Documento de ciencia y tecnología sobre nanomateriales Descripción general de los nanomateriales
Una descripción general del desarrollo, los tipos, las características estructurales, el estado de la aplicación y las perspectivas de aplicación relacionadas de los nanomateriales, y el nivel actual de investigación y de inversión en dentro y fuera del país Se realizó un análisis comparativo.
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1 Introducción
El famoso científico Feynman pronunció el discurso "Todavía hay mucho espacio en el fondo" en 1959 En uso? ¿Enfoque ascendente? Para cumplir con los requisitos de diseño, se recomienda ensamblar a partir de moléculas individuales o incluso átomos. Él dijo,? Las leyes de la física, al menos en mi opinión, no excluyen la posibilidad de hacer algo átomo por átomo. ? ¿Y predecir? Cuando controlamos objetos de escala fina, ampliamos enormemente la gama de propiedades físicas que podemos obtener. ? [1]
En 1974, el científico Donny Gucci utilizó por primera vez el término nanotecnología para describir el mecanizado de precisión. En 1982, los científicos inventaron el microscopio de efecto túnel, una herramienta importante para estudiar nanomateriales, que permitió a los humanos ver átomos en la atmósfera y a temperatura ambiente por primera vez, revelando un mundo visible de átomos y moléculas en el desarrollo de la nanotecnología. un papel positivo en la promoción. En julio de 1990 se celebró en Baltimore, EE.UU., la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología, que marcó el nacimiento oficial de la nanotecnología. [2]
2 Nanotecnología
La nanotecnología es una tecnología que observa, identifica y controla con precisión el tipo, la cantidad y la forma estructural de sustancias a nivel de átomos y moléculas individuales. Es una alta tecnología multidisciplinaria que estudia las propiedades e interacciones de la materia a nanoescala y utiliza estas propiedades para crear productos con funciones específicas. Su objetivo final es que los humanos puedan manipular directamente átomos y moléculas individuales según su propia voluntad para producir productos con funciones específicas.
3 Nanomateriales
3.1 El concepto de nanomateriales
Los nanomateriales se refieren a materiales con al menos una dimensión dentro del rango de nanoescala (1-100 nm) o Las tres El espacio dimensional compuesto por ellos como unidades básicas equivale aproximadamente a la escala de 10 a 100 átomos muy juntos. Desde la perspectiva del tamaño de las partículas, el tamaño de las partículas finas que suelen provocar cambios significativos en las propiedades físicas y químicas está por debajo de 0,1 micras, es decir, por debajo de los 100 nanómetros. Por lo tanto, las partículas con un tamaño de partícula de 1 a 100 nm se denominan materiales ultrafinos y también son nanomateriales.
Los nanomateriales tienen cierta singularidad. Cuando el tamaño de la materia es lo suficientemente pequeño, es necesario utilizar la mecánica cuántica en lugar de la mecánica tradicional para describir su comportamiento. Cuando el tamaño de partícula del polvo se reduce de 10 micrones a 10 nanómetros, aunque el tamaño de partícula se vuelve 1.000 veces mayor, será 10 veces mayor cuando se convierta en volumen, por lo que el comportamiento de los dos será significativamente diferente.
3.2 Clasificación de los nanomateriales
Los nanomateriales se pueden dividir a grandes rasgos en cuatro categorías: nanopolvos, nanofibras, nanopelículas y nanobloques. Entre ellos, el nanopolvo tiene el tiempo de desarrollo más largo y la tecnología más madura, y es la base para la producción de los otros tres tipos de productos.
(1) Nanopolvo
El nanopolvo también se llama polvo ultrafino o polvo ultrafino. Generalmente se refiere a polvos o partículas con un tamaño de partícula inferior a 100 nm que se encuentra entre átomos y sólidos. Materiales granulares en estado intermedio entre moléculas y objetos macroscópicos. Se puede utilizar para: materiales de grabación magnéticos de alta densidad; materiales absorbentes de sigilo; materiales de fluidos magnéticos; materiales de protección contra la radiación; materiales de silicio monocristalino y de pulido para dispositivos ópticos de precisión: sustratos de microchips térmicamente conductores y materiales de embalaje microelectrónicos; materiales avanzados para electrodos de batería: materiales de células solares; catalizadores de alta eficiencia; aceleradores de combustión de alta eficiencia; materiales cerámicos de alta tenacidad (cerámicas que no se rompen fácilmente, utilizadas en motores cerámicos, etc.); preparaciones anticancerígenas, etc.
