанобөлшектердің еру температурасын төмендетеді.5

Сонымен қатар нанобөлшектері күнделікті түрлі өнімдерге қосымша қасиеттер беретіні анықталды. Титан диоксидінің нанобөлшектері болуы мүмкін, бұл өзін-өзі тазарту эффектісі деп аталады, ал мөлшері наноранг болғандықтан, бөлшектер көрінбейді. Нано-мырыш оксиді бөлшектері ультрафиолетті ультракүлгіннен қорғайтын қасиеттерге ие, олардың көлемдік алмастырғыштарына қарағанда. Бұл оны күн қорғайтын лосьондарда жиі қолданудың бір себебі. Балшық нанобөлшектері полимерлі матрицаларға енгізілген кезде қайта құрылымдауды күшейтеді, бұл пластиктің жоғарылауына әкеледі, әйнектің ауысу температурасы және басқа да механикалық қасиеттермен тексеріледі. Бұл нанобөлшектер қатты, және олардың қасиеттерін полимерге (пластикке) береді. Ақылды және функционалды киім жасау үшін нанобөлшектері тоқыма талшықтарына қосылды.

Нанобөлшек морфологиясы

Ванадий (IV) оксидінің наностарлары.

Ғалымдар өздерінің бөлшектерін олар бейнелеуі мүмкін шынайы әлем пішіндері деп атады. Наносфералар6, нанорифтер,7 нанобокс,8 және тағы басқалары әдебиетте пайда болды. Бұл морфология кейде өздігінен пайда болады, мысалы, жасуша эмульсиялары немесе анодталған глинозем тесігі сияқты синтезде болатын шаблондау немесе бағыттаушы зат немесе материалдардың өздері туа біткен кристаллографиялық өсу үлгілері.9 Бұл морфологиялардың кейбіреуі электр байланысын қию үшін қолданылатын көміртекті нанотүтікшелер немесе сол жақтағы жұлдыздар сияқты ғылыми қызығушылық сияқты мақсаттарға қызмет етуі мүмкін.

Сипаттау

Нанобөлшектерді сипаттау нанобөлшектердің синтезі мен қолданылуын түсіну және бақылау үшін қажет. Сипаттау негізінен материалтану негізінде жасалған әр түрлі әдістерді қолдану арқылы жүзеге асырылады. Жалпы әдістер - электронды микроскопия (тарату электронды микроскопиясы (TEM) және сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM)), атомдық күш микроскопиясы (AFM), жарықтың шашырауы (DLS), рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS), ұнтақ рентгендік дифрактометрия ( XRD), Фурье түрлендіретін инфрақызыл спектроскопия (FTIR), матрицалық-лазерлік-десорбция. Ұшу уақытының масс-спектрометриясы (MALDI-TOF) және ультракүлгін-көрінетін спектроскопия.

Браун қозғалысының теориясы ғасырдан астам уақыттан бері белгілі болса да, нанобөлшектерді бақылау технологиясы (NTA) броундық қозғалысты тікелей бақылауға мүмкіндік береді, сондықтан бұл әдіс ерітіндідегі жекелеген нанобөлшектерді өлшеуге мүмкіндік береді.

Нанобөлшектерді жасау

Нанобөлшектерді құрудың бірнеше әдістері бар; тарту және пиролиз кең таралған әдістер болып табылады. Макро немесе микро масштабтағы бөлшектер шар диірменінде, планеталық шар диірменінде немесе басқа мөлшерді азайту механизмінде орналасқан. Алынған бөлшектер нанобөлшектерді қалпына келтіру үшін ауаға жіктеледі.

Пиролизде будың прекурсоры (сұйық немесе газ) жоғары қысымда тесікшеден өтіп, күйіп кетеді. Алынған қатты зат (газдың нұсқасы) жанама газдардан оксид бөлшектерін алу үшін ауаға жіктеледі. Пиролиз көбінесе синглтонның бастапқы бөлшектерінен гөрі агрегаттар мен агломераттарға әкеледі.

