Nanomaterial
Els nanomateriales són materials en propietats morfològiques més chicotetes que 1 µm en a lo manco una dimensió.[1] A pesar del fet de que no hi ha consens sobre el tamany mínim o màxim d'un nanomaterial, alguns autors restringixen el seu tamany d'1 a 100 nm, una definició llògica situaria la nanoescala entre la microescala (1 µm) i l'escala atòmica/molecular (al voltant de 0.2 nm).
El 18 d'octubre de 2011, la Comissió Europea va adoptar la següent definició de nanomaterial: Un nanomaterial és un material —ya siga natural, generat de forma accidental o fabricat— que conté partícules que poden estar disperses, agregades o aglomeradas, i en el que a lo manco el 50% d'eixes partícules presenta una o més dimensions externes entre 1 i 100 nanómetros.
En situacions especials, i per motius relacionats en el mig ambient, la salut, la seguritat o la competitivitat, este percentage mínim del 50% pot reduir-se i situar-se entre el 1% i el 50%.[2]
Conceptes fonamentals
[editar | editar còdic]Un aspecte únic de la nanotecnología és l'enorme raó de superfície a volum present en molts materials en nanoescala que propicia l'aparició de nous efectes mecànic quàntics, per eixemple, el "efecte de tamany de quant" en el que les propietats electròniques dels sòlits es veu alterada en una gran reducció en el tamany de les partícules. Este efecte no té importància en anar de macro a micro dimensions. No obstant, es torna dominant quan la nanoescala és alcançada. Ademés, vàries propietats físiques canvien quan es compara en sistemes macroscòpics. Les noves propietats dels nanomateriales és el subjecte de l'investigació nanomecánica. Les seues activitats catalítiques revelen noves propietats en l'interacció en biomateriales.
La nanotecnología pot ser imaginada com l'extensió de les disciplines tradicionals cap a la consideració explícita de les mencionades propietats. Ademés, les disciplines tradicionals poden ser reinterpretades com a aplicacions específiques d'nanotecnología. Esta reciprocitat dinàmica d'idees i conceptes contribuïx a la comprensió moderna del camp. Àmpliament parlant, la nanotecnología és la síntesis i aplicació d'idees provinents de la ciència i l'ingenieria cap a la comprensió i producció de materials i dispositius nous.
Els materials reduïts a la nanoescala poden súbitamente mostrar propietats molt diferents a les que exhibixen en una macroescala, possibilitant aplicacions úniques. Per eixemple, substàncies opaques es tornen transparents (coure); materials inertes es transformen en catalisadors (platí); materials estables es transformen en combustibles (alumini); sòlits es tornen líquits a temperatura ambiente (or); aïllants es tornen conductors (silicona). Materials com l'or, que és químicament inerte en escales normals, poden servir com catalisadors a nanoescalas. Molta de la fascinació que produïx la nanotecnología prové d'estos peculiars fenomens quàntics i de superfície que la matèria exhibix en nanoescala.
Partícules de pols de tamany nanométrico (també cridades nanopartículas) són potencialment importants en la ceràmica i la pulvimetalurgia, el guany de nanoporosidad uniforme i atres aplicacions similars. La forta tendència de chicotetes partícules de formar grups és un sério problema tecnològic que impedix tals aplicacions. No obstant, alguns dispersores com el citrato d'amoníac (acuoso) i l'alcohol oleico (no acuoso) són aditius prometedors per a la desaglomeración.
Els nanomateriales poden ser subdivididos en nanopartículas, nanocapas i nanocompuestos. L'enfocament dels nanomateriales és una aproximació des d'avall cap a dalt a les estructures i efectes funcionals de manera que la construcció de blocs de materials són dissenyats i ensamblados de forma controlada.
Un recent informe de Small Claves prediu un fort creiximent dels denominats nanomateriales. En el mateix es comenten els diferents tipos existents en l'actualitat (tals com les nanoarcillas per a reforçar plàstics) o els nanotubos de carbono per a agregar conductivitat a varis materials.
Molts d'estos alvanços els estan portant a terme empreses nortamericanes chicotetes i mijanes en colaboració en empreses líders.
Existixen tres categories bàsiques de nanomateriales des del punt de vista comercial i desenroll: òxits metàlics, nanoarcillas i nanotubos de carbono. Els que més han alvançat des del punt de vista comercial són les nanopartículas d'òxit metàlic.