(2) Nanofibras
Las nanofibras se refieren a materiales lineales con un diámetro nanométrico y una gran longitud. Se puede utilizar para: microfilamentos, microfibras (componentes importantes de las futuras computadoras cuánticas y fotónicas), materiales nuevos para láser o LED, etc. El electrohilado es actualmente un método sencillo para preparar nanofibras inorgánicas.
(3) Nanofilm
El nanofilm se divide en película granular y película densa.
Las películas de partículas son películas delgadas de nanopartículas pegadas entre sí con espacios muy finos entre ellas. Una película densa se refiere a una película con una capa de película densa pero con un tamaño de grano nanométrico. Se puede utilizar para: materiales de catálisis de gases (como el tratamiento de gases de escape de automóviles); materiales de filtro; materiales de grabación magnética de alta densidad; materiales de pantalla plana;
(4) Nanobloques
Los nanobloques son materiales de nanopartículas obtenidos mediante moldeo a alta presión de nanopolvos o cristalización controlada de líquidos metálicos. Los principales usos son: materiales de ultra alta resistencia; materiales metálicos inteligentes, etc.
4 Aplicaciones de los Nanomateriales
Los nanomateriales están compuestos por unidades diminutas del tamaño de moléculas o incluso átomos. Debido a esto, los nanomateriales tienen algunas características diferentes a los compuestos del mismo producto químico. elementos Las propiedades físicas o químicas especiales de otros materiales, como sus propiedades mecánicas, propiedades eléctricas, propiedades magnéticas [8] y propiedades térmicas, se han aplicado en diversos campos de la ciencia y la tecnología y se están desarrollando rápidamente.
5 Perspectivas de los Nanomateriales
La nanociencia es una nueva ciencia que integra la ciencia básica y la ciencia aplicada, incluyendo la nanoelectrónica, los nanomateriales y la nanobiología. La aplicación de los nanomateriales abarca diversos campos, y el siglo XXI será la era de la nanotecnología. El nacimiento de la nanotecnología tendrá un profundo impacto en la sociedad humana y puede resolver fundamentalmente muchos problemas que enfrenta la humanidad, especialmente cuestiones importantes como la energía, la salud humana y la protección del medio ambiente.
A principios del siglo XX, la tarea principal de 265438+ era diseñar diversos materiales y dispositivos nuevos basados en las novedosas propiedades físicas y químicas de los nanomateriales. Mediante la transformación de productos tradicionales mediante la ciencia y la tecnología de nanomateriales, el aumento de su contenido de alta tecnología y el desarrollo de nuevos productos con nanoestructuras, hay señales prometedoras y tienen la base para formar nuevos puntos de crecimiento económico en el siglo XXI. Los nanomateriales se convertirán en una estrella brillante en el campo de la ciencia de materiales y desempeñarán un papel decisivo en nuevos materiales, energía, información y otros campos. Con el desarrollo continuo de su tecnología de preparación y modificación, los nanomateriales se utilizarán ampliamente en muchos campos, como la química fina y la producción farmacéutica.
6 Conclusión
Los nanomateriales juegan un papel importante en el desarrollo de alta tecnología en el siglo XXI. Los nanomateriales se han convertido en un tema de investigación candente en todo el mundo con sus impecables ventajas. Su aplicación ha penetrado en todos los ámbitos de la vida y la producción humana, favoreciendo la mejora de muchas industrias tradicionales. Los gobiernos de los países desarrollados de todo el mundo están planificando planes de investigación en nanotecnología para los próximos 10 a 15 años. La investigación de China sobre nanomateriales también ha logrado logros científicos y tecnológicos de vanguardia de renombre mundial. El desarrollo de la nanotecnología y la aplicación de nanomateriales han promovido el desarrollo de toda la sociedad humana y han traído enormes oportunidades comerciales al mercado.
Referencia
[1] Sun Hongqing. Planificación mundial de ciencia y tecnología y exploración de mercados[M], 2001/05
Xiao Jianzhong. Introducción a la ciencia de los materiales[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2001, 43~50.
Wu Run, Xie Changsheng. Progresos y perspectivas de la investigación de superficies sobre nanomateriales en polvo [J].
