Vật liệu nano

Vật liệu nano

Nanomaterials, hay vật liệu nano, là một phương pháp của khoa học vật liệu trong lĩnh vực công nghệ nano. Tất cả các vật liệu được sử dụng cho công nghệ nano đều được nghiên cứu và các tính chất của chúng được áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng. Đa số nanomaterials được sử dụng trong công nghệ nano có kích thước nhỏ hơn 1 µm.

Kiến thức cơ bản

Tất cả các vật liệu ở quy mô nano đều có tỷ lệ diện tích bề mặt so với thể tích rất lớn. Đặc tính duy nhất này mở đường cho các hiệu ứng cơ học lượng tử mới. Do những hiệu ứng này, kích thước của hạt giảm, gây ra sự thay đổi trong các đặc tính điện tử của chất rắn. Khi kích thước của vật liệu trở nên micro, sẽ không có sự can thiệp của hiệu ứng lượng tử. Nhưng hiệu ứng sẽ bắt đầu phát huy tác động ngay khi vật liệu trở nên có kích thước nano. Cũng sẽ có các thay đổi trong các hoạt động vật lý cũng như xúc tác của vật liệu.

Do đó, có thể hiểu rằng có một thay đổi đột ngột trong các đặc tính khi vật liệu chuyển từ quy mô macro sang quy mô nano. Những thay đổi này có thể rất độc đáo và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Hãy xem xét sự thay đổi trong các đặc tính xảy ra khi một vật liệu chuyển đổi quy mô từ micro sang nano.

Đồng - từ không trong suốt đến trong suốt

Platinum - từ không phản ứng đến có tính xúc tác

Nhôm - từ ổn định đến cháy

Vàng - từ chất rắn đến chất lỏng

Silicon - từ cách điện đến dẫn điện

Quy định về Sự Đồng Nhất trong Sản Xuất Nanodevice

Trong quá trình sản xuất nano-devices ở nhiều lĩnh vực khác nhau, việc sử dụng các loại vật liệu như gốm tinh khiết cao, polymer và hợp chất vật liệu là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất cao. Nếu không, quá trình đóng gói trở nên không đồng đều và sự không đồng nhất trong hình dạng của nanoparticle gây ra sự khác biệt trong mật độ đóng gói.

Sự không đồng nhất cũng có thể xuất hiện do sự kết tụ không kiểm soát được. Do vấn đề này, vật liệu có thể bị tạo rỗng và có thể trải qua sự thay đổi tính chất từ dẻo thành giòn.

Ngay cả khi sự đồng đều được duy trì trong quá trình sản xuất, vật liệu có thể bị chịu một số sai số trong quá trình đóng gói. Điều này gây ra thay đổi trong mật độ của vật liệu và có thể tăng cường trong quá trình nung chảy.

Vì vậy, luôn khuyến khích xử lý vật liệu nano một cách sao cho đối với phân phối thành phần và tính rỗng, vật liệu là đồng đều về mặt vật lý. Điều này sẽ tốt hơn nhiều so với việc sử dụng phân phối kích thước hạt.

Các Loại Vật Liệu Nano Có chủ yếu các loại sau:

1. Fullerenes (Cacbon Nanotubes):
   • Fullerenes thực chất là tờ graphene cuốn thành hình cầu và đại diện cho một lớp các allotropes cacbon.
   • Một ví dụ tiêu biểu về fullerenes là cacbon nanotubes, nổi tiếng với độ cứng cơ học và khả năng dẫn điện xuất sắc.
   • Được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học, fullerenes có các tính chất lợi ích cho việc kết hợp một số loại kháng sinh với cấu trúc của vi khuẩn kháng thuốc và chống lại melanoma, một loại tế bào ung thư.
   • Nổi tiếng với khả năng chống chịu cao và siêu dẫn, fullerenes được ứng dụng như các chất chống khuẩn được kích hoạt bằng ánh sáng.
   • Quá trình thu được fullerenes liên quan đến việc đưa một lượng lớn dòng điện giữa hai đầu cực graphite gần nhau trong một không khí ổn định.
2. Nanoparticles (Hạt Nano):
   • Hạt nano được chế tạo từ kim loại, bán dẫn và các hạt khác có tính chất hóa học, vật lý, điện và từ tính xuất sắc.
   • Được sử dụng chủ yếu như là chất xúc tác hóa học, hạt nano có kích thước nằm giữa vật liệu lớn và cấu trúc phân tử, thể hiện các tính chất kết hợp.
   • Các đặc tính đặc biệt của hạt nano được thể hiện thông qua so sánh sự uốn cong giữa đồng lớn và hạt nano đồng, thể hiện những đặc tính độc đáo như độ cứng tăng khi kích thước giảm.
   • Sol-gels, được coi là vật liệu nano cho một số ứng dụng cụ thể, đặc biệt được sử dụng trong khoa học vật liệu và kỹ thuật gốm. Quá trình thực hiện sol-gel được gọi là Chemical Solution Deposition.
3. Sol-Gels (Chất Gel Hòa Tan):
   • Sol-gels được sử dụng trong lĩnh vực khoa học vật liệu và kỹ thuật gốm, được sản xuất thông qua một quy trình hóa học ẩm gọi là Chemical Solution Deposition.
   • Quy trình này bắt đầu bằng một dung dịch hóa học, hoạt động như một tiền chất. Tiền chất phổ biến nhất được sử dụng là các hợp chất alkoxides kim loại và cloua kim loại. Những tiền chất này trải qua phản ứng mạnh mẽ để tạo ra một mạng lưới gọi là "chất rắn co đàn hồi". Chất rắn co đàn hồi này sẽ là một hệ thống phức tạp bao gồm các hạt amorphous submicrometer được phân tán đến mức độ khác nhau trong một chất lỏng chủ.

