Čo sú nanomateriály a prečo sú dôležité?

Prečo by ste mali vedieť, čo sú nanomateriály?

Význam nanomateriálov spočíva v ich potenciáli transformovať mnohé oblasti, ako napríklad elektroniku, energetiku a medicínu, prostredníctvom zlepšenia ich výkonnostných vlastností.

Nanomateriály môžu uľahčiť vytváranie malých výrobkov a procesov v nanorozmeroch. Niektoré príklady použitia nanomateriálov zahŕňajú elektroniku, nanomateriály sa môžu použiť na výrobu rýchlejších a účinnejších zariadení; v medicíne sa môžu využiť na vývoj cielených systémov na podávanie liekov; a v energetike môžu zlepšiť premenu a skladovanie energie.

Čo sú nanomateriály?

Nanomateriály sú materiály, ktoré sa svojou štruktúrou a vlastnosťami výrazne líšia od materiálov vo veľkom množstve z dôvodu ich malých rozmerov. Tieto materiály majú rozmery v nanorozmeroch, zvyčajne od 1 do 100 nanometrov, a vykazujú jedinečné fyzikálne, chemické a biologické vlastnosti.

Vďaka ich vysokému povrchu, pozoruhodnej biokompatibilite, optickým a elektrickým vlastnostiam sa široko používajú v rôznych oblastiach. Medzi príklady nanomateriálov patria nanočastice, nanovlákna, nanorúrky, uhlík a kvantové bodky.

4 hlavné typy nanomateriálov:

Nanočastice: Ide o častice, ktorých aspoň jeden rozmer je menší ako 100 nanometrov.

Nanovlákna: Ide o dlhé, tenké vlákna s priemerom v rozsahu nanorozmerov.

Nanorúrky: Ide o trubice so stenami z jednej vrstvy atómov s priemerom v nanorozmeroch.

Nanolamináty: Ide o tenké vrstvy rôznych materiálov, ktoré sa ukladajú na seba a vytvárajú kompozitný materiál.

Ako možno charakterizovať nanomateriály?

Nanomateriály sa môžu vyskytovať v prírode, vznikať ako vedľajšie produkty spaľovacích reakcií alebo sa môžu zámerne vyrábať pomocou inžinierstva na vykonávanie špecializovanej funkcie. Možno ich fyzikálne a chemicky charakterizovať s cieľom určiť ich veľkosť, tvar, zloženie a štruktúru.

Fyzické:

Transmisná elektrónová mikroskopia (TEM): TEM využíva vysokoenergetické elektróny na vytváranie obrazov nanomateriálov, ktoré poskytujú informácie o ich veľkosti, tvare a usporiadaní.

Skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM): SEM využíva fokusovaný zväzok elektrónov na vytváranie obrazov povrchu nanomateriálov, ktoré poskytujú informácie o morfológii a topografii povrchu.

Dynamický rozptyl svetla (DLS): DLS meria Brownov pohyb častíc v roztoku a poskytuje informácie o rozdelení častíc podľa veľkosti.

Röntgenová difrakcia (XRD): XRD využíva röntgenové žiarenie na určenie kryštálovej štruktúry materiálu a identifikáciu jeho zložiek.

Chemické látky:

Energetická disperzná spektroskopia (EDS): EDS využíva röntgenové žiarenie na analýzu zloženia nanomateriálov meraním energetických spektier elektrónov emitovaných zo vzorky.

Infračervená spektroskopia s Fourierovou transformáciou (FTIR): FTIR využíva infračervené svetlo na meranie vibračných spektier chemických väzieb materiálu, čím poskytuje informácie o jeho chemickom zložení.

Röntgenová fotoelektrónová spektroskopia (XPS): XPS využíva röntgenové žiarenie na excitáciu elektrónov v materiáli, čím poskytuje informácie o jeho chemickom zložení a elektronickej štruktúre.

Indukčne viazaná plazma - hmotnostná spektrometria (ICP-MS): ICP-MS používa plazmový horák na odparovanie a ionizáciu vzorky a potom meria hmotnosť iónov na určenie zloženia.

Aké sú aplikácie nanomateriálov?

Technologické využitie nanomateriálov je využiteľné vo viacerých odvetviach, od zdravotníctva a mechaniky až po ochranu životného prostredia a čistenie vzduchu. Možno ich použiť na vytvorenie účinnejších batérií, účinnejších systémov na dodávanie liekov a pevnejších a ľahších materiálov. Nižšie uvádzame niekoľko príkladov:

Elektronika: Nanomateriály možno použiť v elektronických zariadeniach, ako sú smartfóny, notebooky a televízory, na zvýšenie výkonu a zníženie spotreby energie. Okrem iných príkladov môžu vytvárať displeje s vysokým rozlíšením, zlepšovať pamäťovú kapacitu a účinnosť dobíjacích batérií.

Medicína: Môže sa použiť v lekárskych aplikáciách, ako je zobrazovanie, diagnostika a liečba. Systémy na podávanie liečiv v nanorozmeroch môžu zlepšiť účinnosť a cieľovú špecifickosť liečiv.

Sanácia životného prostredia: Čistenie znečisťujúcich látok a kontaminantov pomocou katalyzátorov na báze nanočastíc a nanofiltrov, ktoré môžu čistiť kontaminovanú vodu, vzduch a pôdu odstraňovaním znečisťujúcich látok a patogénov.

Veda o materiáloch: Dokáže vytvoriť pevné a ľahké materiály s lepšími mechanickými a tepelnými vlastnosťami, ktoré sú vhodné na použitie v náročných aplikáciách, ako sú napríklad komponenty pre letecký a automobilový priemysel.

Potraviny a poľnohospodárstvo: Zvýšiť kvalitu, bezpečnosť a trvanlivosť potravín a poľnohospodárskych výrobkov zlepšením účinnosti a efektívnosti pesticídov pri súčasnom znížení ich vplyvu na životné prostredie a zlepšením účinnosti a efektívnosti zavlažovacích systémov, čo vedie k zníženiu spotreby vody a zlepšeniu rastu plodín.

Aké sú riziká nanomateriálov?

Nanomateriály môžu predstavovať určité riziká pre ľudské zdravie a životné prostredie vrátane toxicity, reaktivity a uvoľňovania častíc do vzduchu, vody a pôdy. Dlhodobé vystavenie časticiam nanorozmerov môže mať za následok chronické zdravotné účinky, ako sú respiračné, kardiovaskulárne a reprodukčné problémy.

Existujú aj obavy z ich potenciálneho vplyvu na ekosystémy a voľne žijúce živočíchy, ako aj z ich pretrvávania v životnom prostredí. Okrem toho jedinečné vlastnosti nanomateriálov môžu vyvolávať obavy o bezpečnosť pri výrobe, manipulácii a likvidácii. Na úplné pochopenie týchto rizík je potrebný ďalší výskum.

Hľadáte obrázky a ilustrácie na požiadanie na sprostredkovanie vedy?

Mind the Graph je platforma, ktorá pomáha vedcom a výskumníkom vizuálne komunikovať ich vedecké myšlienky a zistenia. Platforma poskytuje rôzne šablóny, ikony a ilustrácie, ktoré pomáhajú používateľom vytvárať infografiky, plagáty, prezentácie a správy, ktoré efektívne informujú o ich výskume.