Термиялық плазма кішкентай микрометр өлшеміндегі бөлшектердің булануына әкелетін энергияны жеткізе алады. Термиялық плазмадағы температура 10000 К құрайды, сондықтан қатты ұнтақ оңай буланып кетеді. Нанобөлшектер салқындаған кезде плазма аймағынан шыққан кезде түзіледі. Нанобөлшектерді шығаруда қолданылатын жылу плазмалық алаудың негізгі түрлері - плазмалық ток реакциясы, доға доғалық плазмасы және радиожиілік (РЖ) индукциялық плазмалар. Доғалық плазмалық реакторларда булану мен реакцияға қажетті энергия анод пен катод арасында пайда болатын электр доғасымен қамтамасыз етіледі. Мысалы, кремний құмын атмосфералық қысыммен доға плазмасында буландыруға болады. Плазма газы мен кремний буының қоспасы оттегімен қанықтыру арқылы тез салқындатылады, осылайша өндірілген фемилия кремнийінің сапасын қамтамасыз етеді. РЖ индукциялық плазмалық алау кезінде плазмаға энергияның қосылуы индукциялық катушка арқылы пайда болатын электромагниттік өріс арқылы жүзеге асырылады. Плазма газы электродтармен жанаспайды, осылайша мүмкін ластану көздерін жояды және плазмалық алауды инертті, төмендететін, тотықтырғыш және басқа коррозиялық атмосфераны қоса газдардың кең спектрімен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Жұмыс жиілігі әдетте 200 кГц пен 40 МГц арасында болады. Зертханалық қондырғылар 30-50 кВт қуат деңгейінде жұмыс істейді, ал ірі өнеркәсіптік қондырғылар 1 МВт-қа дейінгі қуат деңгейінде сыналды. Инъекцияға арналған тамшылардың плазмадағы тұру уақыты өте қысқа болғандықтан, толық булану үшін тамшылардың мөлшері аз болуы керек. РФ плазмалық әдісі әртүрлі нанобөлшектердің материалдарын синтездеу үшін қолданылды, мысалы оксидтер, карбидтер / карбидтер және Ti және Si нитридтері сияқты әртүрлі керамикалық нанобөлшектерді синтездеу үшін.

Инертті газ агрегаты аз балқу температурасы бар металдардан нанобөлшектерді жасау үшін жиі қолданылады. Металл вакуумдық камерада буланып, содан кейін инертті газ ағынымен суперкумуляцияланады. Қатты салқындатылған металл булар инертті газ ағынына түсіп, оны субстратқа орналастыруға немесе оқуға болатын нанометрлік бөлшектерге қосылады.

Қауіпсіздік мәселелері

Нанобөлшектер медициналық және экологиялық жағынан қауіпті.10 Бұлардың көпшілігі бөлшектердің реактивті немесе каталитикалық әсер етуі мүмкін беткі қабаттың қатынасына байланысты.11 Олар сонымен қатар организмде жасуша мембраналары арқылы өтуі мүмкін, олардың биологиялық жүйелермен өзара әрекеттесуі салыстырмалы түрде белгісіз.12 Алайда, қоршаған ортадағы бос нанобөлшектері тез агломерацияға бейім болады және осылайша нано режимді қалдырады, ал табиғаттың өзі жердегі организмдер иммунитеті дамыған көптеген нанобөлшектерді ұсынады (мысалы, мұхит аэрозольдарындағы тұз бөлшектері, өсімдіктердің терпендері немесе шаңның шаңы) жанартау атқылауы).

Сәйкес Сан-Франциско шежіресі, «Жануарлардың зерттеулері кейбір нанобөлшектердің жасушалар мен тіндерге еніп, дене мен ми арқылы қозғалуы және биохимиялық зақым келтіруі мүмкін екенін көрсетті. Сондай-ақ, олар ерлерде ұрықтың қатерлі ісігі ауруының қаупін туғызатынын көрсетті. Бірақ құрамында наноматериалдары бар косметика мен күн қорғанысы денсаулыққа қауіп төндіреді ме? жақында FDA және басқа агенттіктер бастаған ұзақ аралық зерттеулерді аяқтауға дейін әлі белгісіз болып қалады ».13

Дизель нанобөлшектері тінтуір моделінде жүрек-тамыр жүйесін зақымдайтындығы анықталды.14

Кремний нанобөлшектері жасушасы

Жалпы алғанда, бүгінгі күндегі нарықтағы күн батареялары ультрафиолет сәулесінен көп электр энергиясын өндірмейді, оның орнына оны сүзгіден өткізеді немесе ұяшыққа қыздырады. Бұл жылу энергияны ысырап етеді және тіпті клетканың бүлінуіне әкелуі мүмкін. Алкогольде кремнийдің бөлшектерін сұйылту, күн ұяшығын жабу және алкогольдің кремнийдің нанобөлшектерін клеткаға қалдыруға мүмкіндік беру арқылы ультракүлгін диапазонда жасуша қуатын шығару 67 пайызға және көзге көрінетін диапазонда шамамен 10 пайызға артты. .15

