Ik wil alles weten

Nanodeeltjes

Pin
Send
Share
Send


Silicium nanopoeder.Nanodiamanten, zoals waargenomen met een transmissie-elektronenmicroscoop.

In de nanotechnologie wordt een deeltje gedefinieerd als een klein object dat zich als een geheel gedraagt ​​in termen van transport en eigenschappen. Deeltjes worden geclassificeerd in termen van hun grootte. Aldus zijn "fijne deeltjes" die met diameters in het bereik van 100 tot 2500 nanometer (nm), terwijl "ultrafijne deeltjes" diameters hebben tussen 1 en 100 nanometer. Zoals ultrafijne deeltjes, nanodeeltjes zijn gedefinieerd als diameters tussen 1 en 100 nanometer, hoewel de beperking van de grootte kan worden beperkt tot twee dimensies. Aan het kleine uiteinde van het groottebereik worden nanodeeltjes vaak clusters genoemd. Bovendien zijn nanosferen, nanostaven en nanocups enkele van de vormen die zijn gegroeid.

Metaal, diëlektrische en halfgeleider nanodeeltjes zijn bereid, evenals hybride structuren (zoals kern-schaal nanodeeltjes). Nanodeeltjes gemaakt van halfgeleidend materiaal kunnen ook gelabelde kwantumstippen worden genoemd als ze klein genoeg zijn (meestal minder dan 10 nm) dat kwantisatie van elektronische energieniveaus plaatsvindt. Halfvaste en zachte nanodeeltjes zijn vervaardigd. Een prototype nanodeeltje van semi-solide aard is het liposoom.

Nanodeeltjesonderzoek is momenteel een gebied van intens wetenschappelijk onderzoek, vanwege een breed scala aan potentiële toepassingen op biomedisch, optisch en elektronisch gebied. Het National Nanotechnology Initiative heeft geleid tot genereuze publieke financiering voor onderzoek naar nanodeeltjes in de Verenigde Staten. Verschillende soorten nanodeeltjes worden momenteel klinisch gebruikt als afgiftesystemen voor geneesmiddelen tegen kanker en vaccins, of als beeldvormende middelen.

Geschiedenis

Hoewel nanodeeltjes over het algemeen worden beschouwd als een uitvinding van de moderne wetenschap, hebben ze eigenlijk een zeer lange geschiedenis. Specifiek werden nanodeeltjes al in de negende eeuw Mesopotamië gebruikt door ambachtslieden voor het genereren van een glinsterende werking op het oppervlak van de pot.

Zelfs tegenwoordig heeft aardewerk uit de Middeleeuwen en Renaissance vaak een duidelijke goud- of koperkleurige metallic glitter. Deze zogenaamde glans wordt veroorzaakt door een metaalfilm die werd aangebracht op het transparante oppervlak van een beglazing. De glans kan nog steeds zichtbaar zijn als de film bestand is tegen atmosferische oxidatie en andere weersinvloeden.

De glans vindt zijn oorsprong in de film zelf, die nanodeeltjes van zilver en koper bevat, homogeen verspreid in de glasachtige matrix van het keramische glazuur. Deze nanodeeltjes werden door de ambachtslieden gemaakt door koper- en zilverzouten en oxiden, samen met azijn, oker en klei, toe te voegen op het oppervlak van eerder geglazuurd aardewerk. Het object werd vervolgens in een oven geplaatst en in een reducerende atmosfeer tot ongeveer 600 ° C verwarmd.

In de hitte zou het glazuur zacht worden, waardoor de koper- en zilverionen naar de buitenste lagen van het glazuur migreren. Daar reduceerde de reducerende atmosfeer de ionen terug tot metalen, die vervolgens samenkwamen en de nanodeeltjes vormden die de kleur en optische effecten geven.

Glanstechniek laat zien dat ambachtslieden een behoorlijk geavanceerde empirische materiaalkennis hadden. De techniek vindt zijn oorsprong in de islamitische wereld. Omdat moslims geen goud mochten gebruiken in artistieke voorstellingen, moesten ze een manier vinden om een ​​soortgelijk effect te creëren zonder echt goud te gebruiken. De oplossing die ze vonden was om glans te gebruiken.

