¿Por qué son tan útiles los nanomateriales?
Los nanomateriales (también conocidos como partículas ultrafinas y polvos ultrafinos) son un sistema típico en la zona de transición entre grupos atómicos y objetos macroscópicos. Sus estructuras son diferentes de los materiales a granel y de los materiales a granel. Un nivel estructural especial le permite tener efectos de superficie, efectos de volumen, efectos de tamaño cuántico, etc., y una serie de propiedades físicas y químicas novedosas. Tiene una aplicación extraordinaria en muchos campos, especialmente en la luz, la electricidad, el magnetismo, la catálisis, etc. Importante valor de aplicación.
Las atractivas características de los nanomateriales en términos de estructura, optoelectrónica y propiedades químicas han despertado un gran interés entre físicos, científicos de materiales y químicos. , países de todo el mundo prestaron gran atención a este material. Sus propiedades físicas y químicas únicas hicieron que la gente se diera cuenta de que su desarrollo puede traer grandes beneficios a la investigación de la física, la química, los materiales, la biología, la medicina y otras disciplinas. Las perspectivas de los nanomateriales son muy amplias. En los últimos años, también se han utilizado en cierta medida en el campo de la producción química y han demostrado su encanto único
1. Aplicación en catálisis
Los catalizadores desempeñan un papel decisivo en muchos campos químicos y químicos. Pueden controlar el tiempo de reacción, mejorar la eficiencia de la reacción y la velocidad de la reacción. La mayoría de los catalizadores tradicionales no solo tienen una baja eficiencia catalítica, sino que su preparación se basa en la experiencia. un enorme desperdicio de materias primas de producción, lo que dificulta la mejora de los beneficios económicos, pero también provoca contaminación del medio ambiente. Las nanopartículas tienen muchos centros activos en sus superficies, lo que proporciona las condiciones necesarias para su uso como catalizadores. catalizadores, las nanopartículas pueden mejorar en gran medida la eficiencia y el control de la reacción. La velocidad de reacción puede incluso hacer que la reacción que originalmente era imposible de llevar a cabo. La velocidad de reacción de las nanopartículas como catalizador es de 10 a 15 veces mayor que la de los catalizadores ordinarios. p> Las nanopartículas más utilizadas como catalizadores son los fotocatalizadores semiconductores, especialmente en la preparación de materia orgánica. Cada partícula semiconductora dispersada en la solución puede considerarse aproximadamente como una microbatería en cortocircuito cuando el sistema de dispersión de semiconductores se irradia con luz. energía mayor que la brecha de energía del semiconductor, las nanopartículas semiconductoras absorben la luz y generan electrones. ——Los pares de agujeros se separan, migran a diferentes posiciones en la superficie de la partícula y se oxidan. y reacciones de reducción con componentes similares en la solución.
Las reacciones fotocatalíticas implican muchos tipos de reacciones, como la oxidación de alcoholes e hidrocarburos, redox de iones inorgánicos, deshidrogenación catalítica e hidrogenación de materia orgánica, síntesis de aminoácidos, reacción de fijación de nitrógeno, tratamiento de purificación de agua, cambio de gas de agua, etc., algunos de los cuales son difíciles de lograr con catálisis heterogénea. Semiconductores Los fotocatalizadores heterogéneos pueden degradar eficazmente los contaminantes orgánicos en el agua. Por ejemplo, el nano-TiO2 tiene una alta actividad fotocatalítica, es ácido. y resistente a los álcalis, estable a la luz, no tóxico, barato y fácil de obtener, y es la mejor manera de preparar fotocatalizadores soportados. Se ha informado en artículos que se obtuvieron fotocatalizadores soportados de TiO/SiO2 con mayor actividad catalítica. Al utilizar gel de sílice como matriz, las nanopartículas de compuestos de Ni o Cu-Zn son excelentes para la reacción de hidrogenación de ciertos compuestos orgánicos. El catalizador puede reemplazar los costosos catalizadores de platino o el catalizador negro de nanoplatino puede reducir la temperatura de la reacción de oxidación del etileno. desde 600 ° C hasta temperatura ambiente La investigación sobre el uso de nanopartículas como catalizadores para mejorar la eficiencia de la reacción, optimizar las rutas de reacción y aumentar la velocidad de la reacción es un tema de investigación importante que no puede ignorarse en la ciencia de la catálisis futura y es probable que traiga cambios revolucionarios. a la aplicación de la catálisis en la industria.
