1. El efecto de superficie se refiere al cambio en las propiedades causado por el fuerte aumento en la relación entre el número de átomos en la superficie de las nanopartículas y el número total de átomos a medida que disminuye el tamaño de las partículas.
La Tabla 9-2 muestra la relación entre el tamaño de las nanopartículas y el número de átomos de la superficie.
A medida que el tamaño de las partículas disminuye, el número de átomos de la superficie aumenta rápidamente.
Además, a medida que el tamaño de las partículas disminuye, el área superficial y la energía superficial de las nanopartículas aumentan rápidamente.
Esto se debe principalmente a que cuanto menor es el tamaño de las partículas, más átomos hay en la superficie.
El entorno del campo cristalino y las energías de unión de los átomos de la superficie son diferentes a los de los átomos del interior.
Hay una falta de átomos adyacentes alrededor de los átomos de la superficie y hay muchos enlaces colgantes. Es insaturado y fácil de combinar y estabilizar para otros átomos, por lo que muestra una gran actividad química y catalítica.
2. Tamaño cuántico
Cuando el tamaño de las partículas cae a un cierto valor, se produce el fenómeno de que el nivel de energía del electrón cercano al nivel de Fermi cambia de un nivel de energía casi continuo a un El nivel de energía discreto se llama efecto de tamaño cuántico.
Kubo utilizó un modelo electrónico para calcular el espaciamiento entre niveles de energía de partículas ultrafinas de metal: 4Ef/3N
donde Ef es la energía potencial de Fermi y N es el número de átomos en la partícula. .
N de objetos macroscópicos tiende a ser infinito, por lo que el espaciado de los niveles de energía tiende a cero.
Las nanopartículas tienen un número limitado de átomos y un valor N pequeño, lo que da como resultado un valor determinado, es decir, el espaciamiento de los niveles de energía se divide.
El estado electrónico de las nanopartículas semiconductoras pasa de la banda de energía continua del material a granel al nivel de energía con una estructura discreta a medida que disminuye el tamaño, lo que se manifiesta en el espectro de absorción como una transición desde una absorción amplia. banda sin estructura para tener propiedades de absorción estructural.
La volatilidad de los electrones en niveles discretos de energía cuantificados en nanopartículas provoca una serie de propiedades de las nanopartículas, como una alta no linealidad óptica, propiedades catalíticas y fotocatalíticas específicas, etc.
3. Túnel cuántico
La capacidad de las partículas microscópicas para atravesar barreras potenciales se denomina efecto túnel.
Se ha descubierto que algunas cantidades macroscópicas, como la magnetización de micropartículas, el flujo magnético y la carga de dispositivos cuánticos coherentes, también tienen efectos de túnel. Pueden atravesar las barreras potenciales de los sistemas macroscópicos y cambiar. por eso se les llama efecto túnel cuántico macroscópico.
Este concepto puede utilizarse para explicar cualitativamente por qué las partículas ultrafinas de níquel mantienen propiedades superparamagnéticas a bajas temperaturas.
4. Confinamiento dieléctrico
El efecto de confinamiento dieléctrico de las nanopartículas rara vez se nota.
En muestras reales, las partículas están rodeadas de medios como aire, polímeros, vidrio y disolventes, y el índice de refracción de estos medios suele ser menor que el de los semiconductores inorgánicos.
Cuando se irradia luz, debido a la diferencia en el índice de refracción, se forma una interfaz y la intensidad del campo en el área adyacente a la superficie del nanosemiconductor, la superficie del nanosemiconductor y Incluso en el interior de las nanopartículas aumenta en comparación con la intensidad de la luz irradiada.
Este efecto de intensidad de campo local tiene un impacto directo en las propiedades fotofísicas y ópticas no lineales de las nanopartículas semiconductoras.
Para materiales híbridos inorgánicos-orgánicos y materiales fotocatalíticos utilizados en sistemas de reacción multifásicos, el efecto de confinamiento dieléctrico tiene un impacto importante en el proceso y la cinética de reacción
Información ampliada:
Los nanomateriales se pueden dividir aproximadamente en cuatro categorías: nanopolvos, nanofibras, nanopelículas y nanobloques.
De entre ellos, el nanopolvo tiene el mayor tiempo de desarrollo y la tecnología más madura, y es la base para la producción de los otros tres tipos de productos.