Nanomateriales y sus aplicaciones
Este artículo presenta brevemente la clasificación de los nanomateriales y sus funciones básicas, y explica las propiedades especiales de los nanomateriales. Se analizan la conversión fotoeléctrica, la conversión de puntos calientes, los nanomateriales de supercondensadores y electrodos de batería en nuevos nanomateriales energéticos. Fotocatálisis, adsorción y tratamiento de gases de escape en nanomateriales de purificación ambiental: este artículo profundiza en materiales nanocerámicos, materiales de nanocarbono, materiales de nanopolímeros y materiales nanocompuestos en materiales nanobiomédicos.
Palabras clave: Aplicación de rendimiento de nanomateriales
Nano es una unidad de longitud, 1 nm = 10ˉ9 m. Los nanomateriales se refieren a materiales que tienen propiedades de modulación a nanoescala en su estructura. La nanoescala generalmente se refiere a 1 ~ 100 nm. Cuando la estructura de un material entra en el rango de características de la nanoescala, una o algunas de sus propiedades sufrirán cambios significativos. La nanoescala y los cambios específicos en las propiedades son dos propiedades fundamentales que los nanomateriales deben poseer simultáneamente.
Los nanomateriales se pueden dividir en materiales nanometálicos, materiales nanono metálicos, materiales nanopolímeros y materiales nanocompuestos según los materiales. Los materiales nano-no metálicos se pueden subdividir en materiales nanocerámicos, materiales de nanoóxidos y otros nanomateriales no metálicos.
Las nanopartículas suspendidas en el fluido pueden mejorar en gran medida la conductividad térmica y el efecto de transferencia de calor del fluido.
Por ejemplo, agregar un 5% de nanopartículas de cobre al agua puede aumentar la conductividad térmica aproximadamente 65438 ± 0,5 veces, lo cual es de gran importancia para mejorar la eficiencia térmica de la industria metalúrgica. Las nanopartículas pueden exhibir propiedades ópticas diferentes a las de los objetos voluminosos homogéneos, como banda ancha, fuerte absorción, fenómeno de desplazamiento al azul y nuevos fenómenos de luminiscencia, etc., por lo que pueden usarse en materiales reflectantes luminiscentes, comunicaciones ópticas, almacenamiento óptico, aberturas ópticas, y filtrado, materiales luminiscentes fotoconductores, elementos ópticos no lineales, materiales absorbentes sigilosos y sensores infrarrojos y otros campos.
Las nanopartículas también exhiben muchas características únicas en sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, las partículas de nanometales proporcionan aislamiento a baja temperatura, y las nanopartículas como el titanato de plomo y el titanato de bario pasan de ser ferroeléctricos típicos a paraeléctricos. Las nanopartículas se pueden utilizar para fabricar pastas conductoras, pastas aislantes, electrodos, superconductores, dispositivos cuánticos, materiales de blindaje electrostático, resistencias piezoresistivas y no lineales, materiales termoeléctricos y dieléctricos, etc. Las nanopartículas son de tamaño pequeño y tienen una proporción atómica superficial grande. Los átomos de la superficie tienen fuerzas de enlace químicos residuales, lo que muestra una fuerte capacidad de adsorción y una alta reactividad química de la superficie. Las partículas de metal recién preparadas sufrirán violentas reacciones de oxidación o combustión luminosa cuando se expongan al aire (excepto los metales preciosos).
Los nanomateriales también se utilizan ampliamente en el campo de la protección ambiental, con características sobresalientes como bajo consumo de energía, operación simple, condiciones de reacción suaves y reducción de la contaminación secundaria. Los nanomateriales también se utilizan ampliamente en propiedades biológicas. Las nanopartículas se utilizan para aislar fácilmente pequeñas cantidades de células fetales a partir de muestras de sangre. El método es simple, de bajo costo y puede determinar con precisión si las células fetales tienen defectos genéticos. Los nanomateriales artificiales se han desarrollado rápidamente en los últimos años debido a sus propiedades únicas que pueden satisfacer las diversas necesidades del desarrollo humano. Actualmente, cada vez se comercializan más nanomateriales artificiales, lo que trae consigo enormes cambios y avances en la vida de las personas.