Đặc Điểm của Vật Liệu Nano

Các đặc điểm chính của vật liệu nano như kích thước và hình dạng đã được quan sát từ đầu những năm 1900. Cuộc nghiên cứu chính được thực hiện bởi Zsigmondy, người đã nghiên cứu chi tiết về vật liệu nano có kích thước nhỏ hơn 10 nanomet. Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để đặc trưng các hạt nano. Phương pháp đánh giá khác nhau nhất là trong việc tìm hiểu đặc tính kích thước. Đa phần các hạt nano dự kiến ở trong khoảng nanometre thực tế đã tụ tập trong các dung dịch. Thậm chí phương pháp phân tán ánh sáng, phổ hấp thụ sóng siêu âm, và nhiều phương pháp khác được sử dụng để xác định kích thước và cũng để biết về các nano-dispersions có nồng độ cao.

Đối với các đặc điểm khác như điện tích bề mặt và tiềm năng zeta cũng được xác định bằng một số phương pháp nhất định. Tất cả các đặc tính này phải được xác định để xác định điểm ổn định của vật liệu, điểm ngăn chặn sự tụ tập và những điều kiện khác. Một số phương pháp phổ biến được sử dụng để tìm hiểu về các đặc điểm bao gồm phương pháp dòng điện nano colloid, phương pháp microelectrophoresis, phân tán ánh sáng điện từ và những phương pháp khác.

Quy Định An Toàn về Vật Liệu Nano

Một trong những lý do chính để phát triển vật liệu nano là bảo vệ sức khỏe của con người thông qua các phương pháp điều trị tiên tiến mà vật liệu có thể cung cấp. Vật liệu đủ tốt để cung cấp các phương pháp điều trị tiên tiến trong việc giao thuốc. Chúng cũng có lợi thế trong việc phát hiện bệnh ở giai đoạn sớm của sự hình thành. Chúng cũng có thể được sử dụng cho liệu pháp ung thư. Nhưng ngoài những lợi ích này, chúng cũng được biết đến vì gây ra các tác dụng phụ.

Phải thực hiện một loại tiếp cận khác nhau để kiểm tra và biết về tác động của vật liệu nano đối với cơ thể con người và cũng đối với môi trường. Bởi vì hành vi của vật liệu nano rất khác biệt so với bất kỳ hạt nhỏ khác, Ủy ban Hóa chất của Tổ chức Kinh tế Hợp tác và Phát triển đã thành lập Một Nhóm Làm việc về Vật Liệu Nano để nghiên cứu về các tác động khác nhau của vật liệu và áp dụng các quy định an toàn khác nhau.

Một trong những tác động chính của vật liệu nano là tăng tốc độ hấp thụ. Khi vật liệu nano được sản xuất, tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích tăng lên, gây ra tăng tốc độ hấp thụ qua da người, phổi và thậm chí đường ruột. Điểm chính là các hạt phải được hấp thụ ở lượng rất nhỏ để tránh rủi ro cho sức khỏe.

Quy định an toàn không chỉ liên quan đến những người được áp dụng, mà còn liên quan đến những người cung cấp nó. Để đảm bảo an toàn, Viện Karolinska của Thụy Điển đã tiến hành các thí nghiệm khác nhau bằng cách thêm các hạt nano khác nhau như hạt sắt oxide, hạt kẽm oxide, hạt đồng oxide và hạt titanium dioxide vào tế bào biểu mô phế cầu của người. Trong số này, hạt sắt oxide được cho là gây ra một số tổn thương DNA nhỏ và không độc hại. Kẽm oxide được biết đến là độc hại hơn và oxide đồng được biết đến là vật liệu độc hại nhất