1 Nanocerámica
Los materiales nanocerámicos desarrollados mediante nanotecnología utilizan nanopolvos para modificar las cerámicas existentes añadiendo o generando partículas y cristales a nanoescala en las cerámicas. Los bigotes, las fibras de oblea, etc., forman los granos. , los límites de grano y la combinación entre ellos alcanzan el nivel nanométrico, mejorando enormemente la resistencia, tenacidad y superplasticidad del material.
Supera muchas deficiencias de la cerámica de ingeniería y tiene un impacto importante en las propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, magnetoópticas y otras del material, abriendo nuevas áreas para aplicaciones que reemplazan a la cerámica de ingeniería.
Con la aplicación generalizada de la nanotecnología, se han producido nanocerámicas con la esperanza de superar este problema.
La fragilidad de los materiales cerámicos hace que la cerámica sea tan flexible y procesable como los metales.
El científico británico de materiales Cahn señaló que las nanocerámicas son una forma estratégica de solucionar la fragilidad de la cerámica.
El material de recubrimiento en polvo cerámico nano resistente a altas temperaturas es un material que forma un recubrimiento cerámico resistente a altas temperaturas mediante una reacción química
2 Nano polvo
También conocido como ultrafino polvo o polvo ultrafino generalmente se refiere a polvo o partículas con un tamaño de partícula inferior a 100 nanómetros. Es un material de partículas sólidas en un estado intermedio entre átomos, moléculas y objetos macroscópicos.
Se puede utilizar para: materiales de grabación magnéticos de alta densidad; materiales sigilosos que absorben ondas; materiales de fluidos magnéticos; materiales de protección contra la radiación; materiales de pulido de dispositivos ópticos de precisión y silicio monocristalino.
Sustratos conductores térmicos y materiales de cableado; materiales de embalaje microelectrónicos; materiales cerámicos avanzados (caídas); cerámicas craqueadas, utilizadas en motores cerámicos, etc.); materiales de reparación del cuerpo humano; preparaciones anticancerígenas, etc.
3 Nanofibras
Se refiere a materiales lineales con un diámetro de escala nanométrica y una longitud mayor.
Se puede utilizar para: materiales de microcable, microfibra (un componente importante de las futuras computadoras cuánticas y fotónicas), nuevos materiales láser o de diodos emisores de luz, etc.
El electrohilado es un método sencillo y fácil para preparar nanofibras inorgánicas.
4 Nanomembrana
Las nanomembranas se dividen en membranas granulares y membranas densas.
La película de partículas es una película en la que las nanopartículas están pegadas entre sí con espacios extremadamente pequeños en el medio.
Película densa se refiere a una película con una capa de película densa pero con un tamaño de grano de escala nanométrica.
Puede usarse 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, etc.
5 Nano-Blocks
Los Nano-Blocks son materiales nanocristalinos 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.
Ámbito de aplicación:
1. Nanomateriales naturales
Las tortugas marinas ponen huevos en la playa de Florida, EE. UU., pero las tortugas jóvenes después del nacimiento deben tener nadar hasta el mar cerca de Gran Bretaña para sobrevivir y crecer.
Finalmente, las tortugas adultas regresarán a la playa 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 pierden el rumbo, 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 pequeño tamaño, tienen una estructura de dominio magnético único y una alta fuerza coercitiva. Los materiales de grabación magnéticos fabricados con ellas no sólo mejoran la calidad del sonido, la imagen y la señal. La relación ruido es buena y la densidad de grabación 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 no son fáciles de deslizar, los materiales son quebradizos 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 hacen que los materiales nanocerámicos se puedan procesar en frío. Temperatura normal o temperatura subalta.
Si las partículas nanocerámicas se procesan y forman a una temperatura subalta y luego se recocen en la superficie, el nanomaterial puede convertirse en un tipo de nanomaterial que mantiene la dureza y la estabilidad química de los materiales cerámicos convencionales en la superficie, pero aún así Tiene nanomateriales en su interior. Ductilidad del material cerámico de alto rendimiento.
4. Nanosensores
Los nanozirconia, el óxido de níquel, el dióxido de titanio y otras cerámicas 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 ser de cerámica y la superficie exterior debe ser 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, el metal y la cerámica "me tendrán en ti y tú en mí".
Con el tiempo, se pueden combinar para formar materiales funcionales inclinados, 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 contenido que cambia 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.