Tipos
[editar | editar còdic]Els nanoobjetos se solen classificar en funció de quantes de les seues dimensions entren en la nanoescala. Una nanopartícula es definix com un nanoobjeto en les tres dimensions externes en la nanoescala, els eixos de la qual més llarc i més curt no diferixen significativament.
Dimensions
La classificació dels nanomateriales depén de quantes de les seues tres dimensions espacials es troben en l'escala nanométrica [3]
| Estructura | Tipo de nanomateriales |
|---|---|
| Zero dimensions |
|
| Una dimensió |
|
| Dos dimensions |
|
| Tres dimensions |
|
Una nanofibra té dos dimensions externes en la nanoescala, sent els nanotubos nanofibras huecas i els nanorods nanofibras sòlides. Una nanoplaca/nanohoja té una dimensió externa en la nanoescala,[4] i si les dos dimensions majors són significativament diferents es denomina nanocinta. En el cas de les nanofibras i les nanoplacas, les atres dimensions poden estar o no en la nanoescala, pero deuen ser significativament majors. En tots estos casos, s'observa que una diferència significativa sol ser a lo manco un factor de 3.[5]
Els materials nanoestructurados solen classificar-se segons les fases de la matèria que continguen. Un nanocompuesto és un sòlit que conté a lo manco una regió o conjunt de regions física o químicament distintes, en a lo manco una dimensió en la nanoescala. Una nanoespuma té una matriu líquida o sòlida, reblix d'una fase gaseosa, a on una de les dos fases té dimensions en la nanoescala. Un material nanoporoso és un material sòlit que conté nanoporos, buits en forma de poros oberts o tancats de llongituts submicrónicas. Un material nanocristalino té una fracció significativa de grans de cristal en la nanoescala.[6]
Materials nanoporosos
[editar | editar còdic]El terme materials nanoporosos engloba subconjunts de materials microporosos i mesoporosos. Els materials microporosos són materials porosos en un tamany mig de poro inferior a 2 nm, mentres que els materials mesoporosos són aquells en tamanys de poro en la regió de 2-50 nm.[7] Els materials microporosos presenten tamanys de poro en una escala de llongitut comparable a la de les molècules menudes. Per este motiu, estos materials poden tindre aplicacions valioses, com les membranes de separació. Els materials mesoporosos són interessants per a aplicacions que requerixen una elevada superfície específica, a l'hora que permeten la penetració de molècules que poden ser massa grans per a entrar en els poros d'un material microporoso. En algunes fonts, els materials nanoporosos i la nanoespuma es consideren a voltes nanoestructuras, pero no nanomateriales, perque només els buits, i no els materials en sí, són d'escala nanométrica.[8] Encara que la definició de la ISO només considera nanopartículas els nanoobjetos redons, atres fonts utilisen el terme nanopartícula per a totes les formes.[9]
Nanopartículas
[editar | editar còdic]Artícul principal: Nanopartículas
Les nanopartículas tenen les tres dimensions en la nanoescala. Les nanopartículas també poden incrustar-se en un sòlit per a formar un nanocompuesto.[8]
Fullerenos
[editar | editar còdic]Artícul principal: Fullereno
Els fullerenos són una classe d'alótropos del carbono que conceptualment són làmines de grafeno enrolladas en tubos o esferes. Entre ells es troben els nanotubos de carbono (o nanotubos de silici), interessants tant per la seua resistència mecànica com per les seues propietats elèctriques.[10]
La primera molècula de fullereno descoberta i homònima de la família, el buckminsterfullereno (C60), va ser preparada en 1985 per Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O'Brien i Harold Kroto en l'Universitat Rulle. El nom era un homenage a Buckminster Fuller, a que les seues cúpules geodèsiques s'assembla. Des de llavors, s'ha descobert que els fullerenos estan presents en la naturalea.[11] Més recentment, s'han detectat fullerenos en l'espai exterior.[12]
Durant l'última década, les propietats químiques i físiques dels fullerenos han segut un tema candente en el camp de l'investigació i el desenroll, i és provable que ho seguixquen sent durant molt temps. En abril de 2003, s'estaven estudiant possibles usos medicinals dels fullerenos: unir antibiòtics específics a l'estructura de bactèries resistents i inclús dirigir-se a certs tipos de cèlules canceroses, com les del melanoma. El número d'octubre de 2005 de Chemistry and Biology conté un artícul en el que es descriu l'us dels fullerenos com a agents antimicrobianos activats per la llum. En el camp de la nanotecnología, la resistència a la calor i la superconductividad són algunes de les propietats que susciten una intensa investigació.
