Czym są nanomateriały i dlaczego są ważne?

Dlaczego warto wiedzieć, czym są nanomateriały?

Znaczenie nanomateriałów polega na ich potencjale do przekształcenia wielu dziedzin, takich jak elektronika, energia i medycyna, poprzez zapewnienie lepszych właściwości użytkowych.

Nanomateriały mogą ułatwiać tworzenie produktów i procesów na małą skalę w nanoskali. Niektóre przykłady zastosowania nanomateriałów obejmują elektronikę, nanomateriały mogą być wykorzystywane do produkcji szybszych i bardziej wydajnych urządzeń; w medycynie mogą być wykorzystywane do opracowywania ukierunkowanych systemów dostarczania leków; a w energetyce mogą poprawić konwersję i magazynowanie energii.

Czym są nanomateriały?

Nanomateriały to materiały o strukturze i właściwościach znacznie różniących się od materiałów masowych ze względu na ich niewielki rozmiar. Materiały te mają wymiary w nanoskali, zwykle od 1 do 100 nanometrów, i wykazują unikalne właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne.

Są one szeroko stosowane w różnych dziedzinach ze względu na ich dużą powierzchnię, niezwykłą biokompatybilność, właściwości optyczne i elektryczne. Niektóre przykłady nanomateriałów obejmują nanocząstki, nanowłókna, nanorurki, węgiel i kropki kwantowe.

4 główne rodzaje nanomateriałów:

Nanocząsteczki: Są to cząstki o co najmniej jednym wymiarze mniejszym niż 100 nanometrów.

Nanowłókna: Są to długie, cienkie włókna o średnicy w nanoskali.

Nanorurki: Są to rurki o ściankach wykonanych z pojedynczej warstwy atomów o średnicach w nanoskali.

Nanolaminaty: Są to cienkie warstwy różnych materiałów ułożone jeden na drugim w celu utworzenia materiału kompozytowego.

Jak można scharakteryzować nanomateriały?

Nanomateriały mogą występować naturalnie, powstawać jako produkty uboczne reakcji spalania lub być celowo wytwarzane poprzez inżynierię w celu pełnienia wyspecjalizowanej funkcji. Można je scharakteryzować fizycznie i chemicznie w celu określenia ich rozmiaru, kształtu, składu i struktury.

Fizyczne:

Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM): TEM wykorzystuje wysokoenergetyczne elektrony do tworzenia obrazów nanomateriałów, dostarczając informacji o ich rozmiarze, kształcie i układzie.

Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM): SEM wykorzystuje skupioną wiązkę elektronów do tworzenia obrazów powierzchni nanomateriałów, dostarczając informacji na temat morfologii i topografii powierzchni.

Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS): DLS mierzy ruch Browna cząstek w roztworze, dostarczając informacji o rozkładzie wielkości cząstek.

Dyfrakcja rentgenowska (XRD): XRD wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do określenia struktury krystalicznej materiału i identyfikacji jego składników.

Substancja chemiczna:

Spektroskopia dyspersji energii (EDS): EDS wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do analizy składu nanomateriałów poprzez pomiar widm energetycznych elektronów emitowanych z próbki.

Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR): FTIR wykorzystuje światło podczerwone do pomiaru widm wibracyjnych wiązań chemicznych materiału, dostarczając informacji o jego składzie chemicznym.

Spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich (XPS): XPS wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do wzbudzania elektronów w materiale, dostarczając informacji o jego składzie chemicznym i strukturze elektronowej.

Spektrometria mas z plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP-MS): ICP-MS wykorzystuje palnik plazmowy do odparowania i jonizacji próbki, a następnie mierzy masę jonów w celu określenia składu.

Jakie są zastosowania nanomateriałów?

Technologiczne zastosowanie nanomateriałów jest użyteczne w wielu sektorach, od opieki zdrowotnej i mechaniki po ochronę środowiska i oczyszczanie powietrza. Mogą być one wykorzystywane do tworzenia bardziej wydajnych baterii, skuteczniejszych systemów dostarczania leków oraz mocniejszych i lżejszych materiałów. Poniżej znajduje się kilka przykładów:

Elektronika: Nanomateriały mogą być stosowane w urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony, laptopy i telewizory, w celu zwiększenia wydajności i zmniejszenia zużycia energii. Nanomateriały mogą być wykorzystywane m.in. do tworzenia wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości, zwiększania pojemności i wydajności akumulatorów.

Medycyna: Może być stosowany w zastosowaniach medycznych, takich jak obrazowanie, diagnostyka i leczenie. Nanoskalowe systemy dostarczania leków mogą poprawić skuteczność i specyficzność docelową leków.

Remediacja środowiska: Oczyszczanie z zanieczyszczeń i skażenia przy użyciu nanocząsteczkowych katalizatorów i nanofiltrów, które mogą oczyszczać zanieczyszczoną wodę, powietrze i glebę poprzez usuwanie zanieczyszczeń i patogenów.

Nauka o materiałach: Umożliwia tworzenie wytrzymałych, lekkich materiałów o ulepszonych właściwościach mechanicznych i termicznych, dzięki czemu nadają się one do stosowania w wymagających aplikacjach, takich jak elementy lotnicze i motoryzacyjne.

Żywność i rolnictwo: Poprawa jakości, bezpieczeństwa i trwałości żywności i produktów rolnych poprzez zwiększenie wydajności i skuteczności pestycydów przy jednoczesnym zmniejszeniu ich wpływu na środowisko oraz poprawę wydajności i skuteczności systemów nawadniania, co prowadzi do zmniejszenia zużycia wody i poprawy wzrostu upraw.

Jakie są zagrożenia związane z nanomateriałami?

Nanomateriały mogą stwarzać pewne zagrożenia dla zdrowia ludzkiego i środowiska, w tym toksyczność, reaktywność i uwalnianie cząstek do powietrza, wody i gleby. Długotrwałe narażenie na cząstki w nanoskali może powodować przewlekłe skutki zdrowotne, takie jak problemy z układem oddechowym, sercowo-naczyniowym i rozrodczym.

Istnieją również obawy dotyczące ich potencjalnego wpływu na ekosystemy i dziką przyrodę, a także ich trwałości w środowisku. Ponadto unikalne właściwości nanomateriałów mogą budzić obawy dotyczące bezpieczeństwa podczas produkcji, obsługi i utylizacji. Potrzebne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć te zagrożenia.

Szukasz rysunków i ilustracji na żądanie do przekazywania wiedzy naukowej?

Mind the Graph to platforma, która pomaga naukowcom i badaczom wizualnie komunikować swoje naukowe pomysły i odkrycia. Platforma zapewnia różnorodne szablony, ikony i ilustracje, które pomagają użytkownikom tworzyć infografiki, plakaty, prezentacje i raporty, które skutecznie komunikują ich badania.