Nanoanyagok - Nanomaterials

A nanoanyagok elvileg olyan anyagokat írnak le, amelyekből egyetlen egység kis méretű (legalább egy dimenzióban) 1 és 100 nm között (a nanoméret szokásos meghatározása ).

A nanoanyag -kutatások anyagtudományon alapuló megközelítést alkalmaznak a nanotechnológiához , kihasználva az anyagmetrológia és a szintézis fejlődését, amelyeket a mikrogyártási kutatások támogatására fejlesztettek ki . A nanoméretű szerkezetű anyagok gyakran egyedi optikai, elektronikus, termofizikai vagy mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

A nanoanyagok lassan kereskedelmi forgalomba kerülnek, és árucikkekként kezdenek megjelenni.

Meghatározás

A ISO / TS 80004 , nanoanyagnak úgy definiáljuk, mint az „anyag bármely külső dimenziónak a nanoméretű vagy amelynek belső szerkezete vagy a felületi struktúra a nanoméretű”, a nanoméretű definiáljuk, mint a „hossz tartomány körülbelül 1 nm és 100 nm”. Ez magában foglalja mind a nano-objektumokat , amelyek diszkrét anyagdarabok, mind a nanostrukturált anyagokat , amelyek belső vagy felületi szerkezetűek a nanoméretben; egy nanoanyag mindkét kategória tagja lehet.

2011. október 18 -án az Európai Bizottság elfogadta a nanoanyag következő definícióját: "Természetes, véletlenszerű vagy gyártott anyag, amely részecskéket tartalmaz, kötetlen állapotban vagy aggregátumként vagy agglomerátumként, és a részecskék legalább 50% -a számméret -eloszlás esetén egy vagy több külső méret az 1 nm és 100 nm közötti tartományban van. Különleges esetekben, és ha a környezet, az egészség, a biztonság vagy a versenyképesség szempontjából ez indokolja, az 50% -os számeloszlási küszöb helyettesíthető küszöb 1% és 50% között. "

Források

Mérnöki

A mesterségesen előállított nanoanyagokat az emberek szándékosan tervezték és gyártották, hogy bizonyos előírt tulajdonságokkal rendelkezzenek.

A régi nanoanyagok azok, amelyek kereskedelmi forgalomban voltak a nanotechnológia kifejlesztése előtt, növekvő előrelépésként más kolloid vagy szemcsés anyagokhoz képest. Ide tartoznak a korom és a titán -dioxid nanorészecskék .

Véletlen

A nanoanyagokat akaratlanul is mechanikus vagy ipari folyamatok melléktermékeként lehet előállítani égés és elpárologtatás útján. A véletlenszerű nanorészecskék forrásai közé tartoznak a járműmotorok kipufogógázai, olvasztása, hegesztési füstjei, a háztartási szilárd tüzelőanyag fűtéséből és főzéséből származó égési folyamatok. Például a fulleréneknek nevezett nanoanyagok osztályát gáz, biomassza és gyertya égetésével állítják elő . Kopás- és korróziós termékek mellékterméke is lehet. Az esetleges légköri nanorészecskéket gyakran ultrafinom részecskéknek nevezik , amelyek szándékos művelet során véletlenül keletkeznek, és hozzájárulhatnak a légszennyezéshez .

Természetes

A biológiai rendszerek gyakran tartalmaznak természetes, funkcionális nanoanyagokat. A szerkezet a foraminiferák (főleg kréta) és vírusok (fehérje, kapszid ), a viasz kristályok lefedő Lotus vagy sarkantyúvirág levél, pók és pók-atka selyem, a kék színárnyalat tarantellák, a „spatulae” alján gekkó láb, néhány pillangós szárnymérleg, természetes kolloidok ( tej , vér ), kanos anyagok ( bőr , karmok , csőr , tollak , szarvak , haj ), papír , pamut , gyöngyház , korallok és még saját csontmátrixunk is mind természetes szerves nanoanyagok.

A természetes szervetlen nanoanyagok kristálynövekedéssel fordulnak elő a földkéreg változatos kémiai körülményei között . Például, agyagok megjelenítéséhez komplex nanostruktúrák miatt anizotrópiája az ezek alapjául szolgáló kristályszerkezet, és a vulkáni tevékenység adhat okot opál , amelyek egy példánya egy természetben előforduló fotonikus kristályok miatt nanoméretű szerkezete. A tüzek különösen összetett reakciókat jelentenek, és pigmenteket , cementet , füstölt szilícium -dioxidot stb.

A nanorészecskék természetes forrásai közé tartoznak az égéstermékek, az erdőtüzek, a vulkáni hamu, az óceáni permetezés és a radongáz radioaktív bomlása . A természetes nanoanyagokat fém- vagy aniontartalmú kőzetek időjárási folyamataival, valamint savas bánya vízelvezető helyeken is létre lehet hozni .

Galéria természetes nanoanyagokból

Vírusos kapszid
" Lótusz hatás ", hidrofób hatás öntisztító képességgel
Közelkép a gekkó lábának alsó részéről, amint az üvegfalon jár (spatula: 200 × 10-15 nm)
Pillangószárnyas skála SEM mikrografikája (× 5000)
Pávatoll (részlet)
Brazil kristály opál. A színjátékot a szilícium -dioxid gömbök (150 - 300 nm átmérőjű) interferenciája és diffrakciója okozza.
Kék árnyalatú tarantula faj (450 nm ± 20 nm)

Típusok

A nano-objektumokat gyakran kategorizálják aszerint, hogy hány méretük esik a nanoméretbe. A nanorészecske olyan nanobjektum, amely mindhárom külső dimenzióval rendelkezik a nanoméretben, amelynek leghosszabb és legrövidebb tengelye nem különbözik jelentősen. Egy nanoszáias két külső méretei a nanoméretű, a nanocsövek üreges nanoszálak és nanorudakat tömörségükben nanoszálak. A nanotábláknak/nanoszáraknak egy külső dimenziója van a nanoméretben, és ha a két nagyobb méret jelentősen eltér egymástól, akkor nanoribbonnak nevezzük . A nanoszálak és a nanolapok esetében a többi méret lehet vagy nem a nanoméretben, de lényegesen nagyobbnak kell lennie. Minden esetben jelentős különbség jellemzően legalább 3 -szoros.