Investigadores de la UCLA y la Universidad de Tianjin de China colaboraron para tejer nanotubos de carbono con buena conductividad y óxido de vanadio de alta capacidad en compuestos de fibra porosa y aplicaron los compuestos a electrodos de supercondensadores para obtener nuevos supercondensadores con alta densidad de energía y alta estabilidad del ciclo. Este supercondensador es asimétrico e incluye un ánodo compuesto y un cátodo convencional, además de un electrolito orgánico. El espesor de la película del electrodo es mucho mayor de lo informado anteriormente y puede alcanzar las 100 micras, lo que permite una mayor densidad de energía. Debido a que su proceso de preparación es similar al de las baterías y condensadores tradicionales de iones de litio, los investigadores creen que este nuevo condensador se puede poner fácilmente en producción en masa. Al mismo tiempo, también creen que los resultados de la investigación muestran a sus colegas las perspectivas de aplicación de los nanocompuestos en dispositivos electrónicos de alta energía y potencia.
Mediante la aplicación de materiales de carbono avanzados, se combinan las ventajas del grafito artificial y el grafito natural como materiales de electrodos negativos para baterías de iones de litio y se superan sus respectivas deficiencias. Es una nueva generación de material de almacenamiento de carbono-litio que cumple con los requisitos de rendimiento de las baterías avanzadas de iones de litio. Tiene las siguientes ventajas: buena estabilidad de la microestructura, adecuada para carga y descarga de alta corriente; buena compatibilidad aparente, adecuada para formar una película SEI estable; gran adaptabilidad de la morfología y distribución del tamaño de las partículas, adecuada para diferentes requisitos de procesamiento; Adecuado para los siguientes requisitos de rendimiento de baterías avanzadas de iones de litio (líquidas y de polímero): mayor energía específica (relación de volumen, relación de peso, mayor potencia específica, ciclo de vida más largo);
Se utilizan nuevos materiales como filtro de metal de níquel de espuma nano-TiO2, formaldehído, amoníaco, carbón activado modificado por adsorción TVOC y otros materiales, y se utiliza un ventilador inercial para reemplazar la estructura tradicional del ventilador centrífugo, lo que mejora el rendimiento del purificador de aire. Características del filtro de metal de níquel de espuma fotocatalítica: La malla de metal de níquel es un filtro de metal con una estructura de malla tridimensional hecha de níquel metálico mediante un proceso especial. Tiene las siguientes ventajas: el espacio se ensancha, generalmente superior al 96%, tiene buena permeabilidad y baja resistencia a los fluidos; su área real es muchas veces mayor que su área aparente; La malla metálica de níquel está incrustada con nano-TiO2 en la malla metálica de níquel espumada mediante un proceso especial, combinando así las funciones de esterilización, desodorización y descomposición de la materia orgánica de los materiales fotocatalíticos con la súper estabilidad del níquel. Resuelve eficazmente las deficiencias de otros materiales fotocatalíticos, como una pequeña área efectiva de recepción de luz, una pequeña área de contacto entre el fluido y el material fotocatalítico, una gran resistencia al aire y una corta vida útil causada por la fuerte oxidación de los materiales fotocatalíticos bajo la acción de la fotocatálisis. Proceso de modificación del carbón activado y mejora de su rendimiento: El carbón activado es un material carbonoso poroso con una estructura porosa muy desarrollada y es un excelente adsorbente de olores en el aire.
Nano TiO2 _ 2 tiene una enorme superficie específica, puede entrar en contacto total con la materia orgánica en las aguas residuales y puede adsorber materia orgánica en su superficie al máximo, por lo que tiene una mayor capacidad de absorción de luz ultravioleta. por lo que tiene más. Tiene una fuerte capacidad de degradación fotocatalítica y puede descomponer rápidamente la materia orgánica en su superficie. Además, también se utiliza ampliamente en la catálisis de gases de escape de automóviles y en la purificación del aire.
