Mitä nanomateriaalit ovat ja miksi ne ovat tärkeitä?

Kuva osoitteesta **edelweisspublications.com**

Miksi sinun pitäisi tietää, mitä nanomateriaalit ovat?

Nanomateriaalien merkitys perustuu niiden mahdollisuuteen muuttaa monia aloja, kuten elektroniikkaa, energiaa ja lääketiedettä, parantamalla niiden suorituskykyä.

Nanomateriaalit voivat helpottaa pienimuotoisten tuotteiden ja prosessien luomista nanomittakaavassa. Esimerkkejä nanomateriaalien sovelluksista ovat elektroniikka, jossa nanomateriaaleja voidaan käyttää nopeampien ja tehokkaampien laitteiden tuottamiseen, lääketiede, jossa niitä voidaan hyödyntää kohdennettujen lääkkeiden jakelujärjestelmien kehittämisessä, ja energia-ala, jossa ne voivat parantaa energian muuntamista ja varastointia.

Mitä ovat nanomateriaalit?

Nanomateriaalit ovat materiaaleja, joiden rakenne ja ominaisuudet poikkeavat merkittävästi massamateriaalien rakenteesta ja ominaisuuksista niiden pienen koon vuoksi. Näiden materiaalien mitat ovat nanokokoluokkaa, yleensä 1-100 nanometriä, ja niillä on ainutlaatuisia fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia ominaisuuksia.

Niitä käytetään laajalti eri aloilla niiden suuren pinta-alan, huomattavan bioyhteensopivuuden sekä optisten ja sähköisten ominaisuuksien vuoksi. Esimerkkejä nanomateriaaleista ovat nanohiukkaset, nanokuidut, nanoputket, hiili ja kvanttipisteet.

Nanomateriaalien 4 päätyyppiä:

Nanohiukkaset: Nämä ovat hiukkasia, joiden vähintään yksi ulottuvuus on alle 100 nanometriä.

Nanokuidut: Nämä ovat pitkiä, ohuita kuituja, joiden halkaisija on nanokokoluokkaa.

Nanoputket: Nämä ovat putkia, joiden seinämät on tehty yhdestä atomikerroksesta, jonka halkaisija on nanomittakaavassa.

Nanolaminaatit: Nämä ovat ohuita kerroksia eri materiaaleja, jotka on pinottu päällekkäin komposiittimateriaaliksi.

Miten nanomateriaaleja voidaan karakterisoida?

Nanomateriaaleja voi esiintyä luonnossa, ne voivat syntyä palamisreaktioiden sivutuotteina tai niitä voidaan valmistaa tarkoituksellisesti teknisesti suorittamaan erikoistehtäviä. Niitä voidaan luonnehtia fysikaalisesti ja kemiallisesti niiden koon, muodon, koostumuksen ja rakenteen määrittämiseksi.

Fyysinen:

Siirtoelektronimikroskooppi (TEM): TEM käyttää suurienergisiä elektroneja tuottamaan kuvia nanomateriaaleista, jolloin saadaan tietoa niiden koosta, muodosta ja sijoittelusta.

Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM): SEM-menetelmässä käytetään fokusoitua elektronisuihkua tuottamaan kuvia nanomateriaalien pinnasta, jolloin saadaan tietoa pinnan morfologiasta ja topografiasta.

Dynaaminen valonsironta (DLS): DLS mittaa hiukkasten Brownin liikettä liuoksessa, jolloin saadaan tietoa hiukkaskokojakaumasta.

Röntgendiffraktio (XRD): XRD:ssä käytetään röntgensäteitä materiaalin kiderakenteen määrittämiseen ja sen komponenttien tunnistamiseen.

Kemiallinen:

Energiadispersiivinen spektroskopia (EDS): EDS käyttää röntgensäteitä nanomateriaalien koostumuksen analysointiin mittaamalla näytteestä emittoituvien elektronien energiaspektriä.

Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopia (FTIR): FTIR mittaa infrapunavalon avulla materiaalin kemiallisten sidosten värähtelyspektriä, mikä antaa tietoa materiaalin kemiallisesta koostumuksesta.

Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS): XPS käyttää röntgensäteilyä herättämään elektroneja materiaalissa, jolloin saadaan tietoa sen kemiallisesta koostumuksesta ja elektronisesta rakenteesta.

Induktiivisesti kytketty plasma-massaspektrometria (ICP-MS): ICP-MS käyttää plasmapolttimoa näytteen höyrystämiseen ja ionisointiin, minkä jälkeen mitataan ionien massa koostumuksen määrittämiseksi.

Mitkä ovat nanomateriaalien sovellukset?

Nanomateriaalien teknologisia sovelluksia voidaan käyttää useilla aloilla terveydenhuollosta ja mekaniikasta ympäristönsuojeluun ja ilman puhdistukseen. Niitä voidaan käyttää tehokkaampien akkujen, tehokkaampien lääkkeiden jakelujärjestelmien ja vahvempien ja kevyempien materiaalien luomiseen. Alla on joitakin esimerkkejä:

Elektroniikka: Nanomateriaaleja voidaan käyttää elektronisissa laitteissa, kuten älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja televisioissa, suorituskyvyn parantamiseksi ja virrankulutuksen vähentämiseksi. Esimerkiksi korkearesoluutioisten näyttöjen luominen, ladattavien akkujen tallennuskapasiteetin ja tehokkuuden parantaminen.

Lääketiede: Sitä voidaan soveltaa lääketieteellisiin sovelluksiin, kuten kuvantamiseen, diagnosointiin ja hoitoon. Nanokokoluokan lääkeannostelujärjestelmät voivat parantaa lääkkeiden tehoa ja kohdespesifisyyttä.

Ympäristön kunnostaminen: Saasteiden ja epäpuhtauksien puhdistaminen käyttämällä nanohiukkaspohjaisia katalyyttejä ja nanosuodattimia, jotka voivat puhdistaa saastunutta vettä, ilmaa ja maaperää poistamalla epäpuhtauksia ja taudinaiheuttajia.

Materiaalitiede: Sillä voidaan luoda vahvoja ja kevyitä materiaaleja, joilla on paremmat mekaaniset ja lämpöominaisuudet, minkä ansiosta ne soveltuvat käytettäviksi vaativissa sovelluksissa, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuuden ja autoteollisuuden komponenteissa.

Elintarvikkeet ja maatalous: Parannetaan elintarvikkeiden ja maataloustuotteiden laatua, turvallisuutta ja säilyvyyttä parantamalla torjunta-aineiden tehokkuutta ja vaikuttavuutta ja vähentämällä samalla niiden ympäristövaikutuksia sekä parantamalla kastelujärjestelmien tehokkuutta ja vaikuttavuutta, mikä johtaa vedenkäytön vähenemiseen ja viljelykasvien kasvun paranemiseen.

Mitkä ovat nanomateriaalien riskit?

Nanomateriaalit voivat aiheuttaa joitakin riskejä ihmisten terveydelle ja ympäristölle, kuten myrkyllisyyttä, reaktiivisuutta ja hiukkasten vapautumista ilmaan, veteen ja maaperään. Pitkäaikainen altistuminen nanohiukkasille voi aiheuttaa kroonisia terveysvaikutuksia, kuten hengitystie-, sydän- ja verisuoni- sekä lisääntymisongelmia.

Huolta aiheuttavat myös niiden mahdolliset vaikutukset ekosysteemeihin ja luonnonvaraisiin eläimiin sekä niiden pysyvyys ympäristössä. Lisäksi nanomateriaalien ainutlaatuiset ominaisuudet voivat herättää turvallisuusongelmia tuotannon, käsittelyn ja hävittämisen aikana. Lisätutkimusta tarvitaan, jotta näitä riskejä voidaan ymmärtää täysin.

Etsitkö tilattavia kuvia ja kuvituksia tieteen välittämistä varten?

Mind the Graph on alusta, joka auttaa tiedemiehiä ja tutkijoita viestimään visuaalisesti tieteellisistä ideoistaan ja tuloksistaan. Alusta tarjoaa erilaisia malleja, kuvakkeita ja kuvituksia, joiden avulla käyttäjät voivat luoda infografiikoita, julisteita, esityksiä ja raportteja, jotka kertovat tehokkaasti heidän tutkimuksestaan.