Co jsou to nanomateriály a proč jsou důležité?

Proč byste měli vědět, co jsou to nanomateriály?

Význam nanomateriálů spočívá v jejich potenciálu změnit řadu oborů, jako je elektronika, energetika a medicína, a to díky zlepšení jejich výkonnostních charakteristik.

Nanomateriály mohou usnadnit vytváření malých výrobků a procesů v nanorozměrech. Některé příklady použití nanomateriálů zahrnují elektroniku, kde lze nanomateriály využít k výrobě rychlejších a účinnějších zařízení; v medicíně je lze využít k vývoji systémů cíleného podávání léčiv a v energetice mohou zlepšit přeměnu a skladování energie.

Co jsou to nanomateriály?

Nanomateriály jsou materiály, jejichž struktura a vlastnosti se vzhledem k jejich malým rozměrům výrazně liší od vlastností objemových materiálů. Tyto materiály mají rozměry v nanorozměrech, obvykle mezi 1 a 100 nanometry, a vykazují jedinečné fyzikální, chemické a biologické vlastnosti.

Jsou široce používány v různých oborech díky svému vysokému povrchu, pozoruhodné biokompatibilitě, optickým a elektrickým vlastnostem. Mezi příklady nanomateriálů patří nanočástice, nanovlákna, nanotrubičky, uhlík a kvantové tečky.

4 hlavní typy nanomateriálů:

Nanočástice: Jedná se o částice, jejichž alespoň jeden rozměr je menší než 100 nanometrů.

Nanovlákna: Jedná se o dlouhá, tenká vlákna s průměrem vrozsahu nanorozměrů.

Nanotrubičky: Jedná se o trubice se stěnami z jedné vrstvy atomů o průměru v rozsahu nanorozměrů.

Nanolamináty: Jedná se o tenké vrstvy různých materiálů, které se skládají na sebe a vytvářejí kompozitní materiál.

Jak lze charakterizovat nanomateriály?

Nanomateriály se mohou vyskytovat v přírodě, mohou vznikat jako vedlejší produkty spalovacích reakcí nebo mohou být záměrně vyrobeny pomocí inženýrství, aby plnily specializovanou funkci. Lze je fyzikálně a chemicky charakterizovat a určit jejich velikost, tvar, složení a strukturu.

Fyzické:

Transmisní elektronová mikroskopie (TEM): TEM využívá vysokoenergetické elektrony k vytváření obrazů nanomateriálů, které poskytují informace o jejich velikosti, tvaru a uspořádání.

Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM): SEM využívá fokusovaný svazek elektronů k vytvoření obrazu povrchu nanomateriálů, který poskytuje informace o morfologii a topografii povrchu.

Dynamický rozptyl světla (DLS): DLS měří Brownův pohyb částic v roztoku a poskytuje informace o distribuci velikosti částic.

Rentgenová difrakce (XRD): XRD využívá rentgenové záření k určení krystalové struktury materiálu a identifikaci jeho složek.

Chemické látky:

Energetická disperzní spektroskopie (EDS): EDS využívá rentgenové záření k analýze složení nanomateriálů měřením energetických spekter elektronů emitovaných ze vzorku.

Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR): FTIR využívá infračervené světlo k měření vibračních spekter chemických vazeb v materiálu a poskytuje tak informace o jeho chemickém složení.

Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS): XPS využívá rentgenové záření k excitaci elektronů v materiálu a poskytuje informace o jeho chemickém složení a elektronické struktuře.

Indukčně vázaná plazmová hmotnostní spektrometrie (ICP-MS): ICP-MS používá plazmový hořák k odpaření a ionizaci vzorku a poté měří hmotnost iontů, aby určila složení.

Jaké jsou aplikace nanomateriálů?

Technologické využití nanomateriálů je využitelné v mnoha odvětvích, od zdravotnictví a mechaniky až po ochranu životního prostředí a čištění vzduchu. Lze je využít k vytvoření účinnějších baterií, účinnějších systémů pro podávání léků a pevnějších a lehčích materiálů. Níže uvádíme několik příkladů:

Elektronika: Nanomateriály lze použít v elektronických zařízeních, jako jsou chytré telefony, notebooky a televizory, ke zvýšení výkonu a snížení spotřeby energie. Vytvářejí displeje s vysokým rozlišením, zlepšují úložnou kapacitu a účinnost dobíjecích baterií a další příklady.

Lékařství: Lze jej použít v lékařských aplikacích, jako je zobrazování, diagnostika a léčba. Systémy pro podávání léčiv v nanorozměrech mohou zlepšit účinnost a cílovou specifičnost léčiv.

Sanace životního prostředí: Čištění znečišťujících látek a kontaminantů pomocí katalyzátorů na bázi nanočástic a nanofiltrů, které mohou čistit kontaminovanou vodu, vzduch a půdu odstraňováním znečišťujících látek a patogenů.

Věda o materiálech: Dokáže vytvářet pevné a lehké materiály s lepšími mechanickými a tepelnými vlastnostmi, které jsou vhodné pro použití v náročných aplikacích, jako jsou letecké a automobilové komponenty.

Potraviny a zemědělství: Zvýšit kvalitu, bezpečnost a trvanlivost potravin a zemědělských produktů zlepšením účinnosti a efektivity pesticidů při současném snížení jejich dopadu na životní prostředí a zlepšením účinnosti a efektivity zavlažovacích systémů, což povede ke snížení spotřeby vody a zlepšení růstu plodin.

Jaká jsou rizika nanomateriálů?

Nanomateriály mohou představovat určitá rizika pro lidské zdraví a životní prostředí, včetně toxicity, reaktivity a uvolňování částic do vzduchu, vody a půdy. Dlouhodobá expozice částicím nanomateriálů může mít za následek chronické zdravotní účinky, jako jsou respirační, kardiovaskulární a reprodukční problémy.

Existují také obavy z jejich možného dopadu na ekosystémy a volně žijící živočichy, jakož i z jejich přetrvávání v životním prostředí. Kromě toho mohou jedinečné vlastnosti nanomateriálů vyvolávat obavy o bezpečnost při výrobě, manipulaci a likvidaci. K úplnému pochopení těchto rizik je zapotřebí dalšího výzkumu.

Hledáte obrázky a ilustrace na vyžádání, abyste mohli předávat informace o vědě?

Mind the Graph je platforma, která pomáhá vědcům a výzkumníkům vizuálně sdělovat jejich vědecké myšlenky a výsledky. Platforma poskytuje řadu šablon, ikon a ilustrací, které uživatelům pomáhají vytvářet infografiky, plakáty, prezentace a zprávy, které účinně informují o jejich výzkumu.