2. Aplicación en recubrimientos
Nanomateriales Por la particularidad de su superficie y estructura, presenta excelentes propiedades difíciles de obtener con materiales comunes. , que muestra una gran vitalidad, la tecnología de recubrimiento de superficies también es un tema candente en el mundo actual. Los nanomateriales brindan buenas oportunidades para los recubrimientos de superficies, lo que hace que la funcionalización de los materiales tenga grandes posibilidades. Con la ayuda de la tecnología de recubrimiento tradicional y la adición de nanomateriales, se pueden crear recubrimientos de sistemas nanocompuestos. obtenidos, logrando un salto en funcionalidad y modificando las funciones de los recubrimientos tradicionales. Los recubrimientos se pueden dividir en estructuras según sus usos. Los recubrimientos estructurales se refieren a recubrimientos que mejoran ciertas propiedades y las modificaciones del sustrato confieren propiedades. que el sustrato no tiene, obteniendo así funciones que los recubrimientos tradicionales no tienen. Recubrimiento súper duro, resistente al desgaste, antioxidante, resistente al calor, retardante de llama.
, revestimientos decorativos resistentes a la corrosión, etc., los revestimientos funcionales incluyen revestimientos ópticos con esteras, reflexión de la luz y absorción selectiva de la luz, revestimientos eléctricos con propiedades conductoras, aislantes y semiconductoras, y revestimientos sensibles con propiedades sensibles al oxígeno y a la humedad; y propiedades sensibles a los gases, etc. La adición de nanomateriales a los recubrimientos puede mejorar aún más sus capacidades protectoras y lograr protección contra la radiación ultravioleta, resistencia al daño atmosférico, resistencia a la degradación, decoloración, etc. Cuando se aplica a productos sanitarios, puede desempeñar un papel esterilizante y Función de limpieza Uso de nanomateriales para recubrir letreros Las propiedades ópticas de la capa se pueden utilizar para almacenar energía solar y ahorrar energía. Agregar nanomateriales apropiados a materiales de construcción como vidrio y pintura puede reducir la transmisión de luz y la transferencia de calor, y producir aislamiento térmico y llamas. retardante y otros efectos. La japonesa Panasonic Corporation ha desarrollado nanorrecubrimientos con buen blindaje electrostático. Las nanopartículas utilizadas incluyen óxido de hierro, dióxido de titanio y óxido de zinc. Estas partículas de nanoóxido con propiedades semiconductoras tienen propiedades electrostáticas más altas que las de temperatura ambiente. Óxidos convencionales Las propiedades conductoras de la pintura de protección electrostática de negro de carbón pueden desempeñar un papel en el blindaje electrostático, y los colores de las nanopartículas de óxido son diferentes. De esta manera, el color de la pintura de protección electrostática también se puede controlar mediante la combinación para superar la monotonía de. Pintura de protección electrostática de negro de carbón que tiene un solo color. El color de los nanomateriales no solo cambia con el tamaño de las partículas, sino que también tiene un efecto de cambio de color con el ángulo en la industria de aerosoles decorativos para automóviles, agregando nano-TiO2 a la capa superior de brillo metálico. de automóviles y sedanes pueden hacer que el recubrimiento produzca efectos de color ricos y misteriosos, por lo que la capa superior tradicional del automóvil parece nueva. Nano-SiO2 es un material anti-radiación ultravioleta. Agregar nano-SiO2 a la pintura puede duplicar el rendimiento antienvejecimiento. suavidad y resistencia de la pintura. Las perspectivas de aplicación traerán una nueva revolución tecnológica a la tecnología de recubrimiento y también promoverán la investigación, el desarrollo y la aplicación de materiales compuestos.