A nanostrukturált anyagokat gyakran osztályozzák, hogy milyen anyagfázisokat tartalmaznak. A nanokompozit egy szilárd, amely legalább egy fizikailag vagy kémiailag eltérő régiót, vagy gyűjtése a régiók, amelyek legalább egy dimenziónak a nanoméretű .. Egy nanofoam van egy folyékony vagy szilárd mátrix, tele egy gázfázis, ahol az egyik a két fázisok mérete a nanoméretű. A nanoporózus anyag egy szilárd anyag tartalmú nanopórusok , üregek formájában nyitott vagy zárt pórusai szubmikron lengthscales. Egy nanokristályos anyagban a kristályszemcsék jelentős része van a nanoméretben.

Nanoporózus anyagok

A nanopórusos anyagok kifejezés mikropórusos és mezoporózus anyagok részhalmazait tartalmazza. A mikropórusos anyagok olyan porózus anyagok, amelyek átlagos pórusmérete kisebb, mint 2 nm, míg a mezopórusos anyagok azok, amelyek pórusmérete a 2-50 nm tartományban van. A mikropórusos anyagok pórusmérete hasonló a kis molekulákhoz. Ezért az ilyen anyagok értékes alkalmazásokat szolgálhatnak, beleértve az elválasztó membránokat. A mezoporózus anyagok érdekesek olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy fajlagos felületet igényelnek, ugyanakkor lehetővé teszik azoknak a molekuláknak a behatolását, amelyek túl nagyok lehetnek ahhoz, hogy belépjenek a mikropórusos anyag pórusaiba. Egyes forrásokban a nanorózus anyagokat és a nanohabokat néha nanostruktúrának tekintik, de nem nanoanyagoknak, mert csak az üregek és nem maguk az anyagok nanoméretűek. Bár az ISO definíció csak a kerek nano-objektumokat tekinti nanorészecskéknek , más források minden alaknál használják a nanorészecske kifejezést.

Nanorészecskék

A nanorészecskék mindhárom dimenzióval rendelkeznek a nanoméretben. A nanorészecskéket tömeges szilárd anyagba is be lehet ágyazni nanokompozit képzésére.

Fullerének

A fulleréneket egy osztály allotropes szén , amely lényegét tekintve graphene lapok hengerelt csővé vagy gömbök. Ide tartoznak a szén nanocsövek (vagy szilícium nanocsövek ), amelyek mind mechanikai szilárdságuk, mind elektromos tulajdonságaik miatt érdekesek.

A C ₆₀ forgó nézete, a fullerén egy fajtája

Az első felfedezett fullerénmolekulát és a család névadóját, a buckminsterfullerene -t (C ₆₀ ) 1985 -ben készítette Richard Smalley , Robert Curl , James Heath , Sean O'Brien és Harold Kroto a Rice Egyetemen . A név tiszteleg Buckminster Fuller előtt , akinek geodéziai kupoláira hasonlít. Azóta kiderült, hogy fullerének fordulnak elő a természetben. Újabban fulleréneket észleltek a világűrben.

Az elmúlt évtizedben a fullerének kémiai és fizikai tulajdonságai forró témát jelentettek a kutatás és fejlesztés területén, és valószínűleg még sokáig lesznek. 2003 áprilisában a fulleréneket vizsgálták a lehetséges gyógyászati felhasználásra : specifikus antibiotikumokat kötnek a rezisztens baktériumok szerkezetéhez, és még bizonyos típusú rákos sejteket is megcéloznak , mint például a melanoma . A Chemistry and Biology 2005. októberi száma tartalmaz egy cikket, amely leírja a fullerének fény által aktivált antimikrobiális szerként való alkalmazását. A nanotechnológia területén a hőállóság és a szupravezető képesség az intenzív kutatást vonzó tulajdonságok közé tartozik.

A fullerének előállítására általánosan használt módszer az, hogy nagy áramot küldünk két közeli grafit -elektróda közé inert atmoszférában. A kapott szén- plazma ívet az elektródák között hűti a kormos maradékot ahonnan sok fullerének izolálható.

Sok számítást végeztek a fullerénekre alkalmazott ab-initio Quantum Methods módszerrel. A DFT és TDDFT módszerek egy kaphatnak IR , Raman és UV- spektrumok. Az ilyen számítások eredményei összehasonlíthatók a kísérleti eredményekkel.

