Người ta quan sát thấy rằng các thuộc tính lượng tử của vật liệu có thể khác nhau ở kích thước nano. Vật liệu hoạt động như chất cách điện ở cấp độ phân tử có thể thể hiện các đặc tính của vật dẫn khi nhìn ở cấp độ nano của nó. Công nghệ nano đã nổi lên như một phương pháp nghiên cứu liên quan đến việc nghiên cứu sự thay đổi các đặc tính của vật liệu ở quy mô nano. Nó liên quan đến nghiên cứu tổ hợp của các ngành khoa học khác nhau như vật lý lượng tử, vật lý bán dẫn, vật liệu chế tạo , v.v. ở cấp độ nano. Vật liệu được hình thành bằng cách sử dụng các nguyên tắc và phương pháp của công nghệ nano, mà các đặc tính của chúng nằm giữa đặc tính của chất rắn vĩ mô và hệ thống nguyên tử, được gọi là Vật liệu nano.

Vật liệu nano là gì?

Thuật ngữ kích thước nano đề cập đến kích thước 10^-9mét. Nó là phần một tỷ của mét. Vì vậy, các hạt có bất kỳ kích thước bên ngoài hoặc kích thước cấu trúc bên trong hoặc kích thước cấu trúc bề mặt nằm trong phạm vi từ 1nm đến 100nm đều được coi là vật liệu nano.

Những vật liệu này không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Phương pháp tiếp cận dựa trên khoa học vật liệu của công nghệ nano được xem xét đối với vật liệu nano. Ở quy mô này, những vật liệu này có các đặc tính quang học, điện tử, cơ học và lượng tử độc nhất so với hành vi ở quy mô phân tử của chúng.

Vật liệu nano có thể là vật thể nano hoặc vật liệu có cấu trúc nano. Vật thể Nao là những mảnh vật chất rời rạc, mặt khác, vật liệu có cấu trúc nano có cấu trúc bên trong hoặc bề mặt của chúng ở kích thước nano.

Vật liệu nano có thể tồn tại tự nhiên, được sản xuất nhân tạo hoặc hình thành ngẫu nhiên. Với những tiến bộ trong nghiên cứu, vật liệu nano đang được thương mại hóa và được sử dụng làm hàng hóa.

Tính chất của vật liệu nano

Một sự thay đổi mạnh mẽ trong tính chất của vật liệu nano có thể được quan sát thấy khi chúng bị phá vỡ đến mức kích thước nano. Khi chúng ta tiến tới cấp độ nano từ cấp độ phân tử, các đặc tính điện tử của vật liệu bị thay đổi do hiệu ứng kích thước lượng tử. Có thể thấy sự thay đổi về các đặc tính cơ, nhiệt và xúc tác của vật liệu với sự gia tăng diện tích bề mặt trên tỷ lệ thể tích ở cấp độ nano.

Nhiều vật liệu cách điện bắt đầu hoạt động như chất dẫn điện ở kích thước nano của chúng. Tương tự như vậy, khi chúng ta đạt đến kích thước nano, nhiều hiện tượng lượng tử và bề mặt thú vị có thể được quan sát thấy.

Kích thước hạt, hình dạng, thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, độ ổn định hóa lý, diện tích bề mặt và năng lượng bề mặt, v.v ... là những thuộc tính của các đặc tính hóa lý của vật liệu nano. Khi tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của vật liệu nano tăng lên, bề mặt của chúng trở nên dễ phản ứng hơn trên chính nó và các hệ thống khác. Kích thước của vật liệu nano đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động dược lý của chúng. Khi vật liệu nano tương tác với nước hoặc các phương tiện phân tán khác, chúng có thể sắp xếp lại cấu trúc tinh thể của chúng. Kích thước, thành phần và điện tích bề mặt của vật liệu nano ảnh hưởng đến trạng thái tập hợp của chúng. Các đặc tính từ, lý hóa và động học của những vật liệu này bị ảnh hưởng bởi lớp phủ bề mặt. Các vật liệu này tạo ra ROS khi bề mặt của chúng phản ứng với oxy, ozon và các vật liệu chuyển tiếp.

Ở cấp độ nano, tương tác giữa các hạt là do lực van der Waal hoặc các liên kết cộng hóa trị hoặc phân cực mạnh. Các đặc tính bề mặt của vật liệu nano và tương tác của chúng với các phần tử và môi trường khác có thể được sửa đổi khi sử dụng polyelectrolytes.