Сондай-ақ қараңыз

  • Көміртекті
  • Хрусталь
  • Фуллерен
  • Галлий
  • Индиум
  • Магнитизм
  • Нанотехнология
  • Фотон
  • Кремний

Ескертпелер

  1. ↑ Майкл Фарадей, алтынның (және басқа металдардың) жарыққа эксперименттік қатынасы, Фил Транс. Рой. Soc. Лондон 147 (1857): 145-181.
  2. 2.0 2.1 Б.Д. Филман, Материалдар химиясы (Дордрехт, НЛ: Springer, 2007, ISBN 9781402061196), 282-283.
  3. ↑ АҚШ ТМ Рег. № 2386089/2492925 және ЕО CTM регистрі. № 000885079
  4. ST ASTM, ASTM E 2456 - 06 Нанотехнологияға қатысты стандартты терминология. 15 қараша 2008 ж.
  5. ↑ P.H. Баффат пен Дж.П.Борел, алтын бөлшектерінің балқу температурасына мөлшерлік әсері, Физикалық шолу А. 13 (6): 2287-2298. 16 қараша 2008 ж.
  6. ↑ Агам және Гуо, полимерлі наносфералардың электрондық сәулелік модификациясы, Нанология және нанотехнология журналы 7 (10): 3615-3619. Нысанды сандық анықтауыш (DOI): 10.1166 / jnn.2007.814.
  7. ↑ J.H. Чой, Е.С. Джанг, Ж.Х. Вон, Дж.Х. Чунг, Д.Ж. Джанг және Ю.В. Ким, ZnO нанокоральды рифтері мен нанофиберлеріне гидротермиялық бағыт, Аппликация. Физ. Летт. 84 (2004): 287.
  8. ↑ Yugang Sun and Younan Xia, алтын және күміс нанобөлшектердің пішінді бақыланатын синтезі, Ғылым 298: 2176. Сандық объектінің идентификаторы (DOI): 10.1126 / science.1077229.
  9. ↑ Кэтрин Мерфи, Нанокубтар және Нанобокс, Ғылым 298 (2002): 2139. Сандық объектінің идентификаторы (DOI): 10.1126 / science.1080007.
  10. Isa Аниса Мнюсьюалла, Абдаллах С. Даар және Питер А. Сингер, «Ажырымдаманы ескеріңіз:» Нанотехнологиядағы ғылым мен этика, Нанотехнология. 14 (2003): R9-R13. Нысанды сандық анықтауыш (DOI): 10.1088 / 0957-4484 / 14/3/201.
  11. Ki Джеки Ин, Наноқұрылымды материалдар (Сан-Диего, Калифорния: Академиялық Баспа, 2001, ISBN 9780120085279).
  12. Op Еуропа, нанотехнологиялар: 6. Нанобөлшектердің зиянды әсерлері қандай? 15 қараша 2008 ж.
  13. Ay Кей Дэвидсон, FDA нанобөлшектерді косметика мен күн қорғанысында қолдануға тыйым салуға шақырды, Сан-Франциско шежіресі. 15 қараша 2008 ж.
  14. ↑ Адам Сатариано, ластану бөлшектерін зерттеңіз, жүректің соғу қаупі жоғарылауына әкеледі (Жаңарту1). Bloomberg.com. 15 қараша 2008 ж.
  15. ↑ Джереми Корзеневски, кремний нанобөлшектері пленкасы күн ұяшықтарының өнімділігін арттыра алады, Autoblog Green. 15 қараша 2008 ж.

Пайдаланылған әдебиеттер

  • Фальман, Б.Д. 2007 жыл. Материалдар химиясы. Дордрехт, NL: Springer. ISBN 9781402061196.
  • Шмид, Гюнтер. 2004 жыл. Нанобөлшектер: теориядан қолдану. Вейнхайм, DE: Wiley-VCH. ISBN 3527305076.
  • Ин, Джеки. 2001 жыл. Наноқұрылымды материалдар. Сан-Диего, Калифорния: Академиялық баспасөз. ISBN 9780120085279.

Сыртқы сілтемелер

Барлық сілтемелер 2018 жылғы 6 қарашада алынды.

  • Еуропалық Комиссияның SCENIHR бағалауының GreenFacts бойынша нанотехнологиялардың қысқаша мазмұны.
  • Күн энергиясын түрлендіруде қолданылатын нанобөлшектер (ScienceDaily).

Pin
Send
Share
Send