Fém alapú nanorészecskék

Szervetlen nanoanyagok (pl kvantumpontok , nanoszálakon és nanorudakat ) miatt érdekes optikai és elektromos tulajdonságait is fel lehet használni a optoelektronikai . Ezenkívül a nanoanyagok optikai és elektronikai tulajdonságai méretüktől és alakjuktól függően szintetikus technikákkal hangolhatók. Lehetőség van ezeknek az anyagoknak a felhasználására szerves anyag alapú optoelektronikai eszközökben, például szerves napelemekben , OLED -ekben stb. Az ilyen eszközök működési elveit a fotoindukált folyamatok szabályozzák, mint például az elektronátvitel és az energiaátvitel. Az eszközök teljesítménye a működésükért felelős fotoindukált folyamat hatékonyságától függ. Ezért a szerves/szervetlen nanoanyagú kompozit rendszerekben ezeknek a fényindukált folyamatoknak a jobb megértése szükséges ahhoz, hogy ezeket optoelektronikai eszközökben lehessen használni.

A fémekből, félvezetőkből vagy oxidokból készült nanorészecskék vagy nanokristályok különösen érdekesek mechanikai, elektromos, mágneses, optikai, kémiai és egyéb tulajdonságaik miatt. A nanorészecskéket kvantumpontként és kémiai katalizátorként , például nanoanyag-alapú katalizátorként használták . A közelmúltban számos nanorészecskét vizsgáltak kiterjedten az orvosbiológiai alkalmazásokhoz, beleértve a szövettervezést , a gyógyszerbejuttatást és a bioszenzort .

A nanorészecskék nagy tudományos érdeklődést mutatnak, mivel hatékonyan hidat képeznek az ömlesztett anyagok és az atom- vagy molekuláris szerkezetek között. Az ömlesztett anyagok méretétől függetlenül állandó fizikai tulajdonságokkal kell rendelkezniük, de nano-skálán ez gyakran nem így van. Méretfüggő tulajdonságok figyelhetők meg, mint például a félvezető részecskék kvantumzáródása , egyes fémrészecskék felszíni plazmonrezonanciája és a mágneses anyagok szuperparamágnesessége .

A nanorészecskék számos különleges tulajdonsággal rendelkeznek az ömlesztett anyagokhoz képest. Például az ömlesztett réz (huzal, szalag stb.) Hajlítása a rézatomok /fürtök körülbelül 50 nm -es skálán történő mozgásával történik. Réz nanorészecskék kisebb, mint 50 nm tekintjük szuper kemény anyagok, amelyek nem mutatják ugyanazt a alakíthatósága és alakíthatóság , mint ömlesztett réz. A tulajdonságok változása nem mindig kívánatos. A 10 nm -nél kisebb ferroelektromos anyagok szobahőmérsékletű hőenergia segítségével megváltoztathatják polarizációs irányukat, így használhatatlanná válnak a memória tárolására. A nanorészecskék szuszpenziói azért lehetségesek, mert a részecskék felületének kölcsönhatása az oldószerrel elég erős ahhoz, hogy leküzdjék a sűrűségbeli különbségeket , ami általában azt eredményezi, hogy az anyag vagy elsüllyed, vagy lebeg a folyadékban. A nanorészecskék gyakran váratlan vizuális tulajdonságokkal rendelkeznek, mert elég kicsik ahhoz, hogy elektronjaikat bezárják és kvantumhatásokat hozzanak létre. Például az arany nanorészecskék oldatban mélyvöröstől feketéig jelennek meg.

A nanorészecskék gyakran nagyon magas felület -térfogat aránya óriási hajtóerőt biztosít a diffúzióhoz , különösen magas hőmérsékleten. A szinterezés alacsonyabb hőmérsékleten és rövidebb idő alatt lehetséges, mint a nagyobb részecskéknél. Ez elméletileg nem befolyásolja a végtermék sűrűségét, bár az áramlási nehézségek és a nanorészecskék agglomerálódásra való hajlama bonyolítja a helyzetet. A nanorészecskék felszíni hatása is csökkenti a kezdő olvadási hőmérsékletet .

Egydimenziós nanoszerkezetek

A lehető legkisebb kristályos huzalok, amelyek keresztmetszete olyan kicsi, mint egyetlen atom, hengeres zárt térben alakíthatók ki. A szén nanocsövek , a természetes félig 1D nanostruktúra, sablonként használhatók a szintézishez. A bezártság mechanikai stabilizációt biztosít, és megakadályozza a lineáris atomláncok szétesését; az 1D nanohuzalok más struktúrái előrejelzések szerint mechanikusan stabilak lesznek még a sablonoktól való elkülönítés után is.

Kétdimenziós nanostruktúrák

A 2D anyagok kristályos anyagok, amelyek kétdimenziós egyetlen atomrétegből állnak. A legfontosabb reprezentatív grafént 2004 -ben fedezték fel. A nanoméretű vastagságú vékony filmeket nanoszerkezetnek tekintik, de néha nem tekintik nanoanyagnak, mert nem léteznek külön az aljzattól.

Tömeges nanostrukturált anyagok

Egyes ömlesztett anyagok tartalmaznak jellemzőket a nanoméretben, beleértve a nanokompozitokat , a nanokristályos anyagokat , a nano -szerkezetű filmeket és a nanotexturált felületeket .

A doboz alakú grafén (BSG) nanoszerkezet egy példa a 3D nanoanyagra. A BSG nanostruktúra a pirolitikus grafit mechanikai hasítása után jelent meg . Ez a nanoszerkezet a felület mentén elhelyezkedő, négyszög keresztmetszetű, párhuzamos üreges nanokanelek többrétegű rendszere. A csatornafalak vastagsága megközelítőleg 1 nm. A csatornafalak jellemző szélessége körülbelül 25 nm.