3. Aplicaciones en otros. química fina
La química fina es un campo industrial enorme con una gran cantidad de productos y una amplia gama de usos, y afecta todos los aspectos de la vida humana. La superioridad de los nanomateriales sin duda traerá buenas noticias para la química fina y. mostrar su poder único en caucho, plásticos, recubrimientos y otros campos de química fina, los nanomateriales pueden desempeñar un papel importante. Por ejemplo, agregar nano-SiO2 al caucho puede mejorar la resistencia del caucho a la radiación ultravioleta y la reflexión infrarroja. se puede agregar al caucho ordinario Mejora la resistencia al desgaste y las propiedades dieléctricas del caucho, y su elasticidad es significativamente mejor que el caucho con sílice como relleno. Agregar ciertos nanomateriales a los plásticos puede mejorar la resistencia y dureza del plástico, y la densidad y la impermeabilidad. En el extranjero también se ha añadido nano-SiO2 como aditivo a selladores y adhesivos para mejorar en gran medida las propiedades de sellado y adhesión. Además, los nanomateriales también se han utilizado en la modificación de fibras y en la fabricación de vidrio orgánico. La aplicación de SiO2 modificado en la superficie al vidrio orgánico puede hacer que el vidrio orgánico resista la radiación ultravioleta y logre fines antienvejecimiento. La adición de A12O3 no solo no afecta la transparencia del vidrio, sino que también mejora la resistencia al impacto a altas temperaturas. .Anatase TiO2 de un cierto tamaño de partícula tiene excelentes propiedades de protección ultravioleta y tiene una textura fina, no es tóxica e inodoro. Agregarlo a los cosméticos puede mejorar el rendimiento de los cosméticos. La aplicación de TiO2 ultrafino también se puede extender a. Recubrimientos y plásticos, fibras sintéticas y otras industrias. Recientemente, se ha desarrollado TiO2 para envasado de alimentos y blanco de titanio nacarado para recubrimientos superiores de automóviles de alta gama. El Nano-TiO2 puede absorber fuertemente los rayos ultravioleta de la luz solar, producir una fuerte actividad fotoquímica y puede. utilizarse para fotocatálisis La degradación de contaminantes orgánicos en aguas residuales industriales tiene las ventajas de alta pureza, ausencia de contaminación secundaria y amplia aplicabilidad. Tiene buenas perspectivas de aplicación en el tratamiento de agua respetuoso con el medio ambiente en el campo de las ciencias ambientales, además de utilizar nanomateriales como catalizadores. Además del tratamiento de materiales de desecho vertidos en procesos de producción industrial, aparecerán nanomembranas con funciones únicas. Esta membrana puede detectar la contaminación causada por agentes químicos y biológicos y filtrar estos agentes, eliminando así la contaminación. Aplicación en medicina
Las ciencias de la salud en el siglo XXI se desarrollarán a una velocidad inesperada y la demanda de medicamentos por parte de las personas es cada vez mayor. Controle la liberación de medicamentos, reduzca los efectos secundarios, mejore la eficacia de los medicamentos y desarrolle medicamentos dirigidos. Los tratamientos se han incluido en la agenda de investigación.