La cerámica convencional es quebradiza a bajas temperaturas debido a poros y defectos. Su módulo elástico es mucho mayor que el del hueso humano, su compatibilidad mecánica es pobre y es propenso a fracturas. Su resistencia y tenacidad no pueden cumplir con los altos requisitos clínicos, lo que limita su aplicación hasta cierto punto. Sin embargo, debido al tamaño de grano más pequeño de las nanocerámicas, el tamaño de los poros o defectos dentro del material se reduce considerablemente y el material es menos propenso a la fractura transgranular, lo que es beneficioso para mejorar la tenacidad a la fractura del material; El refinamiento aumenta en gran medida el número de límites de grano, lo que ayuda al deslizamiento entre los granos, lo que hace que las nanocerámicas exhiban una superplasticidad única. Muchas nanocerámicas pueden deformarse plásticamente a temperatura ambiente o menos. La superplasticidad de las nanocerámicas es su logro más significativo. Las cerámicas de óxido tradicionales son un material biomédico importante y se han utilizado ampliamente en aplicaciones clínicas. Se utilizan principalmente para fabricar huesos artificiales, articulaciones artificiales del pie, articulaciones del codo, articulaciones del hombro, tornillos para huesos, dientes artificiales, implantes dentales y reparación de huesos del oído. Cuerpo etc
Los nanomateriales de carbono compuestos por elementos de carbono se denominan colectivamente materiales de nanocarbono. Los materiales de nanocarbono incluyen principalmente fibras de nanocarbono, nanotubos de carbono y carbono similar al diamante. Además de la baja densidad, el alto módulo específico, la resistencia específica y la alta conductividad de las fibras de carbono a escala micrométrica, las fibras de nanocarbono también tienen las características de pocos defectos, una gran superficie específica y una estructura densa. Estas extraordinarias propiedades y buena biocompatibilidad le otorgan una amplia gama de perspectivas de aplicación en el campo médico, incluida la mejora significativa de la resistencia, dureza y tenacidad de órganos artificiales, huesos artificiales, dientes artificiales y tendones artificiales. Además, utilizando las eficientes propiedades de adsorción de los materiales de nanocarbono, también se pueden utilizar en sistemas de purificación de sangre para eliminar ciertos virus o componentes.
En la actualidad, la aplicación de materiales nanopolímeros ha implicado inmunoensayos, portadores de liberación controlada de fármacos, diagnóstico y tratamiento intervencionista, etc. Como método de análisis convencional, el inmunoensayo desempeña un papel importante en el análisis cuantitativo de proteínas, antígenos, anticuerpos e incluso células enteras. En un portador específico, la etiqueta molecular de inmunoafinidad correspondiente al analito se fija mediante un enlace de valencia, la solución que contiene el analito se incuba con el portador y la cantidad de portador libre se detecta a través de un microscopio, de modo que el analito pueda ser cuantitativamente preciso. analizado. En los inmunoensayos, la elección del material portador es muy importante. Las partículas de nanopolímero, especialmente algunas con superficies hidrófilas, tienen poca capacidad para adsorber proteínas no específicas, por lo que se utilizan ampliamente como nuevos portadores de etiquetado.
En los últimos años, la ingeniería de tejidos se ha convertido en un nuevo campo de investigación, atrayendo la atención de muchos investigadores. En el proceso de cultivo diseñado de tejidos y órganos, el material de soporte utilizado para la plantación y el crecimiento de las células es un factor clave. El hecho de que las células plantadas puedan mantener su actividad y capacidad de proliferación es una condición importante para la aplicación de materiales de soporte. Se ha informado que agregar una cierta proporción de quitina al colágeno puede producir materiales compuestos nanoestructurados. En comparación con los andamios de colágeno anteriores, su resistencia mecánica aumenta y el tamaño de sus poros aumenta, lo que indica que este material compuesto nanoestructurado tiene grandes ventajas y potencial de aplicación en mecánica y biología como andamio tridimensional para el crecimiento celular. En la investigación de la reparación y sustitución de tejidos duros, los nanocompuestos han ido demostrando poco a poco sus excelentes propiedades. Mediante el autoensamblaje de moléculas peptídicas y compuestos anfifílicos se pueden obtener andamios fibrosos similares a la matriz extracelular. Las nanofibras pueden guiar la mineralización de hidroxiapatita para formar compuestos nanoestructurados. Se descubrió que la microestructura dentro del nanocompuesto era consistente con la disposición de las partículas de colágeno/hidroxiapatita en el hueso natural.
Materiales de referencia:
Chen Fei. Sobre la aplicación de nanomateriales [J]. Gestión y tecnología de pequeñas y medianas empresas (próximo número 2009 (03)
[2] Zhang Guifang. Descripción general de la aplicación y perspectivas de desarrollo de nanomateriales [J]. Información científica y tecnológica de Heilongjiang 2009 (16)