Características y usos de los nanomateriales
Características de los nanomateriales:?
Cuando el tamaño de las partículas se reduce al nivel nanométrico, dará lugar a nuevas características de sonido, luz, electricidad, magnetismo y propiedades térmicas. Por ejemplo: el ampliamente estudiado semiconductor de sulfuro de cadmio II-VI, el límite de la banda de absorción y la posición del pico del espectro de luminiscencia cambiarán significativamente al azul a medida que disminuye el tamaño del grano. Según este principio, se puede obtener sulfuro de cadmio con diferentes brechas de energía controlando el tamaño del grano, lo que enriquecerá enormemente el contenido de investigación del material y puede conducir a nuevos usos.
Sabemos que los tipos de sustancias son limitados. El sulfuro de cadmio, tanto micrométrico como nanométrico, está compuesto de elementos de azufre y cadmio. Sin embargo, controlando las condiciones de preparación, se pueden obtener materiales con diferentes bandas prohibidas y propiedades luminiscentes. . Es decir, mediante la nanotecnología se han obtenido materiales completamente nuevos.
Las nanopartículas suelen tener una gran superficie específica. La superficie específica por gramo de este sólido puede alcanzar cientos o incluso miles de metros cuadrados, lo que las hace útiles como adsorbentes y catalizadores altamente activos en hidrógeno. importantes perspectivas de aplicación en los campos del almacenamiento, la síntesis orgánica y la protección del medio ambiente. En el caso de los nanomateriales, podemos resumirlos en seis palabras: “más ligeros, más altos y más fuertes”.
“Más ligero” significa que con la ayuda de nanomateriales y tecnología, podemos preparar dispositivos más pequeños con el mismo rendimiento o incluso mejor, reduciendo el tamaño del dispositivo y haciéndolo más ligero. La primera computadora necesitaba tres habitaciones para almacenarse. Fue con la ayuda de la tecnología de fabricación de semiconductores a nivel de micras que se logró su miniaturización y se popularizaron las computadoras.
No importa desde la perspectiva de la utilización de energía y recursos, los beneficios de esta "miniaturización" son sorprendentes. "Más alto" significa que se espera que los nanomateriales tengan propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y térmicas más altas. "Más fuertes" significa que los nanomateriales tienen propiedades mecánicas más fuertes (como resistencia y tenacidad, etc.) En el caso de las nanocerámicas, se espera que la nanotecnología resuelva el problema de la fragilidad de las cerámicas y pueda mostrar una plasticidad similar a la de materiales como los metales. ?
Usos de los nanomateriales:
Las perspectivas de aplicación de los nanomateriales son muy amplias, tales como: dispositivos nanoelectrónicos, medicina y salud, aeroespacial, aviación y exploración espacial, medio ambiente, recursos y energía. , biotecnología, etc. Sabemos que el ADN genético tiene una estructura de doble hélice y el diámetro de esta estructura de doble hélice es de unas decenas de nanómetros.
El uso de granos semiconductores luminiscentes sintéticos con un tamaño de grano de sólo unos pocos nanómetros para adsorber selectivamente o actuar sobre diferentes pares de bases puede "iluminar" la estructura del ADN, un poco como en la oscuridad. La pagoda está llena de Linternas. Con la ayuda de las "linternas" luminosas, no sólo podemos identificar la apariencia del faro, sino también la estructura del faro.
En definitiva, estos nanocristales marcan las moléculas de ADN. Por ahora, deberíamos evitar la vulgarización de lo nano. Aunque algunos científicos han estado estudiando la aplicación de los nanomateriales, todavía es difícil que muchas tecnologías beneficien directamente a la humanidad. Desde 2001, han existido algunas nanoempresas y nanoproductos nacionales, como “nanorefrigeradores” y “nanolavadoras”.
En estos productos se utilizan algunos "nano polvos", pero las funciones principales de los refrigeradores y lavadoras son las mismas que las de cualquier producto tradicional. Los "nano polvos" les dan algunas funciones nuevas, pero no lo son. productos.
Por lo tanto, este tipo de productos no pueden denominarse "nanoproductos" reales, sino que son herramientas de venta y nuevos puntos de venta para los comerciantes. En esta etapa la aplicación de nanomateriales se centra principalmente en nanopolvos, que pertenece a la etapa inicial de los nanomateriales. Cabe señalar que esta es solo la etapa inicial de la aplicación de nanomateriales. El núcleo de los nanomateriales, y mucho menos los "nanopolvos", las "aplicaciones" son equivalentes a los nanomateriales.
Información ampliada:
Ámbito de aplicación de los nanomateriales
1. Nanomateriales naturales
Las tortugas marinas ponen huevos en la playa de Florida, EE.UU. Sin embargo, para encontrar comida, las crías de tortuga tienen que nadar hasta aguas cercanas al Reino Unido para poder sobrevivir y crecer. Con el tiempo, las tortugas adultas regresarán a la costa de Florida para desovar. Un viaje de ida y vuelta de este tipo tarda entre 5 y 6 años. ¿Por qué las tortugas marinas pueden viajar decenas de miles de kilómetros? Dependen de materiales nanomagnéticos dentro de sus cabezas para ayudarlos a navegar con precisión.
Cuando los biólogos estudiaron por qué las palomas, los delfines, las mariposas, las abejas y otras criaturas nunca se pierden, también descubrieron que estas criaturas también tienen nanomateriales en sus cuerpos para ayudarles a navegar.
