Mis on nanomaterjalid ja miks nad on olulised?

Pilt pärineb **edelweisspublications.com**

Miks peaksite teadma, mis on nanomaterjalid?

Nanomaterjalide tähtsus seisneb nende potentsiaalis muuta mitmeid valdkondi, nagu elektroonika, energeetika ja meditsiin, tänu parematele tulemuslikkusnäitajatele.

Nanomaterjalid võivad hõlbustada väikesemahuliste toodete ja protsesside loomist nanotasandil. Mõned näited nanomaterjalide kasutamisest on elektroonika, nanomaterjale saab kasutada kiiremate ja tõhusamate seadmete tootmiseks; meditsiinis saab neid kasutada ravimite sihipärase manustamise süsteemide väljatöötamiseks ning energeetikas saab nendega parandada energia muundamist ja salvestamist.

Mis on nanomaterjalid?

Nanomaterjalid on materjalid, mille struktuur ja omadused erinevad oluliselt mahtmaterjalide omadustest nende väikese suuruse tõttu. Nende materjalide mõõtmed on nanoskaalal, tavaliselt vahemikus 1-100 nanomeetrit, ning neil on ainulaadsed füüsikalised, keemilised ja bioloogilised omadused.

Neid kasutatakse laialdaselt erinevates valdkondades tänu nende suurele pindalale, märkimisväärsele bioloogilisele sobivusele, optilistele ja elektrilistele omadustele. Mõned näited nanomaterjalidest on nanoosakesed, nanokiud, nanotorud, süsinik ja kvantpunktid.

Nanomaterjalide 4 põhitüüpi:

Nanoosakesed: Need on osakesed, mille vähemalt üks mõõde on väiksem kui 100 nanomeetrit.

Nanokiud: Need on pikad, õhukesed kiud, mille läbimõõt on nanoskaala ulatuses.

Nanotorud: Need on torud, mille seinad koosnevad ühest aatomikihist, mille läbimõõt on nanoskaala ulatuses.

Nanolaminaadid: Need on õhukesed kihid erinevatest materjalidest, mis on üksteise peale laotud, et moodustada komposiitmaterjali.

Kuidas saab nanomaterjale iseloomustada?

Nanomaterjalid võivad esineda looduslikult, tekkida põlemisreaktsioonide kõrvalsaadusena või olla tahtlikult toodetud insener-tehniliselt, et täita spetsiifilist funktsiooni. Neid saab füüsikaliselt ja keemiliselt iseloomustada, et määrata nende suurus, kuju, koostis ja struktuur.

Füüsiline:

Transmissioonelektronmikroskoopia (TEM): TEM kasutab kõrge energiaga elektrone, et saada nanomaterjalidest pilte, mis annavad teavet nende suuruse, kuju ja paigutuse kohta.

Skaneeriv elektronmikroskoopia (SEM): SEM kasutab fokuseeritud elektronkiirt, et saada nanomaterjalide pinnast pilte, mis annavad teavet pinna morfoloogia ja topograafia kohta.

Dünaamiline valguse hajutamine (DLS): DLS mõõdab osakeste Browni liikumist lahuses, andes teavet osakeste suuruse jaotuse kohta.

Röntgendifraktsioon (XRD): XRD kasutab röntgenkiirgust materjali kristallstruktuuri määramiseks ja selle komponentide tuvastamiseks.

Keemiline:

Energiadispersiivne spektroskoopia (EDS): EDS kasutab röntgenkiirgust nanomaterjalide koostise analüüsimiseks, mõõtes proovist väljastatud elektronide energiaspektrit.

Fourier'i infrapunaspektroskoopia (FTIR): FTIR kasutab infrapunavalgust, et mõõta materjali keemiliste sidemete võnkespektrit, mis annab teavet materjali keemilise koostise kohta.

Röntgen fotoelektronspektroskoopia (XPS): XPS kasutab röntgenkiirgust, et ergutada elektronid materjalis, andes teavet selle keemilise koostise ja elektroonilise struktuuri kohta.

Induktiivselt ühendatud plasma-massispektromeetria (ICP-MS): ICP-MS kasutab proovi aurustamiseks ja ioniseerimiseks plasmapõleti ning mõõdab seejärel koostise määramiseks ioonide massi.

Millised on nanomaterjalide rakendused?

Nanomaterjalide tehnoloogiline kasutamine on kasutatav mitmes sektoris, alates tervishoiust ja mehaanikast kuni keskkonnakaitse ja õhupuhastamiseni. Neid saab kasutada tõhusamate patareide, tõhusamate ravimite manustamissüsteemide ja tugevamate ja kergemate materjalide loomiseks. Allpool on toodud mõned näited:

Elektroonika: Nanomaterjale saab kasutada elektroonikaseadmetes, näiteks nutitelefonides, sülearvutites ja televiisorites, et suurendada jõudlust ja vähendada energiatarbimist. Muude näidete hulgas on võimalik luua suure eraldusvõimega kuvarid, parandada akude salvestusmahtu ja tõhusust.

Meditsiin: Seda saab kasutada meditsiinilistes rakendustes, nagu pildistamine, diagnoosimine ja ravi. Nanomõõtmelised ravimite manustamissüsteemid võivad parandada ravimite tõhusust ja sihtkoha spetsiifilisust.

Keskkonna taastamine: Saasteainete ja saasteainete puhastamine, kasutades nanoosakeste-põhiseid katalüsaatoreid ja nanofiltreid, mis suudavad saastunud vett, õhku ja pinnast puhastada, eemaldades saasteained ja patogeenid.

Materjaliteadus: Sellega saab luua tugevat, kerget materjali, millel on paremad mehaanilised ja termilised omadused, mis muudab need sobivaks kasutamiseks sellistes nõudlikes rakendustes nagu lennundus- ja autotööstuse komponendid.

Toit ja põllumajandus: Parandada toidu ja põllumajandustoodete kvaliteeti, ohutust ja säilivusaega, parandades pestitsiidide tõhusust ja tulemuslikkust, vähendades samal ajal nende keskkonnamõju ning parandades niisutussüsteemide tõhusust ja tulemuslikkust, mille tulemusel väheneb veekasutus ja paraneb põllukultuuride kasv.

Millised on nanomaterjalide riskid?

Nanomaterjalid võivad kujutada endast mõningaid riske inimeste tervisele ja keskkonnale, sealhulgas mürgisust, reaktiivsust ja osakeste sattumist õhku, vette ja pinnasesse. Pikaajaline kokkupuude nanoosakestega võib põhjustada kroonilisi tervisemõjusid, näiteks hingamisteede, südame- ja veresoonkonna ning reproduktiivsete probleemide tekkimist.

Samuti tekitab muret nende võimalik mõju ökosüsteemidele ja elusloodusele ning nende püsivus keskkonnas. Lisaks võivad nanomaterjalide ainulaadsed omadused tekitada ohutusprobleeme tootmise, käitlemise ja kõrvaldamise ajal. Nende riskide täielikuks mõistmiseks on vaja täiendavaid uuringuid.

Kas otsite teadusest teavitamiseks tellitavaid jooniseid ja illustratsioone?

Mind the Graph on platvorm, mis aitab teadlastel ja uurijatel oma teaduslikke ideid ja tulemusi visuaalselt edastada. Platvorm pakub mitmesuguseid malle, ikoone ja illustratsioone, mis aitavad kasutajatel luua infograafiaid, plakateid, esitlusi ja aruandeid, mis aitavad tõhusalt edastada nende teadustööd.