Ví dụ

Vật liệu nano có thể được tìm thấy dưới dạng vật liệu nano được thiết kế, ngẫu nhiên hoặc tồn tại tự nhiên. Vật liệu nano được chế tạo bởi con người với một số đặc tính mong muốn. Chúng bao gồm vật liệu nano carbon đen và titanium dioxide. Các hạt nano cũng được tạo ra do các quá trình cơ học hoặc công nghiệp một cách ngẫu nhiên như trong quá trình xả xe, khói hàn, đun nấu và đốt nóng nhiên liệu. Vật liệu nano trong khí quyển được tạo ra ngẫu nhiên còn được gọi là các hạt siêu mịn. Fullerenes là vật liệu nano được tạo ra do quá trình đốt cháy sinh khối, nến.

“bộ điều khiển động cơ một chiều tốc độ thay đổi ”

Ống nano

Các vật liệu nano hiện có trong tự nhiên được hình thành do nhiều quá trình tự nhiên như cháy rừng, tro núi lửa, nước phun từ đại dương, quá trình phong hóa kim loại, v.v. Một số ví dụ về vật liệu nano hiện diện trong các hệ thống sinh học là cấu trúc của tinh thể sáp bao bọc hoa sen, cấu trúc của virus, tơ nhện, màu xanh của nhện tarantula, vảy cánh bướm. Các hạt như sữa, máu, sừng, răng, da, giấy, san hô, mỏ, lông vũ, chất nền xương, bông, móng tay, v.v. là những vật liệu nano hữu cơ hoàn toàn tự nhiên. Đất sét là ví dụ về vật liệu nano vô cơ tự nhiên, vì chúng được hình thành do sự phát triển của tinh thể trong các điều kiện hóa học đa dạng trên vỏ trái đất.

Phân loại

Việc phân loại vật liệu nano chủ yếu phụ thuộc vào hình thái và cấu trúc của chúng, chúng được phân thành hai nhóm chính là Vật liệu hợp nhất và Vật liệu phân tán nano. Vật liệu nano hợp nhất được phân loại thêm thành nhiều nhóm. Hệ thống phân tán Nano một chiều được gọi là Nanopowders và Nanoparticles. Ở đây, các hạt nano được phân loại thêm thành Tinh thể nano, Cụm nano, Ống nano, siêu phân tử, v.v.

“tụ điện mắc nối tiếp và ví dụ song song ”

Đối với vật liệu nano, kích thước là một thuộc tính vật lý quan trọng. Vật liệu nano thường được phân loại tùy thuộc vào số lượng các kích thước của chúng nằm dưới kích thước nano. Vật liệu nano có cả ba chiều đều ở kích thước nano và không có sự khác biệt đáng kể giữa trục dài nhất và trục ngắn nhất, được gọi là Hạt nano. Các vật liệu có kích thước hai chiều ở kích thước nano được gọi là Nanofibres. Sợi nano rỗng được gọi là Ống nano và sợi rắn được gọi là Nanorods. Vật liệu có một chiều ở kích thước nano được gọi là Nanoplates. Các tấm nano với hai kích thước dài hơn khác nhau được gọi là Nanoribbons.

Dựa trên các giai đoạn của vật chất được chứa bởi các vật liệu cấu trúc nano, chúng được phân loại thành vật liệu nanocomposite, nanofoam, nanoporous và nanocrystalline. Vật liệu rắn có chứa ít nhất một vùng khác biệt về mặt vật lý hoặc hoá học với ít nhất một vùng có kích thước ở kích thước nano được gọi là Vật liệu tổng hợp Nano. Các bọt xốp nano chứa một chất nền lỏng hoặc rắn, chứa đầy pha khí và một trong hai pha có kích thước ở kích thước nano.

Vật liệu rắn có lỗ nano, lỗ rỗng có kích thước trên kích thước nano được coi là vật liệu Nanoporous. Vật liệu tinh thể nano có các hạt tinh thể ở kích thước nano.

Ứng dụng của vật liệu nano

Ngày nay vật liệu nano đang được thương mại hóa cao. Một số vật liệu nano thương mại có sẵn trên thị trường là mỹ phẩm, hàng dệt chống căng, thiết bị điện tử, kem chống nắng, sơn, v.v.… Lớp phủ nano và vật liệu nano đang được sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng khác nhau như thiết bị thể thao, cửa sổ, ô tô, v.v. do ánh sáng mặt trời gây ra cho đồ uống, chai thủy tinh đang được phủ một lớp sơn nano ngăn tia UV. Sử dụng vật liệu tổng hợp nano-đất sét để sản xuất bóng tennis có tuổi thọ cao hơn. Silica kích thước nano được sử dụng làm chất độn trong hàn răng.