Las nanopartículas harán que la transmisión de medicamentos en el cuerpo humano sea más conveniente. Los medicamentos inteligentes envueltos con varias capas de nanopartículas ingresan al cuerpo humano y pueden buscar y atacar activamente células cancerosas o reparar tejidos dañados con nuevos instrumentos de diagnóstico que utilizan nanotecnología; Una pequeña cantidad de sangre puede diagnosticar diversas enfermedades a través de las proteínas y el ADN que contiene. El Instituto de Tecnología de Massachusetts en los Estados Unidos ha preparado medicamentos dirigidos que utilizan materiales nanomagnéticos como portadores de medicamentos, llamados "misiles direccionales". Esta tecnología se basa en nanopartículas magnéticas. La superficie proteica recubierta transporta medicamentos, que se inyectan en los vasos sanguíneos humanos, se transportan al sitio enfermo mediante navegación por campo magnético y luego se liberan. Las nanopartículas son de tamaño pequeño y pueden fluir libremente en los vasos sanguíneos, por lo que pueden usarse para examinar. y tratar lesiones en diversas partes del cuerpo. También se han realizado muchos trabajos de investigación sobre el tratamiento médico clínico y las aplicaciones de tratamiento radiactivo de las nanopartículas. Según el informe "People's Daily", la aplicación de la nanotecnología en el campo médico de mi país. El Grupo Nanjing Xiko utiliza tecnología de nanoplata para desarrollar y producir. Lanzó un apósito médico: algodón antibacteriano de amplio espectro y larga duración. El principio de producción de este algodón antibacteriano es utilizar nanotecnología para convertir la plata en partículas ultrafinas con un tamaño de. La plata tiene la capacidad de prevenir úlceras y el efecto de acelerar la curación de heridas. La superficie de plata tratada con nanotecnología aumenta drásticamente, cambia la estructura de la superficie y aumenta la capacidad bactericida unas 200 veces. tiene un buen efecto inhibidor sobre las bacterias de infección quirúrgica clínica común.
Las micropartículas y nanopartículas se utilizan como sistemas de administración de medicamentos. Las propiedades básicas de los materiales con los que se preparan son no tóxicas, estables y con buenas propiedades biológicas. no reaccionan químicamente con medicamentos. Los nanosistemas se utilizan principalmente para efectos secundarios y altamente tóxicos, vida media biológica corta. Administración de medicamentos que se degradan fácilmente por enzimas biológicas.
La nanobiología se utiliza para estudiar procesos biológicos. La nanoescala para desarrollar ingeniería de aplicaciones moleculares basada en principios biológicos. Sobre la superficie de partículas ultrafinas de hierro metálico, tras ser recubiertas con una capa de polímero de 5 a 20 nm de espesor, se pueden fijar una gran cantidad de proteínas, especialmente enzimas. para controlar reacciones bioquímicas. Esto es muy útil en tecnología bioquímica e ingeniería de enzimas. Combina nanotecnología y biología para estudiar la biología molecular. Los dispositivos, utilizando nanosensores, pueden obtener información biológica dentro de las células, comprendiendo así el estado del cuerpo y profundizando la explicación de las personas. fisiología y patología.
5. Conclusión
La nanociencia es una Las ciencias emergentes que integran la ciencia básica y la ciencia aplicada incluyen principalmente la nanoelectrónica, los nanomateriales y la nanobiología. Por esta razón, la Comisión Nacional de Ciencia y Tecnología y la Academia de Ciencias de China han posicionado a la nanotecnología como "La ciencia más importante y de vanguardia del siglo XXI. La aplicación de los nanomateriales involucra diversos campos y tiene amplias perspectivas de aplicación en el mundo". campos de la mecánica, la electrónica, la óptica, el magnetismo, la química y la biología. El nacimiento de la nanociencia y la tecnología tendrá un profundo impacto en la sociedad y tiene el potencial de resolver fundamentalmente muchos problemas que enfrenta la humanidad, especialmente los más importantes. Temas como la energía, la salud humana y la protección del medio ambiente. La tarea principal a principios del siglo XXI es basarse en las diversas propiedades físicas y químicas novedosas de los nanomateriales, diseñando diversos materiales y dispositivos nuevos mediante la modificación de productos tradicionales mediante nanomateriales. Ciencia y tecnología, aumentando su contenido de alta tecnología y desarrollando nuevos productos con nanoestructuras, han surgido signos gratificantes y tienen la capacidad de formar un nuevo desarrollo económico en el siglo XXI. Los nanomateriales se convertirán en una estrella brillante. en el campo de la ciencia de los materiales y desempeñan un papel decisivo en diversos campos como los nuevos materiales, la energía y la información. Con el continuo desarrollo de su tecnología de preparación y modificación, los nanomateriales están desempeñando un papel decisivo en diversos campos como los nuevos materiales, la energía. y la información se utilizarán cada vez más en muchos campos, como la química fina y la producción farmacéutica.