Michael Faraday gaf de eerste beschrijving, in wetenschappelijke termen, van de optische eigenschappen van metalen op nanometerschaal in zijn klassieke papier uit 1857 "Experimentele relaties van goud (en andere metalen) met licht."1

Veel van de moderne studies van deze objecten zijn uitgevoerd in het ESRF-laboratorium. Verschillende technieken werden gebruikt om de chemische en fysische eigenschappen van deze glans te karakteriseren, zoals Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), optische absorptie in het zichtbare ultraviolette gebied, elektronenmicroscopie (TEM en SEM).

Terminologie en classificatie

nanoclusters2 ten minste één dimensie tussen 1 en 10 nanometer hebben en een smalle grootteverdeling. nanopoeders2 zijn agglomeraten van ultrafijne deeltjes, nanodeeltjes of nanoclusters. Enkelvoudige kristallen met nanometer-afmeting, of ultradomeindeeltjes met een enkel domein, worden vaak nanokristallen genoemd. De term NanoCrystal® is een geregistreerd handelsmerk3 van Elan Pharma International (EPIL) gebruikt in relatie tot EPIL's eigen maalproces en medicijnformuleringen met nanodeeltjes.

Eigenschappen

Nanodeeltjes zijn van groot wetenschappelijk belang omdat ze in feite een brug vormen tussen bulkmaterialen en atomaire of moleculaire structuren. Een bulkmateriaal moet constante fysieke eigenschappen hebben, ongeacht de grootte, maar op nanoschaal is dit vaak niet het geval. Grootte-afhankelijke eigenschappen worden waargenomen, zoals kwantumbeperking in halfgeleiderdeeltjes, oppervlakte-plasmonresonantie in sommige metaaldeeltjes en superparamagnetisme in magnetische materialen.

De eigenschappen van materialen veranderen naarmate hun grootte de nanoschaal nadert en naarmate het percentage atomen aan het oppervlak van een materiaal significant wordt. Voor bulkmaterialen groter dan één micrometer is het percentage atomen aan het oppervlak minuscuul ten opzichte van het totale aantal atomen van het materiaal. De interessante en soms onverwachte eigenschappen van nanodeeltjes zijn deels te wijten aan de aspecten van het oppervlak van het materiaal die de eigenschappen domineren in plaats van de bulkeigenschappen.

Nanodeeltjes vertonen al dan niet groottegerelateerde intensieve eigenschappen die aanzienlijk verschillen van die waargenomen in fijne deeltjes of bulkmaterialen.4 Ze vertonen wel een aantal speciale eigenschappen die verschillen van die van bulkmaterialen. Het buigen van bulkkoper (draad, lint, enzovoort) vindt bijvoorbeeld plaats met beweging van koperatomen / clusters op een schaal van ongeveer 50 nm. Koperen nanodeeltjes kleiner dan 50 nm worden beschouwd als superharde materialen die niet dezelfde vervormbaarheid en ductiliteit vertonen als bulkkoper. De verandering in eigenschappen is niet altijd wenselijk. Ferro-elektrische materialen kleiner dan 10 nm kunnen hun magnetisatierichting veranderen met behulp van thermische energie bij kamertemperatuur, waardoor ze onbruikbaar worden voor geheugenopslag.

Suspensies van nanodeeltjes zijn mogelijk omdat de interactie van het deeltjesoppervlak met het oplosmiddel sterk genoeg is om verschillen in dichtheid te overwinnen, wat meestal resulteert in een materiaal dat zinkt of drijft in een vloeistof. Nanodeeltjes hebben vaak onverwachte zichtbare eigenschappen omdat ze klein genoeg zijn om hun elektronen te beperken en kwantumeffecten te produceren. Gouden nanodeeltjes lijken bijvoorbeeld dieprood tot zwart in oplossing.