Alkalmazások

A nanoanyagokat számos gyártási folyamatban, termékben és egészségügyben használják, beleértve a festékeket, szűrőket, szigetelőanyagokat és kenőanyag -adalékokat. Az egészségügyben A nanozimek enzimszerű tulajdonságokkal rendelkező nanoanyagok. Ezek a mesterséges enzimek feltörekvő típusai , amelyeket széles körben alkalmaztak, mint például a bioszenzálás, a biokép, a tumordiagnosztika, az antibiofuling stb. Kiváló minőségű szűrőket lehet nanostruktúrákból előállítani, ezek a szűrők képesek eltávolítani olyan kicsi részecskéket, mint egy vírus, amint azt a Seldon Technologies által készített vízszűrő látja. A nanomaterials membrán bioreaktor (NMs-MBR), a hagyományos MBR következő generációja , a közelmúltban javasoltak a szennyvíz korszerű kezelésére. A légtisztítás területén 2012-ben nanotechnológiát alkalmaztak a MERS elterjedésének megakadályozására a szaúd-arábiai kórházakban. A nanoanyagokat a modern és emberbiztonságos szigetelési technológiákban használják, korábban azbeszt alapú szigetelésben találtak. Kenőanyag -adalékként a nanoanyagok képesek csökkenteni a mozgó alkatrészek súrlódását. A kopott és korrodált részek javíthatók a TriboTEX nevű, önállóan összerakódó anizotróp nanorészecskékkel is. A nanoanyagokat számos iparágban és fogyasztási cikkben is alkalmazták. Ásványi nanorészecskéket, például titán-oxidot használtak az UV-védelem javítására a fényvédőben. A sportiparban könnyebb denevéreket készítettek szén nanocsövekkel a teljesítmény javítása érdekében. Egy másik alkalmazás a hadseregben van, ahol mobil pigment nanorészecskéket használtak a hatékonyabb álcázás létrehozásához. A nanoanyagok háromutas katalizátor (TWC) alkalmazásokban is használhatók. A TWC konverterek előnye, hogy szabályozzák a nitrogén -oxidok (NOx) kibocsátását, amelyek a savas eső és szmog előfutárai. A mag-héj szerkezetben a nanoanyagok héjat képeznek katalizátorként, hogy megvédjék a nemesfémeket, például a palládiumot és a ródiumot. Az elsődleges funkció az, hogy a támaszok katalizátorok aktív komponenseinek hordozására használhatók, erősen diszpergálva őket, csökkentve a nemesfémek felhasználását, fokozva a katalizátorok aktivitását és javítva a mechanikai szilárdságot.

Szintézis

A nanoanyagokra vonatkozó bármely szintetikus módszer célja, hogy olyan anyagot nyerjen, amely olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek jellemző jellemzői a nanométeres tartományban (1-100 nm). Ennek megfelelően a szintetikus módszernek a méret szabályozását kell mutatnia ebben a tartományban, hogy az egyik vagy másik tulajdonság elérhető legyen. Gyakran a módszereket két fő típusra osztják: "alulról felfelé" és "felülről lefelé".

Alulról felfelé irányuló módszerek

Az alulról felfelé irányuló módszerek magukban foglalják az atomok vagy molekulák nanostrukturált tömbökbe való összeszerelését. Ezekben a módszerekben a nyersanyagforrások lehetnek gázok, folyadékok vagy szilárd anyagok. Ez utóbbiak valamiféle szétszerelést igényelnek, mielőtt beépítik a nanoszerkezetbe. Az alulról felfelé irányuló módszerek általában két kategóriába sorolhatók: kaotikus és kontrollált.

A kaotikus folyamatok magukban foglalják az alkotó atomok vagy molekulák kaotikus állapotba emelését, majd a körülmények hirtelen megváltoztatását, hogy az állapot instabillá váljon. A tetszőleges számú paraméter ügyes manipulálása révén a termékek nagyrészt a biztosítási kinetika eredményeként alakulnak ki. A kaotikus állapotból való összeomlást nehéz vagy lehetetlen ellenőrizni, ezért az együttes statisztikák gyakran szabályozzák a kapott méreteloszlást és az átlagos méretet. Ennek megfelelően a nanorészecskék képződését a termékek végállapotának manipulálásával szabályozzák. A kaotikus folyamatok példái a lézeres abláció, a felrobbanó huzal, az ív, a láng -pirolízis, az égés és a kicsapásos szintézis technikái.

A szabályozott folyamatok magukban foglalják az alkotó atomok vagy molekulák szabályozott szállítását a nanorészecske -képződés helyére (helyszíneire) úgy, hogy a nanorészecske szabályozott módon előre meghatározott méretűre nőhet. Általában az alkotó atomok vagy molekulák állapota soha nem áll messze attól, ami a nanorészecskék képződéséhez szükséges. Ennek megfelelően a nanorészecskék képződését a reagensek állapotának szabályozásával szabályozzák. Az ellenőrzött folyamatok például az önkorlátozó növekedési oldat, az önkorlátozott kémiai gőzlerakás , az alakú impulzus femtoszekundumos lézeres technikák és a molekuláris sugár epitaxia .

Fentről lefelé irányuló módszerek

A felülről lefelé irányuló módszerek némi „erőt” (pl. Mechanikai erőt, lézert) alkalmaznak az ömlesztett anyagok nanorészecskékre törésére. Egy népszerű módszer az ömlesztett anyagok mechanikai szétbontására nanoanyagokra, a „golyós őrlés”. Ezenkívül a nanorészecskék lézeres ablációval is előállíthatók, amelyek rövid impulzusú lézereket (pl. Femtoszekundumos lézert) alkalmaznak egy célpont (szilárd) eltávolítására.

