O que são nanomateriais - Classificação e suas propriedades

Observou-se que as propriedades quânticas do material podem diferir em nanoescala. O material que se comporta como isolante em nível molecular pode expressar as propriedades do condutor quando analisado em nanoescala. A nanotecnologia surgiu como a metodologia de pesquisa que trata do estudo da mudança nas propriedades do material em nanoescala. Envolve o estudo combinatório de várias ciências, como física quântica, física de semicondutores, material manufatura , etc. em nível de nanoescala. Os materiais formados usando os princípios e métodos da nanotecnologia, cujas propriedades situam-se entre os sólidos macroscópicos e os sistemas atômicos, são conhecidos como Nanomateriais.

O que são nanomateriais?

O termo nanoescala refere-se à dimensão de 10^-9metros. É a bilionésima parte de um metro. Assim, as partículas cuja qualquer uma das dimensões externas ou dimensão da estrutura interna ou dimensão da estrutura da superfície esteja na faixa de 1nm a 100nm são consideradas como Nanomateriais.

Esses materiais são invisíveis a olho nu. A abordagem da nanotecnologia baseada na ciência de materiais é considerada para nanomateriais. Nessa escala, esses materiais têm propriedades óticas, eletrônicas, mecânicas e quânticas únicas em comparação com seu comportamento em escala molecular.

Um nanomaterial pode ser um nanoobjeto ou um material nanoestruturado. Os objetos Nao são as peças discretas do material, por outro lado, os materiais nanoestruturados têm sua estrutura interna ou superficial na dimensão nanoescala.

Os nanomateriais podem ter existência natural, fabricados artificialmente ou formados acidentalmente. Com o avanço das pesquisas, os nanomateriais estão sendo comercializados e utilizados como commodities.

Propriedades dos nanomateriais

Uma mudança drástica no propriedades dos nanomateriais podem ser observados quando eles são quebrados ao nível da nanoescala. À medida que avançamos para o nível nanoescala do nível molecular, as propriedades eletrônicas dos materiais são modificadas devido ao efeito do tamanho quântico. Mudanças nas propriedades mecânicas, térmicas e catalíticas dos materiais podem ser vistas com o aumento da razão entre a área de superfície e o volume no nível nanoescala.

Muitos dos materiais isolantes começam a se comportar como condutores em suas dimensões em nanoescala. Da mesma forma, conforme alcançamos as dimensões em nanoescala, muitos fenômenos quânticos e de superfície interessantes podem ser observados.

Tamanho da partícula, forma, composição química, estrutura cristalina, estabilidade físico-química, área de superfície e energia de superfície, etc ... atributos para as propriedades físico-químicas dos nanomateriais. À medida que a proporção entre a área de superfície e o volume dos nanomateriais aumenta, sua superfície se torna mais reativa consigo mesma e com outros sistemas. O tamanho dos nanomateriais desempenha um papel significativo em seu comportamento farmacológico. Quando os nanomateriais interagem com a água ou outros meios de dispersão, eles podem reorganizar sua estrutura cristalina. O tamanho, a composição e a carga superficial dos nanomateriais afetam seus estados de agregação. As propriedades magnéticas, físico-químicas e psicocinéticas desses materiais são afetadas pelo revestimento da superfície. Esses materiais produzem ROS quando sua superfície reage com oxigênio, ozônio e materiais de transição.

No nível da nanoescala, a interação entre as partículas é devido às forças de van der Waal ou fortes ligações polares ou covalentes. As propriedades de superfície dos nanomateriais e suas interações com outros elementos e ambientes podem ser modificadas com o uso de polieletrólitos.

Exemplos

Nanomateriais podem ser encontrados como nanomateriais de engenharia, incidentais ou de existência natural. Os nanomateriais projetados são fabricados por humanos com algumas propriedades desejadas. Eles incluem nanomateriais de negro de fumo e dióxido de titânio. As nanopartículas também são produzidas devido a processos mecânicos ou industriais, como durante a exaustão de veículos, gases de soldagem, cozimento e aquecimento de combustível. Os nanomateriais atmosféricos produzidos incidentalmente são também conhecidos como partículas ultrafinas. Fulerenos são os nanomateriais produzidos devido à queima de biomassa, vela.

Nanotubo

Os nanomateriais naturais existentes são formados devido a muitos dos processos naturais, como incêndios florestais, cinzas vulcânicas, pulverização do oceano, intemperismo de metais, etc ... Alguns dos exemplos de nanomateriais presentes nos sistemas biológicos estão a estrutura dos cristais de cera que cobrem o lótus, a estrutura dos vírus, a seda do ácaro-aranha, a tonalidade azul das aranhas tarântula, as escamas das asas de borboleta. Partículas como leite, sangue, chifre, dentes, pele, papel, corais, bicos, penas, matriz óssea, algodão, unha, etc. são nanomateriais orgânicos naturais. As argilas são o exemplo de nanomaterial inorgânico de ocorrência natural, pois são formadas devido ao crescimento de cristais em diversas condições químicas na crosta terrestre.

Classificação

A classificação dos nanomateriais depende principalmente da morfologia e da sua estrutura, eles são classificados em dois grandes grupos como materiais consolidados e nanodispersões. Os nanomateriais consolidados são posteriormente classificados em vários grupos. Os sistemas dispersivos Nano unidimensionais são denominados Nanopós e Nanopartículas. Aqui, as nanopartículas são ainda classificadas como Nanocristais, Nanoclusters, Nanotubos, supermoléculas, etc.