Nanodeeltjes hebben een zeer hoge oppervlakte / volume-verhouding. Dit zorgt voor een enorme drijfkracht voor diffusie, vooral bij verhoogde temperaturen. Sinteren kan bij lagere temperaturen plaatsvinden, over kortere tijdsschalen dan bij grotere deeltjes. Dit heeft theoretisch geen invloed op de dichtheid van het eindproduct, hoewel stromingsproblemen en de neiging van nanodeeltjes om te agglomereren de zaken ingewikkelder maakt. De grote oppervlakte-volume verhouding vermindert ook de beginnende smelttemperatuur van nanodeeltjes.5

Bovendien is gebleken dat nanodeeltjes wat extra eigenschappen verlenen aan verschillende dagelijkse producten. Net als de aanwezigheid van titaniumdioxide nanodeeltjes geven wat we noemen het zelfreinigende effect, en de grootte is nanorange, de deeltjes kunnen niet worden gezien. Nano-zinkoxide-deeltjes blijken superieure UV-blokkerende eigenschappen te hebben in vergelijking met hun bulkvervanger. Dit is een van de redenen waarom het vaak wordt gebruikt in de lotions van zonnebrandcrème. Nanodeeltjes van klei, wanneer opgenomen in polymeermatrices, vergroten de versterking, wat leidt tot sterkere kunststoffen, geverifieerd door een hogere glasovergangstemperatuur en andere mechanische eigenschapstests. Deze nanodeeltjes zijn hard en verlenen hun eigenschappen aan het polymeer (plastic). Nanodeeltjes zijn ook bevestigd aan textielvezels om slimme en functionele kleding te maken.

Morfologie van nanodeeltjes

Nanostars van Vanadium (IV) oxide.

Wetenschappers hebben hun deeltjes de naam gegeven van de echte wereldvormen die ze zouden kunnen vertegenwoordigen. nanobolletjes6nanoreefs,7 nanoboxes,8 en er zijn er meer in de literatuur verschenen. Deze morfologieën ontstaan ​​soms spontaan als een effect van een templateermiddel of richtmiddel aanwezig in de synthese zoals micellulaire emulsies of geanodiseerde aluminiumoxide-poriën, of uit de aangeboren kristallografische groeipatronen van de materialen zelf.9 Sommige van deze morfologieën kunnen een doel dienen, zoals lange koolstofnanobuisjes die worden gebruikt om een ​​elektrisch knooppunt te overbruggen, of gewoon een wetenschappelijke nieuwsgierigheid zoals de sterren links.

Kenschetsing

Karakterisering van nanodeeltjes is noodzakelijk om begrip en controle van synthese en toepassingen van nanodeeltjes tot stand te brengen. Karakterisering wordt gedaan met behulp van een verscheidenheid aan verschillende technieken, voornamelijk gebaseerd op materiaalkunde. Veelgebruikte technieken zijn elektronenmicroscopie (transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en scanning elektronenmicroscopie (SEM)), atomaire krachtmicroscopie (AFM), dynamische lichtverstrooiing (DLS), röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS), poeder-röntgendiffractometrie ( XRD), Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR), Matrix-Assisted Laser-Desorption Time-of-flight massaspectrometrie (MALDI-TOF) en ultraviolet-zichtbare spectroscopie.

Hoewel de theorie van de Brownse beweging al meer dan een eeuw bekend is, maakt de technologie voor Nanodeeltjesvolganalyse (NTA) directe tracking van de Brownse beweging mogelijk, en deze methode maakt het dus mogelijk de grootte van afzonderlijke nanodeeltjes in oplossing te bepalen.

Fabricage van nanodeeltjes

Er zijn verschillende methoden om nanodeeltjes te maken; slijtage en pyrolyse zijn gebruikelijke methoden. Bij slijtage worden macro- of microschaaldeeltjes gemalen in een kogelmolen, een planetaire kogelmolen of een ander maatreductiemechanisme. De resulterende deeltjes zijn lucht geclassificeerd om nanodeeltjes terug te winnen.

Bij pyrolyse wordt een dampvormige voorloper (vloeistof of gas) onder hoge druk door een opening geperst en verbrand. De resulterende vaste stof (een versie van roet) is lucht geclassificeerd om oxidedeeltjes uit bijproductgassen te winnen. Pyrolyse resulteert vaak in aggregaten en agglomeraten in plaats van singleton primaire deeltjes.