2. Materiales nanomagnéticos
La mayoría de los nanomateriales utilizados en la práctica se fabrican artificialmente. Los materiales nanomagnéticos tienen propiedades magnéticas muy especiales. Las nanopartículas son de tamaño pequeño, tienen una estructura de dominio magnético único y una alta fuerza coercitiva. Los materiales de grabación magnéticos fabricados con ellas no sólo tienen buena calidad de sonido, imagen y relación señal-ruido. también registrar La densidad es decenas de veces mayor que la del γ-Fe2O3. Las nanopartículas magnéticas superparamagnéticas fuertes también se pueden convertir en líquidos magnéticos, que se utilizan en campos como dispositivos electroacústicos, dispositivos de amortiguación, sellos giratorios, lubricación y procesamiento de minerales.
3. Materiales nanocerámicos
En los materiales cerámicos tradicionales, los granos de cristal no son fáciles de deslizar, el material es quebradizo y la temperatura de sinterización es alta. El tamaño de grano de las nanocerámicas es pequeño y los granos se mueven fácilmente sobre otros granos. Por lo tanto, los materiales nanocerámicos tienen una resistencia extremadamente alta, alta tenacidad y buena ductilidad. Estas características permiten que los materiales nanocerámicos se utilicen a temperaturas normales o subaltas. procesamiento en frío. Si las partículas nanocerámicas se procesan y forman a temperaturas subaltas y luego se recocen en la superficie, el nanomaterial puede convertirse en un material de alto rendimiento que mantiene la dureza y la estabilidad química de los materiales cerámicos convencionales en la superficie, pero aún tiene la ductilidad de los nanomateriales en el interior. cerámica.
4. Nanosensores
Las cerámicas como el nanodióxido de circonio, el óxido de níquel y el dióxido de titanio son muy sensibles a los cambios de temperatura, los rayos infrarrojos y los gases de escape de los automóviles. Por lo tanto, se pueden utilizar para fabricar sensores de temperatura, detectores de infrarrojos y detectores de escape de automóviles, con una sensibilidad de detección mucho mayor que la de los sensores cerámicos similares comunes.
5. Materiales funcionales Nanotilt
En los motores aeroespaciales de hidrógeno-oxígeno, la superficie interior de la cámara de combustión debe ser resistente a altas temperaturas y su superficie exterior debe estar en contacto. con el refrigerante. Por lo tanto, la superficie interior debe estar hecha de cerámica y la superficie exterior debe estar hecha de metal con buena conductividad térmica. Pero la cerámica y los metales a granel son difíciles de combinar.
Si la composición entre el metal y la cerámica se cambia gradual y continuamente durante la producción, de modo que el metal y la cerámica "me tengan a mí en ti y a ti en mí", eventualmente pueden combinarse para formar una estructura funcional inclinada. material, lo que significa que los ingredientes cambian como una escalera inclinada. Cuando las nanopartículas metálicas y cerámicas se mezclan y sinterizan de acuerdo con los requisitos de contenidos que cambian gradualmente, se pueden lograr los requisitos de resistencia a altas temperaturas en el interior de la cámara de combustión y buena conductividad térmica en el exterior.
6. Materiales nanosemiconductores
El silicio, el arseniuro de galio y otros materiales semiconductores se convierten en nanomateriales, que tienen muchas propiedades excelentes. Por ejemplo, el efecto túnel cuántico en los nanosemiconductores provoca un transporte anormal de electrones y una conductividad eléctrica reducida de algunos materiales semiconductores. La conductividad eléctrica y térmica también disminuye a medida que disminuye el tamaño de las partículas, e incluso se vuelve negativa. Estas características juegan un papel importante en campos como los dispositivos de circuitos integrados a gran escala y los dispositivos optoelectrónicos.
Las nanopartículas semiconductoras se pueden utilizar para preparar nuevas células solares con una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica que puedan funcionar con normalidad incluso en días de lluvia. Dado que los electrones y los agujeros generados cuando las partículas nanosemiconductoras son irradiadas por la luz tienen fuertes capacidades reductoras y oxidantes, pueden oxidar sustancias inorgánicas tóxicas, degradar la mayoría de las sustancias orgánicas y, en última instancia, generar dióxido de carbono, agua, etc., no tóxicos e inodoros. por lo tanto, la energía solar se puede utilizar para descomponer catalíticamente materia orgánica e inorgánica con la ayuda de nanopartículas semiconductoras.
7. Materiales nanocatalíticos
Las nanopartículas son excelentes catalizadores debido a su pequeño tamaño, gran fracción de volumen superficial, estado de enlace químico superficial y estado electrónico diferente al del interior de las partículas, y la coordinación de los átomos de la superficie es incompleta, lo que resulta en un aumento de los sitios activos en la superficie, lo que la convierte en la condición básica para ser un catalizador.
Las nanopartículas de níquel o compuestos de cobre y zinc son excelentes catalizadores para la reacción de hidrogenación de ciertos compuestos orgánicos y pueden sustituir a los costosos catalizadores de platino o paladio. El catalizador negro de nanoplatino puede reducir la temperatura de la reacción de oxidación de etileno de 600 ℃ a temperatura ambiente.
8. Aplicaciones médicas
El tamaño de los glóbulos rojos en la sangre es de 6.000 a 9.000 nm, mientras que las nanopartículas tienen un tamaño de sólo unos pocos nanómetros, que en realidad es mucho más pequeño. glóbulos rojos Por lo tanto, puede moverse libremente en la sangre. Si se inyectan varias nanopartículas terapéuticas en distintas partes del cuerpo humano, se pueden controlar y tratar las lesiones, lo que es más eficaz que las inyecciones y los medicamentos tradicionales.
Referencia: Enciclopedia Baidu-Nano Materiales