Kaj so nanomateriali in zakaj so pomembni?

Zakaj morate vedeti, kaj so nanomateriali?

Pomen nanomaterialov je v njihovem potencialu, da z izboljšanimi zmogljivostnimi lastnostmi spremenijo številna področja, kot so elektronika, energetika in medicina.

Nanomateriali lahko olajšajo ustvarjanje majhnih izdelkov in procesov na nanoskali. Nekateri primeri uporabe nanomaterialov vključujejo elektroniko, kjer se nanomateriali lahko uporabljajo za izdelavo hitrejših in učinkovitejših naprav; v medicini jih je mogoče uporabiti za razvoj ciljno usmerjenih sistemov za dostavo zdravil; v energetiki pa lahko izboljšajo pretvorbo in shranjevanje energije.

Kaj so nanomateriali?

Nanomateriali so materiali, katerih struktura in lastnosti se zaradi njihove majhnosti bistveno razlikujejo od strukture in lastnosti osnovnih materialov. Ti materiali imajo dimenzije v nanometrskem območju, običajno med 1 in 100 nanometri, in imajo edinstvene fizikalne, kemične in biološke lastnosti.

Zaradi velike površine, izjemne biokompatibilnosti, optičnih in električnih lastnosti se pogosto uporabljajo na različnih področjih. Nekateri primeri nanomaterialov so nanodelci, nanovlakna, nanocevke, ogljik in kvantne pike.

4 glavne vrste nanomaterialov:

Nanodelci: To so delci z vsaj eno dimenzijo, manjšo od 100 nanometrov.

Nanovlakna: To so dolga in tanka vlakna s premerom v nanometrskem območju.

Nanotubes: To so cevi s stenami iz ene same plasti atomov s premeri v nanometrskem območju.

Nanolaminati: To so tanke plasti različnih materialov, ki so naložene drug na drugega in tvorijo kompozitni material.

Kako je mogoče karakterizirati nanomateriale?

Nanomateriali se lahko pojavijo v naravi, nastanejo kot stranski produkti zgorevalnih reakcij ali pa so namerno proizvedeni z inženiringom, da opravljajo specializirano funkcijo. Lahko jih fizikalno in kemijsko opredelimo, da določimo njihovo velikost, obliko, sestavo in strukturo.

Fizično:

Transmisijska elektronska mikroskopija (TEM): TEM uporablja visokoenergijske elektrone za ustvarjanje slik nanomaterialov, s čimer pridobi informacije o njihovi velikosti, obliki in razporeditvi.

Skenirna elektronska mikroskopija (SEM): SEM z usmerjenim snopom elektronov ustvari slike površine nanomaterialov, ki zagotavljajo informacije o morfologiji in topografiji površine.

Dinamično razprševanje svetlobe (DLS): DLS meri Brownovo gibanje delcev v raztopini in zagotavlja informacije o porazdelitvi velikosti delcev.

Rentgenska difrakcija (XRD): XRD z rentgenskimi žarki določa kristalno strukturo materiala in identificira njegove sestavine.

Kemično:

Energijsko disperzijska spektroskopija (EDS): EDS uporablja rentgenske žarke za analizo sestave nanomaterialov z merjenjem energijskih spektrov elektronov, ki se oddajajo iz vzorca.

Infrardeča spektroskopija s Fourierjevo transformacijo (FTIR): FTIR uporablja infrardečo svetlobo za merjenje vibracijskih spektrov kemijskih vezi v materialu, kar zagotavlja informacije o njegovi kemijski sestavi.

Rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS): XPS z rentgenskimi žarki vzbudi elektrone v materialu in tako pridobi informacije o njegovi kemijski sestavi in elektronski strukturi.

Induktivno sklopljena plazma - masna spektrometrija (ICP-MS): ICP-MS s plazemskim gorilnikom upari in ionizira vzorec, nato pa izmeri maso ionov in določi sestavo.

Kakšne so aplikacije nanomaterialov?

Tehnološka uporaba nanomaterialov je uporabna v številnih sektorjih, od zdravstva in mehanike do varovanja okolja in čiščenja zraka. Z njimi je mogoče ustvariti učinkovitejše baterije, učinkovitejše sisteme za dostavo zdravil ter močnejše in lažje materiale. V nadaljevanju je navedenih nekaj primerov:

Elektronika: Nanomateriali se lahko uporabljajo v elektronskih napravah, kot so pametni telefoni, prenosni računalniki in televizorji, da se izboljša zmogljivost in zmanjša poraba energije. Med drugim lahko ustvarijo zaslone visoke ločljivosti, izboljšajo zmogljivost shranjevanja in učinkovitost baterij za ponovno polnjenje.

Medicina: Uporablja se lahko v medicinskih aplikacijah, kot so slikanje, diagnosticiranje in zdravljenje. Sistemi za dostavo zdravil na nanometrski ravni lahko izboljšajo učinkovitost in ciljno specifičnost zdravil.

Sanacija okolja: Čiščenje onesnaževal in kontaminantov z uporabo katalizatorjev na osnovi nanodelcev in nanofiltrov, ki lahko očistijo onesnaženo vodo, zrak in tla z odstranjevanjem onesnaževal in patogenov.

znanost o materialih: Z njim lahko ustvarimo močne in lahke materiale z izboljšanimi mehanskimi in toplotnimi lastnostmi, ki so primerni za uporabo v zahtevnih aplikacijah, kot so letalske in avtomobilske komponente.

Prehrana in kmetijstvo: Izboljšanje kakovosti, varnosti in roka uporabnosti hrane in kmetijskih proizvodov z izboljšanjem učinkovitosti in uspešnosti pesticidov ob hkratnem zmanjšanju njihovega vpliva na okolje ter izboljšanjem učinkovitosti in uspešnosti namakalnih sistemov, kar vodi k manjši porabi vode in boljši rasti pridelkov.

Kakšna so tveganja nanomaterialov?

Nanomateriali lahko predstavljajo nekatera tveganja za zdravje ljudi in okolje, vključno s strupenostjo, reaktivnostjo in sproščanjem delcev v zrak, vodo in tla. Dolgotrajna izpostavljenost nanodelcem lahko povzroči kronične učinke na zdravje, kot so težave z dihali, srcem in ožiljem ter reproduktivne težave.

Prav tako so zaskrbljeni zaradi njihovega morebitnega vpliva na ekosisteme in divje živali ter njihove obstojnosti v okolju. Poleg tega lahko edinstvene lastnosti nanomaterialov povzročijo varnostne težave pri proizvodnji, ravnanju in odstranjevanju. Za popolno razumevanje teh tveganj so potrebne nadaljnje raziskave.

Iščete slike in ilustracije na zahtevo za posredovanje znanosti?

Mind the Graph je platforma, ki znanstvenikom in raziskovalcem pomaga vizualno sporočati njihove znanstvene zamisli in ugotovitve. Platforma ponuja različne predloge, ikone in ilustracije, ki uporabnikom pomagajo ustvarjati infografike, plakate, predstavitve in poročila, s katerimi učinkovito sporočajo svoje raziskave.