Các đặc tính quang học của vật liệu nano được sử dụng để tạo thành máy dò quang học, cảm biến, laser, màn hình, pin mặt trời. Tính chất này cũng được sử dụng trong y sinh và quang điện tử. Trong pin nhiên liệu vi sinh vật, các điện cực được tạo thành từ các ống nano carbon. Kẽm selenua tinh thể nano được sử dụng trong màn hình hiển thị để tăng độ phân giải của các điểm ảnh tạo thành TV độ nét cao và máy tính cá nhân. Trong ngành vi điện tử, việc thu nhỏ các mạch điện như bóng bán dẫn, điốt, điện trở và tụ điện được chú trọng.

Các dây nano đang được sử dụng để tạo thành Linh kiện bán dẫn . Vật liệu nano cũng được sử dụng làm chất xúc tác trong bộ chuyển đổi xúc tác ô tô và hệ thống phát điện, để phản ứng với các khí độc hại như carbon monoxide và nitơ oxit, do đó ngăn ngừa ô nhiễm môi trường do chúng gây ra. Để tăng chỉ số chống nắng (SPF) trong kem chống nắng, nano-TiO2 được sử dụng. Để cung cấp bề mặt hoạt động cao cho các cảm biến, các lớp nano được thiết kế đã được sử dụng.

Fullerenes được sử dụng trong ung thư để điều trị các tế bào ung thư như u ác tính. Chúng cũng được sử dụng như các chất kháng khuẩn hoạt hóa bằng ánh sáng. Do các tính chất quang học và điện của chúng, các chấm lượng tử, dây nano và thanh nano đã được lựa chọn nhiều cho Quang điện tử. Vật liệu nano đang được thử nghiệm cho các ứng dụng trong kỹ thuật mô, phân phối thuốc và cảm biến sinh học. Nanozyme là các enzym nhân tạo được sử dụng để cảm biến sinh học, mô phỏng sinh học, phát hiện khối u.

Ưu điểm và nhược điểm của vật liệu nano

Các tính chất điện, từ, quang học và cơ học của vật liệu nano đã cung cấp nhiều ứng dụng hấp dẫn. Nghiên cứu vẫn đang được tiến hành để biết về những đặc tính này. Thuộc tính của vật liệu nano khác với đặc tính của mô hình kích thước lớn. Một số ưu điểm của vật liệu nano như sau:

Vật liệu nano chất bán dẫn Các hạt q thể hiện các hiệu ứng giam giữ lượng tử, do đó tạo cho chúng đặc tính phát quang.
So với gốm hạt thô, gốm pha nano dẻo hơn ở nhiệt độ cao.
Tính chất hàn nguội của bột kim loại nano cùng với độ dẻo của chúng rất hữu ích cho liên kết kim loại-kim loại.
Các hạt từ tính đơn nano cung cấp đặc tính siêu thuận từ.
Các cụm kim loại cấu trúc nano có thành phần đơn kim đóng vai trò là tiền chất cho các chất xúc tác dị thể.
Đối với pin mặt trời, màng silicon tinh thể nano tạo thành một mặt tiếp xúc có độ trong suốt cao.
Màng xốp oxit titan cấu trúc nano mang lại khả năng truyền dẫn cao và tăng diện tích bề mặt cao.
Những thách thức mà ngành công nghiệp vi điện tử phải đối mặt trong việc thu nhỏ các vi mạch như tản nhiệt kém do tốc độ cao bộ vi xử lý , độ tin cậy kém có thể được khắc phục với sự trợ giúp của vật liệu tinh thể nano. Chúng cung cấp khả năng dẫn nhiệt cao, độ bền cao và các kết nối liên kết bền lâu dài.

Ngoài ra còn có một số nhược điểm công nghệ được tìm thấy trong việc sử dụng vật liệu nano. Một số nhược điểm như sau:

Tính không ổn định của vật liệu nano.
Chống ăn mòn kém.
Khả năng hòa tan cao.
Khi các vật liệu nano có diện tích bề mặt cao tiếp xúc trực tiếp với quá trình đốt cháy tỏa nhiệt của oxy sẽ dẫn đến một vụ nổ.
Tạp chất
Vật liệu nano được coi là có hại về mặt sinh học. Chúng có độc tính cao có thể dẫn đến kích ứng.
Gây ung thư
Khó tổng hợp
Không có sẵn loại bỏ an toàn
Khó tái chế

Ngày nay vật liệu nano cùng với công nghệ nano đang cách mạng hóa cách thức sản xuất các sản phẩm khác nhau. Kể tên một vật liệu nano hữu cơ có trong tự nhiên?