Een thermisch plasma kan ook de energie leveren die nodig is om verdamping van deeltjes met een kleine micrometer te veroorzaken. De thermische plasmatemperaturen liggen in de orde van 10000 K, zodat vast poeder gemakkelijk verdampt. Nanodeeltjes worden gevormd bij afkoeling terwijl ze het plasmagebied verlaten. De belangrijkste typen van de thermische plasmatoortsen die worden gebruikt om nanodeeltjes te produceren, zijn DC-plasmastraal-, DC-boogplasma- en radiofrequentie (RF) inductieplasma's. In de boogplasmareactoren wordt de energie die nodig is voor verdamping en reactie geleverd door een elektrische boog die zich vormt tussen de anode en de kathode. Bijvoorbeeld kan silicazand worden verdampt met een boogplasma bij atmosferische druk. Het resulterende mengsel van plasmagas en siliciumdamp kan snel worden afgekoeld door blussen met zuurstof, waardoor de kwaliteit van het geproduceerde pyrogeen silicium wordt gewaarborgd. In RF-inductieplasmatoortsen wordt energiekoppeling met het plasma tot stand gebracht door het elektromagnetische veld dat wordt gegenereerd door de inductiespoel. Het plasmagas komt niet in contact met elektroden, waardoor mogelijke verontreinigingsbronnen worden geëlimineerd en dergelijke plasmabranden kunnen worden gebruikt met een breed scala aan gassen, waaronder inerte, reducerende, oxiderende en andere corrosieve atmosferen. De werkfrequentie ligt typisch tussen 200 kHz en 40 MHz. Laboratoriumeenheden draaien op vermogensniveaus in de orde van 30-50 kW, terwijl de grootschalige industriële eenheden zijn getest op vermogensniveaus tot 1 MW. Omdat de verblijftijd van de geïnjecteerde voederdruppeltjes in het plasma erg kort is, is het belangrijk dat de druppeltjes groot genoeg zijn om volledige verdamping te verkrijgen. De RF-plasmamethode is gebruikt om verschillende nanodeeltjesmaterialen te synthetiseren, bijvoorbeeld de synthese van verschillende keramische nanodeeltjes zoals oxiden, carbours / carbiden en nitriden van Ti en Si.

Inerte-gasaggregatie wordt vaak gebruikt om nanodeeltjes te maken van metalen met lage smeltpunten. Het metaal wordt verdampt in een vacuümkamer en vervolgens onderkoeld met een inerte gasstroom. De onderkoelde metaaldamp condenseert tot deeltjes van nanometer-grootte, die kunnen worden meegevoerd in de inerte gasstroom en op een substraat kunnen worden afgezet of in situ kunnen worden bestudeerd.

Veiligheid problemen

Nanodeeltjes bieden mogelijke gevaren, zowel medisch als ecologisch.10 De meeste hiervan zijn te wijten aan de hoge oppervlakte / volumeverhouding, die de deeltjes zeer reactief of katalytisch kan maken.11 Ze zijn ook in staat celmembranen in organismen te passeren en hun interacties met biologische systemen zijn relatief onbekend.12 Vrije nanodeeltjes in het milieu neigen echter snel te agglomereren en daarmee het nanoregime te verlaten, en de natuur zelf biedt veel nanodeeltjes waarvoor organismen op aarde mogelijk immuniteit hebben ontwikkeld (zoals zoutdeeltjes uit oceaanaërosolen, terpenen uit planten of stof uit vulkanische uitbarstingen).

Volgens de San Francisco Chronicle, "Dierstudies hebben aangetoond dat sommige nanodeeltjes cellen en weefsels kunnen binnendringen, door het lichaam en de hersenen kunnen bewegen en biochemische schade kunnen veroorzaken. Ze hebben ook aangetoond dat ze bij mannen een risicofactor voor zaadbalkanker veroorzaken. Maar of cosmetica en zonnebrandmiddelen die nanomaterialen bevatten, gezondheidsrisico's vormen blijft grotendeels onbekend, in afwachting van de voltooiing van langetermijnstudies die onlangs door de FDA en andere agentschappen zijn gestart. "13

Diesel nanodeeltjes bleken het cardiovasculaire systeem in een muismodel te beschadigen.14

Silicium nanodeeltjescel

Over het algemeen produceren zonnecellen die momenteel op de markt zijn niet veel elektriciteit uit ultraviolet licht, in plaats daarvan wordt het eruit gefilterd of geabsorbeerd door de cel, waardoor de cel wordt verwarmd. Die warmte is verspilde energie en kan zelfs leiden tot schade aan de cel. Door siliciumdeeltjes in alcohol te verdunnen, een zonnecel ermee te bedekken en de alcohol te laten verdampen om de nanodeeltjes silicium op de cel achter te laten, is het celvermogen met 67 procent verhoogd in het ultraviolette bereik en ongeveer 10 procent in het zichtbare bereik .15