Jellemzés

Új hatások akkor jelentkezhetnek az anyagokban, ha olyan szerkezeteket alakítanak ki, amelyek hasonlóak a sok lehetséges skála bármelyikéhez , például az elektronok de Broglie hullámhosszához vagy a nagy energiájú fotonok optikai hullámhosszához. Ezekben az esetekben a kvantummechanikai hatások uralhatják az anyag tulajdonságait. Az egyik példa a kvantumelzárás, ahol a szilárd anyagok elektronikus tulajdonságai megváltoznak a részecskeméret nagy csökkenésével. A nanorészecskék optikai tulajdonságai, pl. Fluoreszcencia , szintén a részecskeátmérő függvényévé válnak. Ez a hatás nem lép életbe, ha a makroszkopikus méretről a mikrométeres méretekre lép, hanem a nanoméret skála elérésekor válik hangsúlyossá.

Az optikai és elektronikai tulajdonságok mellett számos nanoanyag új mechanikai tulajdonságait a nanomechanikai kutatás tárgya . Ömlesztett anyaghoz adva a nanorészecskék erősen befolyásolhatják az anyag mechanikai tulajdonságait, például a merevséget vagy rugalmasságot. Például a hagyományos polimereket nanorészecskékkel (például szén nanocsövekkel ) lehet megerősíteni, ami új anyagokat eredményez, amelyek a fémek könnyű helyettesítésére használhatók. Az ilyen kompozit anyagok lehetővé teszik a súlycsökkentést, valamint a stabilitás és a jobb funkcionalitás növekedését.

Végül a kis szemcseméretű nanoszerkezetű anyagokat, például a zeolitokat és az azbesztet , katalizátorként használják a kritikus ipari kémiai reakciók széles körében. Az ilyen katalizátorok továbbfejlesztése hatékonyabb, környezetbarát kémiai folyamatok alapját képezheti.

A nano-részecskék első megfigyelései és méretmérései a 20. század első évtizedében történtek. Zsigmondy részletes tanulmányokat készített az aranyszólókról és más, legfeljebb 10 nm -es méretű nanoanyagokról. Kiadott egy könyvet 1914-ben használtak ultramicroscope , amelyen egy sötét mező módszert látva részecskék mérete sokkal kisebb, mint a fény hullámhossza .

A nanoanyagok jellemzésére hagyományos technikák léteznek a 20. század folyamán az interfész és a kolloid tudomány területén . Ezeket széles körben használják a következő részben meghatározott első generációs passzív nanoanyagokhoz.

Ezek a módszerek számos különböző technikát tartalmaznak a részecskeméret -eloszlás jellemzésére . Ez a jellemzés elengedhetetlen, mivel sok, várhatóan nanoméretű anyagot ténylegesen oldatokban összesítenek. Néhány módszer fényszóráson alapul . Mások ultrahangot alkalmaznak , például ultrahangos csillapítási spektroszkópiát a koncentrált nano-diszperziók és mikroemulziók tesztelésére.

A hagyományos technikák egy csoportja létezik a nano-részecskék felületi töltésének vagy zéta-potenciáljának jellemzésére az oldatokban. Ez az információ szükséges a rendszer megfelelő stabilizálásához, megakadályozva annak aggregációját vagy flokkulációját . Ezek a módszerek közé tartozik a mikroelektroforézis , az elektroforetikus fényszórás és az elektroakusztika . Az utolsó, például a kolloid rezgésáram módszer alkalmas koncentrált rendszerek jellemzésére.

Egységesség

A kémiai szintézis és feldolgozás nagy teljesítményű technológiai alkatrészek a magán-, ipari és katonai szektorok használatát igényli nagy tisztaságú kerámiák , polimerek , üveg-kerámia és anyagi kompozitok . Finom porokból képződött sűrített testekben a tipikus porban lévő nanorészecskék szabálytalan mérete és alakja gyakran egyenetlen csomagolási morfológiához vezet, ami a por tömörítésében a csomagolási sűrűség változását eredményezi.

A porok ellenőrizetlen agglomerációja a vonzó van der Waals erők miatt mikrostrukturális inhomogenitásokat is okozhat. A nem egyenletes szárítási zsugorodás következtében kialakuló differenciális feszültségek közvetlenül kapcsolódnak az oldószer eltávolításának sebességéhez , és így nagymértékben függnek a porozitás eloszlásától . Az ilyen feszültségek a műanyag-rideg átmenethez kapcsolódnak a konszolidált testekben, és ha nem enyhülnek, a repedések terjedését eredményezhetik a nem égetett testben.

Ezenkívül a tömörítési sűrűség bármilyen ingadozása a kemencében előkészített kompaktban gyakran erősödik a szinterelési folyamat során, ami inhomogén sűrűséget eredményez. Bizonyos pórusokról és egyéb, a sűrűségváltozásokhoz kapcsolódó szerkezeti hibákról kimutatták, hogy káros szerepet játszanak a szinterelési folyamatban, mivel növelik és ezáltal korlátozzák a végpont sűrűségét. Az inhomogén sűrűsödésből eredő differenciális feszültségekről is kimutatták, hogy a belső repedések terjedését eredményezik, és így az erőszabályozó hibákká válnak.

Ezért kívánatosnak tűnik, hogy az anyagot úgy dolgozzuk fel, hogy fizikailag egységes legyen az alkatrészek eloszlása és a porozitás tekintetében, ahelyett, hogy olyan szemcseméret -eloszlást használnánk, amely maximalizálja a zöld sűrűséget. Az erősen kölcsönhatásba lépő részecskék egyenletesen diszpergált szerelvényének szuszpenzióban történő tárolása teljes ellenőrzést igényel a részecske-részecske kölcsönhatások felett. Számos diszpergálószer, például ammónium -citrát (vizes) és imidazolin vagy oleil -alkohol (nemvizes) ígéretes megoldások, mint lehetséges adalékanyagok a fokozott diszpergáláshoz és deagglomerációhoz. A monodiszperz nanorészecskék és a kolloidok biztosítják ezt a lehetőséget.