Para os nanomateriais, o tamanho é um atributo físico importante. Os nanomateriais são frequentemente classificados dependendo do número de suas dimensões em nanoescala. Os nanomateriais cujas três dimensões são da nanoescala e não há diferença significativa entre o eixo mais longo e o mais curto são chamados de nanopartículas. Os materiais com suas duas dimensões em nanoescala são chamados de Nanofibras. Nanofibras ocas são conhecidas como Nanotubos e as sólidas são conhecidas como Nanorods. Os materiais com uma dimensão na nanoescala são conhecidos como nanoplacas. Nanoplacas com duas dimensões diferentes mais longas são conhecidas como Nanoribbons.

Com base nas fases da matéria contida nos materiais nanoestruturados, eles são classificados como nanocompósitos, nanoespuma, nanoporosos e materiais nanocristalinos. Os materiais sólidos contendo pelo menos uma região fisicamente ou quimicamente distinta com pelo menos uma região com dimensões na nanoescala são chamados de Nano Composites. As nanofases contêm uma matriz líquida ou sólida, preenchida com uma fase gasosa e uma das duas fases tem dimensões na escala nano.

Materiais sólidos com nanoporos, cavidades com dimensões em nanoescala são considerados materiais nanoporosos. Os materiais nanocristalinos têm grãos de cristal em nanoescala.

Aplicações de Nanomateriais

Hoje, os nanomateriais estão sendo altamente comercializados. Alguns dos nanomateriais comerciais disponíveis no mercado são cosméticos, têxteis resistentes a tensões, eletrônicos, protetores solares, tintas, etc ... Nanocoatings e nanocompósitos estão sendo usados ​​em vários produtos de consumo, como equipamentos esportivos, janelas, automóveis, etc. Para proteger os danos causados ​​às bebidas da luz solar, as garrafas de vidro estão sendo revestidas com nanocoating que bloqueia os raios ultravioleta. Usando compostos de nano-argila, bolas de tênis de longa duração estão sendo fabricadas. A sílica em nanoescala é usada como preenchimento em obturações dentárias.

As propriedades ópticas dos nanomateriais são usadas para formar detectores ópticos, sensores, lasers, visores, células solares. Esta propriedade também é usada em biomedicina e fotoeletroquímica. Nas células a combustível microbianas, os eletrodos são constituídos por nanotubos de carbono. O seleneto de zinco nanocristalino é usado nas telas de exibição para aumentar a resolução dos pixels que formam aparelhos de TV de alta definição e computadores pessoais. Na indústria microeletrônica, a miniaturização de circuitos como transistores, diodos, resistores e capacitores é enfatizada.

Nanofios estão sendo usados ​​na formação sem junção transistores . Os nanomateriais também são usados ​​como catalisadores em conversores catalíticos automotivos e sistemas de geração de energia, para reagir com gases tóxicos como o monóxido de carbono e o óxido de nitrogênio, evitando a poluição ambiental por eles causada. Para aumentar o fator de proteção solar (FPS) nos filtros solares, nano-TiO2 é usado. Para fornecer uma superfície altamente ativa aos sensores, nanocamadas projetadas são usadas.

Os fulerenos são usados ​​no câncer para tratar células cancerosas, como o melanoma. Eles também encontraram uso como agentes antimicrobianos ativados por luz. Devido às suas propriedades ópticas e elétricas, os pontos quânticos, nanofios e nanobastões optaram fortemente pela optoeletrônica. Nanomateriais estão sendo testados para aplicações em engenharia de tecidos, administração de drogas e biossensores. As nanozimas são as enzimas artificiais usadas para biossensorio, bioimagem e detecção de tumores.

Vantagens e desvantagens dos nanomateriais

As propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e mecânicas dos nanomateriais forneceram muitas aplicações fascinantes. Pesquisas ainda estão em andamento para saber sobre essas propriedades. As propriedades dos nanomateriais diferem daquelas do modelo de tamanho em massa. Algumas das vantagens dos nanomateriais são as seguintes-

• Nanomaterial semicondutor partículas q mostram efeitos de confinamento quântico, dando-lhes assim a propriedade de luminescência.
• Em comparação com as cerâmicas de grão grosso, as cerâmicas nanofásicas são mais dúcteis em temperaturas elevadas.
• A propriedade de soldagem a frio dos pós metálicos nanométricos juntamente com sua ductilidade é altamente útil para a ligação metal-metal.
• Partículas magnéticas nanométricas individuais fornecem propriedades de super paramagnetismo.
• Aglomerados de metais nanoestruturados de composição monometálica atuam como precursores de catalisadores heterogêneos.
• Para células solares, os filmes de silício nanocristalino formam um contato altamente transparente.
• Filmes porosos de óxido de titânio nanoestruturados fornecem alta transmissão e alto aprimoramento da área de superfície.
• Desafios enfrentados pela indústria microeletrônica na miniaturização dos circuitos como a má dissipação do calor gerado pela alta velocidade microprocessadores , a baixa confiabilidade pode ser superada com a ajuda de materiais nanocristalinos. Eles fornecem alta condutividade térmica, alta durabilidade e interconexões duráveis ​​de longa duração.

Existem também algumas desvantagens tecnológicas encontradas no uso de nanomateriais. Algumas dessas desvantagens são as seguintes -

• Instabilidade dos nanomateriais.
• Baixa resistência à corrosão.
• Alta solubilidade.
• Quando os nanomateriais com grande área de superfície entram em contato direto com o oxigênio, ocorre uma combustão exotérmica que leva a uma explosão.
• Impureza
• Os nanomateriais são considerados biologicamente prejudiciais. Eles têm alta toxicidade que pode causar irritações.
• Cancerígeno
• Difícil de sintetizar
• Nenhum descarte seguro disponível
• Difícil de reciclar

Hoje, os nanomateriais junto com nanotecnologia está revolucionando a forma como vários produtos estão sendo fabricados. Nomeie um nanomaterial orgânico que ocorre naturalmente?