¿Cuáles son las características de los nanomateriales?

Cuando el tamaño de las partículas se reduce a la nanoescala, dará lugar a nuevas características de sonido, luz, electricidad, magnetismo, calor y otras propiedades. Por ejemplo, el límite de la banda de absorción y la posición del pico del espectro de luminiscencia del ampliamente estudiado sulfuro de cadmio semiconductor II-VI cambian significativamente al azul a medida que disminuye el tamaño del grano. De acuerdo con 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 de los materiales y se espera que obtenga nuevos usos.

Sabemos que los tipos de materia son limitados. El sulfuro de cadmio, tanto micrométrico como nanométrico, está compuesto de azufre y cadmio, pero controlando las condiciones de preparación, se pueden obtener materiales con diferentes bandas prohibidas y propiedades luminiscentes. Es decir, mediante la nanotecnología se obtienen nuevos materiales.

Las nanopartículas suelen tener grandes superficies específicas. La superficie específica por gramo de este sólido puede alcanzar cientos o incluso miles de metros cuadrados, lo que las convierte en adsorbentes y catalizadores muy activos en el almacenamiento de hidrógeno. Perspectivas de aplicación en campos como la síntesis orgánica y la protección del medio ambiente. En el caso de los nanomateriales, podemos resumirlos en cuatro palabras: "más ligeros, más altos y más fuertes".

“Más liviano” significa que con la ayuda de nanomateriales y tecnología, podemos preparar dispositivos más pequeños, reducir el tamaño del dispositivo y hacerlo más liviano manteniendo el mismo o incluso mejor rendimiento. 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 la miniaturización y las computadoras se hicieron populares.

Los beneficios de esta "miniaturización" son asombrosos desde una perspectiva de utilización de energía y recursos. "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, como dispositivos nanoelectrónicos, medicina y salud, aeroespacial, exploración aeroespacial, medio ambiente, recursos y energía, biotecnología, etc. . Sabemos que el ADN genético es una estructura de doble hélice y el diámetro de esta estructura de doble hélice es de unas decenas de nanómetros.

Usando partículas semiconductoras luminiscentes sintéticas con un tamaño de partícula de sólo unos pocos nanómetros para adsorber selectivamente o actuar sobre diferentes pares de bases, la estructura del ADN puede "iluminarse", un poco como una pagoda llena de linternas en la oscuridad. Con la ayuda de "linternas" luminosas podemos identificar no sólo la apariencia del faro, sino también su estructura.

En definitiva, estas nanopartículas marcan moléculas de ADN. Por el momento es necesario evitar la nanovulgarización. 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 aparecido en China algunas nanoempresas y nanoproductos, como los "nanorefrigeradores" y las "nanolavadoras".

En estos productos se utiliza algo de "nanopolvo", pero las funciones principales de los refrigeradores y las lavadoras son las mismas que las de cualquier producto tradicional. El "nano polvo" les confiere algunas funciones nuevas, pero no es la tecnología central de este tipo de productos.

Por lo tanto, este tipo de productos no pueden llamarse "nanoproductos" reales, son solo métodos de venta y nuevos puntos de venta para los comerciantes. En la actualidad, la aplicación de nanomateriales se concentra principalmente en nanopolvos, que pertenecen a la etapa primaria de los nanomateriales. Cabe señalar que esta es sólo la etapa inicial de la aplicación de nanomateriales. Se puede decir que este no es el núcleo de los nanomateriales. La "aplicación de nanopolvos" no puede equipararse a los nanomateriales.

Datos ampliados:

Ámbito de aplicación de los nanomateriales

1. Nanomateriales naturales

Las tortugas marinas nacieron en la playa de Florida, EE.UU. huevos, pero después del nacimiento, las crías de tortuga tienen que nadar hasta el mar cerca de Gran Bretaña para sobrevivir y crecer. Con el tiempo, las tortugas marinas adultas regresarán a Florida para desovar. Este viaje de ida y vuelta dura entre 5 y 6 años. ¿Por qué las tortugas pueden viajar decenas de miles de kilómetros? Dependen de materiales nanomagnéticos en sus cabezas para una navegación precisa.

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, como un tamaño de nanopartícula pequeño, una estructura de dominio magnético único y una alta fuerza coercitiva. Los materiales de grabación magnéticos fabricados a partir de materiales nanomagnéticos no sólo tienen buena calidad de sonido, imagen y relación señal-ruido, sino que también tienen una densidad de grabación varias veces mayor que la del γ-Fe2O3. Las nanopartículas magnéticas superparamagnéticas fuertes también se pueden convertir en líquidos magnéticos para 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, lo que permite que los materiales nanocerámicos se procesen en frío a temperatura ambiente o por debajo de alta temperatura. Si las partículas nanocerámicas se procesan y se les da forma a temperaturas subaltas y luego se recocen en la superficie, el nanomaterial puede convertirse en una cerámica de alto rendimiento con la dureza y estabilidad química de los materiales cerámicos convencionales en la superficie y la ductilidad de los nanomateriales en el interior.

4. Nanosensores

Las cerámicas como la nanozirconia, 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 un motor espacial 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 es difícil combinar cerámica a granel con metales.

Si la composición de los metales y las cerámicas se cambia gradual y continuamente durante el proceso de producción, de modo que los metales y las cerámicas "me tengan a mí en ti y a ti en mí", eventualmente podrán combinarse en una estructura funcional inclinada. material, es decir, digamos que el cambio de ingredientes es como una escalera inclinada. Cuando las nanopartículas metálicas y cerámicas se mezclan y sinterizan de acuerdo con los requisitos del contenido del gradiente, se pueden lograr los requisitos de resistencia a altas temperaturas dentro de la cámara de combustión y buena conductividad térmica externa.

6. Materiales nanosemiconductores

Los nanomateriales fabricados a partir de materiales semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio tienen muchas propiedades excelentes. Por ejemplo, el efecto túnel cuántico en los nanosemiconductores provoca un transporte anormal de electrones en algunos materiales semiconductores, y la conductividad 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.

Utilizando nanopartículas semiconductoras se puede producir un nuevo tipo de célula solar con alta eficiencia de conversión fotoeléctrica, que puede funcionar con normalidad incluso en días de lluvia. Debido a que los electrones y los huecos 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 puede descomponer sustancias inorgánicas y orgánicas con la ayuda de nanopartículas semiconductoras.

7. Materiales nanocatalíticos

Las nanopartículas son excelentes catalizadores debido a su pequeño tamaño, gran fracción de volumen superficial, diferentes estados de enlace químico y electrónico de la superficie y una coordinación incompleta de los átomos. un aumento de los sitios tensioactivos, lo que la convierte en la condición básica para actuar como catalizador.

Las nanopartículas de níquel o compuestos de cobre y zinc son excelentes catalizadores para la hidrogenación de algunos 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 °C a temperatura ambiente.

8. Aplicaciones médicas

El tamaño de los glóbulos rojos en la sangre es de 6 000 ~ 9 000 nm, mientras que el tamaño de las nanopartículas es de sólo unos pocos nanómetros, que en realidad son mucho más pequeños. que los glóbulos rojos, por lo que puede moverse libremente en la sangre. Si se inyectan varias nanopartículas terapéuticas en diversas partes del cuerpo humano, las lesiones pueden examinarse y tratarse, y el efecto es mejor que las inyecciones y los medicamentos tradicionales.