Ezért például a kolloid szilícium -dioxid monodiszperz porát kellően stabilizálni lehet, hogy biztosítsuk a kolloid kristály vagy a polikristályos kolloid szilárd anyag nagyfokú rendezését, amely az aggregációból származik. Úgy tűnik, hogy a sorrend mértékét korlátozza az idő és a tér, amely lehetővé teszi a nagyobb hatótávolságú korrelációk megállapítását. Az ilyen hibás polikristályos kolloid szerkezetek a szubmikrométeres kolloid anyagtudomány alapelemeinek tűnnek, és ezért az első lépést jelentik a nagy teljesítményű anyagok és alkatrészek mikrostrukturális fejlődésében szerepet játszó mechanizmusok szigorúbb megértésének fejlesztésében.

Nanoanyagok cikkekben, szabadalmakban és termékekben

A nanoanyagok kvantitatív elemzése azt mutatta, hogy a nanorészecskéket, nanocsöveket, nanokristályos anyagokat, nanokompozitokat és grafént 400 000, 181000, 144000, 140000 és 119000 ISI-indexelt cikkben említették 2018. szeptemberig. Ami a szabadalmakat illeti, A nanorészecskék, a nanocsövek, a nanokompozitok, a grafén és a nanohuzalok 45600, 32100, 12700, 12500 és 11800 szabadalomban játszottak szerepet. A globális piacon elérhető, körülbelül 7000 kereskedelmi forgalomban lévő nanoalapú termék nyomon követése során kiderült, hogy körülbelül 2330 termék tulajdonságait engedélyezték vagy javították a nanorészecskék. A liposzómák, nanoszálak, nanokolloidok és aerogélek szintén a leggyakoribb nanoanyagok közé tartoztak a fogyasztási cikkekben.

Az Európai Unió Nanomaterials Observatory (EUON) adatbázist ( NanoData ) készített, amely információkat tartalmaz a nanoanyagokra vonatkozó szabadalmakról, termékekről és kutatási kiadványokról.

Egészség és biztonság

Az Egészségügyi Világszervezet irányelvei

Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) 2017 végén közzétett egy iránymutatást a munkavállalók védelméről a gyártott nanoanyagok potenciális kockázata ellen. A WHO az egyik elővigyázatossági megközelítést alkalmazta. Ez azt jelenti, hogy a káros egészségügyi hatásokkal kapcsolatos bizonytalanság ellenére csökkenteni kell az expozíciót, ha erre ésszerű indokok vannak. Ezt a közelmúltbeli tudományos tanulmányok is kiemelik, amelyek azt mutatják, hogy a nanorészecskék képesek átjutni a sejtgátokon és kölcsönhatásba lépni a sejtszerkezetekkel. Ezenkívül az ellenőrzések hierarchiája fontos vezérelv volt. Ez azt jelenti, hogy amikor választani lehet az ellenőrzési intézkedések között, akkor mindig azokat az intézkedéseket kell előnyben részesíteni, amelyek a probléma gyökeréhez közelebb állnak, mint a munkavállalókat nagyobb terhet róó intézkedések, például az egyéni védőeszközök (PPE) használata. A WHO szisztematikus felülvizsgálatokat rendelt el minden fontos kérdésben, hogy felmérje a tudomány jelenlegi állását, és tájékoztassa az ajánlásokat a WHO útmutatók kidolgozására vonatkozó kézikönyvében meghatározott folyamat szerint. Az ajánlásokat a tudományos bizonyítékok minőségétől, értékeitől és preferenciáitól, valamint az ajánlással kapcsolatos költségektől függően "erősnek" vagy "feltételesnek" minősítették.

A WHO iránymutatásai a következő ajánlásokat tartalmazzák a gyártott nanoanyagok (MNM) biztonságos kezelésére vonatkozóan

A. MNM -ek egészségügyi veszélyeinek felmérése

A WHO azt javasolja, hogy a biztonsági adatlapokban való felhasználásra a vegyi anyagok osztályozásának és címkézésének globálisan harmonizált rendszere (GHS) szerint minden MNM -hez rendeljenek hozzá veszélyességi osztályokat. Korlátozott számú MNM esetében ez az információ elérhető az iránymutatásokban (erős ajánlás, közepes minőségű bizonyítékok).
A WHO azt javasolja, hogy frissítsék a biztonsági adatlapokat MNM-specifikus veszélyekkel kapcsolatos információkkal, vagy jelezzék, hogy mely toxikológiai végpontokban nem álltak rendelkezésre megfelelő vizsgálatok (erős ajánlás, közepes minőségű bizonyítékok).
A belélegezhető szálak és a szemcsés, bioperzisztens részecskék csoportjai esetében a GDG azt javasolja, hogy az azonos csoportba tartozó nanoanyagok ideiglenes osztályozására a rendelkezésre álló MNM-osztályozást használják (feltételes ajánlás, gyenge minőségű bizonyítékok).