Zie ook

  • Koolstof
  • Kristal
  • fullerene
  • Gallium
  • Indium
  • Magnetisme
  • nanotechnologie
  • Photon
  • Silicium

Notes

  1. ↑ Michael Faraday, experimentele relaties van goud (en andere metalen) met licht, Phil. Trans. Roy. Soc. Londen 147 (1857): 145-181.
  2. 2.0 2.1 B.D. Fahlman, Materiaalchemie (Dordrecht, NL: Springer, 2007, ISBN 9781402061196), 282-283.
  3. ↑ US TM Reg. Nrs. 2386089/2492925 en EU CTM Reg. Nr. 000885079
  4. ↑ ASTM, ASTM E 2456 - 06 Standaardterminologie met betrekking tot nanotechnologie. Ontvangen op 15 november 2008.
  5. ↑ P.H. Buffat en J.P. Borel, grootte-effect op de smelttemperatuur van gouddeeltjes, Fysieke beoordeling A. 13 (6): 2287-2298. Ontvangen op 16 november 2008.
  6. ↑ Agam en Guo, elektronenstraalmodificatie van polymeer nanosferen, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7 (10): 3615-3619. Digital object identifier (DOI): 10.1166 / jnn.2007.814.
  7. ↑ J.H. Choy, E.S. Jang, J.H. Won, J.H. Chung, D.J. Jang en Y.W. Kim, Hydrothermische route naar ZnO nanocoral riffen en nanovezels, Appl. Phys. Lett. 84 (2004): 287.
  8. ↑ Yugang Sun en Younan Xia, vormgestuurde synthese van gouden en zilveren nanodeeltjes, Wetenschap 298: 2176. Digital object identifier (DOI): 10.1126 / science.1077229.
  9. ↑ Catherine Murphy, Nanocubes en Nanoboxen, Wetenschap 298 (2002): 2139. Digital object identifier (DOI): 10.1126 / science.1080007.
  10. ↑ Anisa Mnyusiwalla, Abdallah S. Daar, en Peter A. Singer, "Let op de kloof:" Wetenschap en ethiek in nanotechnologie, Nanotechnologie. 14 (2003): R9-R13. Digital object identifier (DOI): 10.1088 / 0957-4484 / 14/3/201.
  11. ↑ Jackie Ying, Nanogestructureerde materialen (San Diego, CA: Academic Press, 2001, ISBN 9780120085279).
  12. ↑ Europa, Nanotechnologieën: 6. Wat zijn mogelijke schadelijke effecten van nanodeeltjes? Ontvangen op 15 november 2008.
  13. ↑ Keay Davidson, FDA drong erop aan het gebruik van nanodeeltjes in cosmetica en zonnebrandmiddelen te beperken, San Francisco Chronicle. Ontvangen op 15 november 2008.
  14. ↑ Adam Satariano, studie Vervuilingsdeeltjes leiden tot hoger risico op hartaanval (Update1). Bloomberg.com. Ontvangen op 15 november 2008.
  15. ↑ Jeremy Korzeniewski, silicium nanodeeltjesfilm kan de prestaties van zonnecellen verbeteren, Autoblog Green. Ontvangen op 15 november 2008.

Referenties

  • Fahlman, B.D. 2007. Materiaalchemie. Dordrecht, NL: Springer. ISBN 9781402061196.
  • Schmid, Günter. 2004. Nanodeeltjes: van theorie tot toepassing. Weinheim, DE: Wiley-VCH. ISBN 3527305076.
  • Ying, Jackie. 2001. Nanogestructureerde materialen. San Diego, CA: Academic Press. ISBN 9780120085279.

Externe links

Alle links zijn opgehaald op 6 november 2018.

  • Samenvatting van nanotechnologieën door GreenFacts van de SCENIHR-beoordeling van de Europese Commissie.
  • Nanodeeltjes gebruikt in zonne-energieconversie (ScienceDaily).

Bekijk de video: De synthese van gouden nanodeeltjes gebruik makend van het Leidenfrost-effect (November 2020).

Pin
Send
Share
Send