Що таке наноматеріали і чому вони важливі?

Зображення з **edelweisspublications.com**

Чому ви повинні знати, що таке наноматеріали?

Значення наноматеріалів полягає в тому, що вони здатні трансформувати численні галузі, такі як електроніка, енергетика та медицина, завдяки покращеним експлуатаційним характеристикам.

Наноматеріали можуть сприяти створенню дрібномасштабних продуктів і процесів на нанорівні. Деякі приклади застосування наноматеріалів включають електроніку, де наноматеріали можуть бути використані для виробництва швидших та ефективніших пристроїв; в медицині - для розробки цільових систем доставки ліків; в енергетиці - для покращення перетворення та зберігання енергії.

Що таке наноматеріали?

Наноматеріали - це матеріали зі структурою та властивостями, що значно відрізняються від об'ємних матеріалів через їхній малий розмір. Ці матеріали мають розміри в нанорозмірному діапазоні, зазвичай від 1 до 100 нанометрів, і демонструють унікальні фізичні, хімічні та біологічні властивості.

Вони широко використовуються в різних галузях завдяки великій площі поверхні, чудовій біосумісності, оптичним та електричним властивостям. Деякі приклади наноматеріалів включають наночастинки, нановолокна, нанотрубки, вуглець і квантові точки.

4 основні типи наноматеріалів:

Наночастинки: Це частинки, хоча б один вимір яких не перевищує 100 нанометрів.

Нановолокна: Це довгі, тонкі волокна з діаметром в нанорозмірному діапазоні.

Нанотрубки: Це трубки зі стінками з одного шару атомів діаметром у нанорозмірному діапазоні.

Наноламінати: Це тонкі шари різних матеріалів, які накладаються один на одного, утворюючи композитний матеріал.

Як можна охарактеризувати наноматеріали?

Наноматеріали можуть зустрічатися в природі, створюватися як побічні продукти реакцій горіння або навмисно вироблятися за допомогою інженерії для виконання спеціалізованої функції. Їх можна фізично і хімічно охарактеризувати, щоб визначити їхній розмір, форму, склад і структуру.

Фізично:

Трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ): ТЕМ використовує електрони високої енергії для отримання зображень наноматеріалів, надаючи інформацію про їхній розмір, форму та розташування.

Скануюча електронна мікроскопія (СЕМ): РЕМ використовує сфокусований пучок електронів для отримання зображень поверхні наноматеріалів, надаючи інформацію про морфологію і топографію поверхні.

Динамічне розсіювання світла (DLS): DLS вимірює броунівський рух частинок у розчині, надаючи інформацію про розподіл частинок за розмірами.

Рентгенівська дифракція (XRD): XRD використовує рентгенівські промені для визначення кристалічної структури матеріалу та ідентифікації його компонентів.

Хімікати:

Енергодисперсійна спектроскопія (EDS): EDS використовує рентгенівські промені для аналізу складу наноматеріалів, вимірюючи енергетичні спектри електронів, випромінюваних зразком.

Інфрачервона спектроскопія з перетворенням Фур'є (FTIR): FTIR використовує інфрачервоне світло для вимірювання коливальних спектрів хімічних зв'язків матеріалу, надаючи інформацію про його хімічний склад.

Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS): XPS використовує рентгенівські промені для збудження електронів у матеріалі, надаючи інформацію про його хімічний склад та електронну структуру.

Мас-спектрометрія з індуктивно зв'язаною плазмою (ICP-MS): ICP-MS використовує плазмовий пальник для випаровування та іонізації зразка, а потім вимірює масу іонів для визначення складу.

Яке застосування мають наноматеріали?

Технологічне застосування наноматеріалів може бути використане в багатьох галузях, від охорони здоров'я та механіки до захисту навколишнього середовища та очищення повітря. Вони можуть бути використані для створення більш ефективних акумуляторів, більш ефективних систем доставки ліків, а також міцніших і легших матеріалів. Нижче наведено кілька прикладів:

Електроніка: Наноматеріали можна використовувати в електронних пристроях, таких як смартфони, ноутбуки та телевізори, для підвищення продуктивності та зменшення енергоспоживання. Серед інших прикладів - створення дисплеїв з високою роздільною здатністю, підвищення ємності та ефективності акумуляторних батарей.

Медицина: Вони можуть бути застосовані в медицині, наприклад, для візуалізації, діагностики та лікування. Нанорозмірні системи доставки ліків можуть підвищити ефективність та цільову специфічність ліків.

Реабілітація навколишнього середовища: Очищення забруднювачів і домішок за допомогою каталізаторів на основі наночастинок і нанофільтрів, які можуть очищати забруднену воду, повітря і ґрунт, видаляючи забруднювачі та хвороботворні мікроорганізми.

Матеріалознавство: Він дозволяє створювати міцні, легкі матеріали з покращеними механічними та термічними властивостями, що робить їх придатними для використання у складних сферах застосування, таких як аерокосмічна промисловість та автомобільні компоненти.

Їжа та сільське господарство: Підвищення якості, безпечності та терміну зберігання харчових продуктів та сільськогосподарської продукції шляхом підвищення ефективності та результативності пестицидів при одночасному зменшенні їхнього впливу на навколишнє середовище, а також підвищення ефективності та результативності іригаційних систем, що призведе до скорочення використання води та покращення росту сільськогосподарських культур.

Які ризики пов'язані з наноматеріалами?

Наноматеріали можуть становити певні ризики для здоров'я людини та довкілля, включаючи токсичність, реакційну здатність та потрапляння частинок у повітря, воду та ґрунт. Тривалий вплив нанорозмірних частинок може призвести до хронічних наслідків для здоров'я, таких як респіраторні, серцево-судинні та репродуктивні проблеми.

Існує також занепокоєння щодо їхнього потенційного впливу на екосистеми та дику природу, а також щодо їхньої стійкості в навколишньому середовищі. Крім того, унікальні властивості наноматеріалів можуть викликати занепокоєння щодо безпеки під час виробництва, поводження та утилізації. Для повного розуміння цих ризиків необхідні подальші дослідження.

Ви шукаєте цифри та ілюстрації на вимогу для популяризації науки?

Mind the Graph це платформа, яка допомагає науковцям та дослідникам візуально презентувати свої наукові ідеї та результати. Платформа надає різноманітні шаблони, іконки та ілюстрації, щоб допомогти користувачам створювати інфографіку, плакати, презентації та звіти, які ефективно розповідають про їхні дослідження.