B. MNM -eknek való kitettség értékelése

A WHO azt javasolja, hogy a munkavállalók munkahelyi expozícióját az MNM javasolt speciális foglalkozási expozíciós határértékéhez (OEL) használt módszerekhez hasonló módszerekkel értékeljék (feltételes ajánlás, gyenge minőségű bizonyítékok).
Mivel a munkahelyeken az MNM -ekre nincs specifikus szabályozási OEL -érték, a WHO azt javasolja, hogy értékeljék, hogy a munkahelyi expozíció meghaladja -e az MNM javasolt OEL -értékét. A javasolt OEL értékek listája az iránymutatások mellékletében található. A kiválasztott OEL-nek legalább annyira védőnek kell lennie, mint a törvényileg előírt OEL-nek az anyag tömeges formája esetén (feltételes ajánlás, gyenge minőségű bizonyíték).
Ha az MNM-ekre vonatkozó specifikus OEL-ek nem állnak rendelkezésre a munkahelyeken, a WHO lépésről lépésre javasolja az inhalációs expozíciót, először az expozíció lehetőségének felmérésével; másodszor, az alapvető expozíciós értékelés elvégzése, harmadszor pedig egy átfogó expozíciós értékelés elvégzése, például a Gazdasági Együttműködési és Fejlesztési Szervezet (OECD) vagy a Comité Européen de Normalization (az Európai Szabványügyi Bizottság, CEN) által javasolt (feltételes ajánlás, mérsékelt minőségi bizonyíték) ).
A bőrön keresztüli expozíció értékeléséhez a WHO megállapította, hogy nem áll rendelkezésre elegendő bizonyíték ahhoz, hogy a bőrön keresztül történő expozíció értékelésének egyik módszerét máshoz javasolja.

C. Az MNM -eknek való kitettség szabályozása

Elővigyázatossági megközelítés alapján a WHO azt javasolja, hogy az expozíció ellenőrzését az inhalációs expozíció megelőzésére összpontosítsák annak érdekében, hogy a lehető legnagyobb mértékben csökkentsék (erős ajánlás, közepes minőségű bizonyítékok).
A WHO azt javasolja, hogy csökkentsék az expozíciót olyan MNM -ekre, amelyeket következetesen mértek a munkahelyeken, különösen a tisztítás és karbantartás során, az anyag gyűjtését a reakcióedényekből és az MNM -ek táplálását a gyártási folyamatba. Toxikológiai információk hiányában a WHO a legmagasabb szintű ellenőrzések végrehajtását javasolja a munkavállalók bármilyen expozíciójának megakadályozása érdekében. Ha több információ áll rendelkezésre, a WHO azt javasolja, hogy személyre szabottabb megközelítést alkalmazzanak (határozott ajánlás, közepes minőségű bizonyítékok).
A WHO azt javasolja, hogy az ellenőrzési hierarchia elve alapján hozzanak ellenőrzési intézkedéseket, vagyis az első ellenőrző intézkedésnek az expozíció forrásának kiküszöbölésére kell irányulnia, mielőtt végrehajtaná a munkavállalók részvételétől jobban függő ellenőrző intézkedéseket, és az egyéni védőeszközöket csak végső megoldásként kell használni. Ezen elv szerint a mérnöki ellenőrzéseket akkor kell alkalmazni, ha nagy a belélegzés expozíciója, vagy ha nincs, vagy nagyon kevés toxikológiai információ áll rendelkezésre. Megfelelő műszaki ellenőrzés hiányában PPE-t kell használni, különösen a légzésvédőt, egy légzésvédelmi program részeként, amely magában foglalja az illeszkedést (erős ajánlás, közepes minőségű bizonyíték).
A WHO javasolja a bőrrel való érintkezés megelőzését munkahigiénés intézkedésekkel, például felülettisztítással és megfelelő kesztyű használatával (feltételes ajánlás, gyenge minőségű bizonyítékok).
Ha a munkahelyi biztonsági szakértő általi értékelés és mérés nem áll rendelkezésre, a WHO azt javasolja, hogy a nanoanyagok ellenőrzési sávját alkalmazzák a munkahelyi expozíció -ellenőrzési intézkedések kiválasztásához. A tanulmányok hiánya miatt a WHO nem javasolhat egy módszert az ellenőrzési sávozásra a másik felett (feltételes ajánlás, nagyon gyenge minőségű bizonyítékok).

Az Egészségügyi Felügyelet tekintetében a WHO nem tudott ajánlatot tenni a célzott MNM-specifikus egészségügyi felügyeleti programokra a meglévő, már használatban lévő egészségügyi felügyeleti programok helyett a bizonyítékok hiánya miatt. A WHO a munkavállalók képzését és a munkavállalók egészségügyi és biztonsági kérdésekben való részvételét a legjobb gyakorlatnak tartja, de a rendelkezésre álló tanulmányok hiánya miatt nem javasolhatja a munkavállalók egyik képzési formáját a másik helyett, vagy a munkavállalók egyik részvételi formáját a másik helyett. Várhatóan jelentős előrelépés lesz a validált mérési módszerek és a kockázatértékelés terén, és a WHO arra számít, hogy öt éven belül, 2022 -ben frissíti ezeket az irányelveket.

Egyéb útmutatás

Mivel a nanotechnológia a közelmúlt fejleménye, a nanoanyagoknak való kitettség egészségügyi és biztonsági hatásai, valamint az elfogadható expozíciós szintek folyamatos kutatások tárgyát képezik. A lehetséges veszélyek közül az inhalációs expozíció tűnik a legnagyobb aggodalomra. Állatkísérletek azt mutatják, hogy a szén nanocsövek és a szén nanoszálak tüdőhatásokat okozhatnak, beleértve a gyulladást , a granulomákat és a tüdőfibrózist , amelyek hasonló vagy nagyobb hatékonyságúak voltak, mint más ismert fibrogén anyagok, például szilícium -dioxid , azbeszt és az ultrafinom korom . Az egészséges állatok biológiailag lebomló szervetlen nanoanyagoknak való akut belélegzése nem mutatott jelentős toxicitási hatást. Bár nem ismert, hogy az állatokkal kapcsolatos adatok mennyiben képesek előre jelezni a klinikailag jelentős tüdőhatásokat a munkavállalóknál, a rövid távú állatkísérletekben észlelt toxicitás azt jelzi, hogy védőintézkedésekre van szükség az ilyen nanoanyagoknak kitett munkavállalók számára, bár tényleges egészségkárosító hatásokról nincs jelentés. Az ilyen nanoanyagokat használó vagy előállító munkavállalóknál 2013 -tól ismertek voltak. További aggodalmak közé tartozik a bőrrel való érintkezés és a lenyelés, valamint a porrobbanás veszélye.

Az elimináció és a helyettesítés a legkívánatosabb megközelítések a veszélyek ellenőrzésében . Míg a nanoanyagokat gyakran nem lehet megszüntetni vagy hagyományos anyagokkal helyettesíteni, lehetséges, hogy a nanorészecskék tulajdonságait, például méretét , alakját , funkcionalizációját , felületi töltését , oldhatóságát , agglomerációját és aggregációs állapotát választják , hogy javítsák toxikológiai tulajdonságaikat, miközben megtartják a kívánt funkcionalitás. A kezelési eljárásoknak is lehet javítani, például, egy nanoanyag zagy vagy szuszpenzió folyékony oldószerben helyett száraz por csökkenti a por expozíció. A műszaki vezérlés a munkahelyen végzett fizikai változtatások, amelyek elszigetelik a munkavállalókat a veszélyektől, főleg a szellőzőrendszereket, például füstelszívókat , kesztyűtartókat , biológiai biztonsági szekrényeket és szellőző mérlegházakat . Az adminisztratív ellenőrzések a munkavállalók viselkedésének megváltoztatása a veszély csökkentése érdekében, beleértve a nanoanyagok biztonságos kezelésével, tárolásával és ártalmatlanításával kapcsolatos bevált gyakorlatokra vonatkozó képzést, a veszélyek megfelelő felismerését a címkézés és a figyelmeztető jelzések segítségével, valamint az általános biztonsági kultúra ösztönzését . A munkavállaló testén egyéni védőfelszerelést kell viselni, és ez a legkevésbé kívánatos lehetőség a veszélyek kezelésére. A tipikus vegyi anyagokhoz általában használt egyéni védőeszközök szintén megfelelőek a nanoanyagokhoz, beleértve a hosszú nadrágot, hosszú ujjú inget és zárt orrú cipőt, valamint védőkesztyű , szemüveg és áthatolhatatlan laboratóriumi kabát használatát . Bizonyos esetekben légzőkészüléket lehet használni.

Az expozíció értékelése a szennyező anyagok kibocsátásának és a munkavállalóknak való kitettség nyomon követésére használt módszerek összessége. Ezek a módszerek magukban foglalják a személyes mintavételt, ahol a mintavevők a munkavállaló személyes légzési zónájában helyezkednek el, gyakran az ing gallérjához rögzítve, hogy a lehető legközelebb legyenek az orrhoz és a szájhoz; és terület/háttér mintavétel, ahol statikus helyeken vannak elhelyezve. Az értékelésnek mindkét részecske-számlálót kell használnia , amelyek figyelik a nanoanyagok és egyéb háttérrészecskék valós idejű mennyiségét; és szűrőalapú minták, amelyekkel azonosítani lehet a nanoanyagot, rendszerint elektronmikroszkópia és elemanalízis segítségével . 2016 -tól a legtöbb nanoanyag esetében nem határozták meg a mennyiségi foglalkozási expozíciós határértékeket . Az Egyesült Államok Nemzeti Munkavédelmi és Egészségügyi Intézete nem szabályozott javasolt expozíciós határértékeket határozott meg a szén nanocsövekre , a szén nanoszálakra és az ultrafinom titán-dioxidra . Más országok ügynökségei és szervezetei, köztük a Brit Szabványügyi Intézet és a Németországi Munkahelyi Biztonsági és Egészségügyi Intézet , egyes nanoanyagok esetében OEL -t állapítottak meg, és néhány vállalat szállított OEL -t termékeihez.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek

Európai Uniós Nanomaterial Observatory (EUON)
A nanoanyagokra vonatkozó, társadalmilag releváns adatok és megállapítások beszerzése, értékelése és nyilvános bemutatása (DaNa)
A gyártott nanoanyagok biztonsága: OECD Környezetvédelmi Igazgatóság
A nanoanyagok egészségügyi kockázatainak felmérése GreenFacts az Európai Bizottság SCENIHR értékelésének összefoglalója
Nemzetközi Liposzóma Társaság
Textiles nanotechnológiai laboratórium a Cornell Egyetemen
IOP.org cikk
Nano szerkezetű anyag
Online tanfolyam MSE 376-Nanomaterials, Mark C. Hersam (2006)
Nanoanyagok: Quantum Dots, Nanowires and Nanotubes online prezentáció Dr. Sands
Előadásvideók a második nemzetközi szimpóziumra a gyártott nanoanyagok kockázatértékeléséről , NEDO 2012
Nader Engheta: Hullám kölcsönhatás metamateriálisokkal , SPIE Newsroom 2016
A nanoanyagok kezelése a munkahelyen az Európai Munkahelyi Biztonsági és Egészségvédelmi Ügynökség által .

Languages

In other projects