Un método habitual per a produir fullerenos consistix en enviar una gran corrent entre dos electrodos de grafit propencs en una atmòsfera inerte. L'arc de plasma de carbono resultant entre els electrodos es gela fins a formar un residu de suja del que es poden aïllar molts fullerenos.
S'han realisat molts càlculs en métodos quàntics ab-initio aplicats als fullerenos. Per mig de métodos DFT i TDDFT es poden obtindre espectres IR, Raman i UV. Els resultats d'estos càlculs poden comparar-se en els experimentals.
Nanopartículas metàliques
[editar | editar còdic]Els nanomateriales inorgànics (per eixemple, punts quàntics, nanocables i nanorods), per les seues interessants propietats òptiques i elèctriques, podrien utilisar-se en optoelectrònica. Ademés, les propietats òptiques i electròniques dels nanomateriales, que depenen del seu tamany i forma, poden ajustar-se per mig de tècniques sintètiques. Existixen possibilitats d'utilisar eixos materials en dispositius optoelectrònics basats en materials orgànics, com cèlules solars orgàniques, OLED, etc. Els principis de funcionament d'estos dispositius es rigen per processos fotoinducidos com la transferència d'electrons i la transferència d'energia. El rendiment dels dispositius depén de l'eficiència del procés fotoinducido responsable del seu funcionament. Per lo tant, és necessari comprendre millor eixos processos fotoinducidos en sistemes composts de nanomateriales orgànics/inorgànics per a poder utilisar-los en dispositius optoelectrònics.
Les nanopartículas o nanocristales de metals, semiconductors o òxits revisten especial interés per les seues propietats mecàniques, elèctriques, magnètiques, òptiques i químiques, entre unes atres.[13][14] Les nanopartículas s'han utilisat com punts quàntics i com catalisadors químics, com els catalisadors basats en nanomateriales. Últimament s'estan investigant diverses nanopartículas per a aplicacions biomèdiques com l'ingenieria de teixits, l'administració de fàrmacs o els biosensores.[15][16]
Les nanopartículas són de gran interés científic perque constituïxen un pont entre els materials a granel i les estructures atòmiques o moleculars. Un material a granel deuria tindre propietats físiques constants independentment del seu tamany, pero a escala nanométrica açò no sol ser aixina. S'observen propietats que depenen del tamany, com el confinament quàntic en partícules semiconductoras, la resonància plasmónica superficial en algunes partícules metàliques i el superparamagnetismo en materials magnètics.
Les nanopartículas presenten una série de propietats especials en relació en el material a granel. Per eixemple, la flexión del coure a granel (aram, cinta, etc.) es produïx en el moviment d'àtoms/grups de coure a una escala aproximada de 50 nm. Les nanopartículas de coure de menys de 50 nm es consideren materials superduros que no presenten la mateixa maleabilidad i ductilitat que el coure a granel. El canvi de propietats no sempre és desijable. Els materials ferroeléctricos de menys de 10 nm poden canviar la seua direcció de polarisació utilisant energia tèrmica a temperatura ambiente, lo que els fa inútils per a l'almagasenament de memòria. Les suspensions de nanopartículas són possibles perque l'interacció de la superfície de la partícula en el dissolvent és lo suficientment fort com per a superar les diferències de densitat, que normalment fan que un material s'afone o sure en un líquit. Les nanopartículas solen tindre propietats visuals inesperades perque són lo prou chicotetes com per a confinar els seus electrons i produir efectes quàntics. Per eixemple, les nanopartículas d'or apareixen entre roig obscur i negre en solució.
La relació superfície/volum de les nanopartículas, a sovint molt elevada, proporciona una enorme força motriu per a la difusió, especialment a temperatures elevades. La sinterización és possible a temperatures més baixes i durant periodos més curts que en el cas de partícules més grans. En teoria, açò no afecta a la densitat del producte final, encara que les dificultats de fluix i la tendència de les nanopartículas a aglomerarse compliquen les coses. Els efectes superficials de les nanopartículas també reduïxen la temperatura de fusió incipient.
Nanoestructuras unidimensionals
[editar | editar còdic]Els fils cristalins més menuts possibles, en una secció travessera tan chicoteta com la d'un àtom, poden fabricar-se en confinament cilíndric.[17][18][19] Els nanotubos de carbono, una nanoestructura natural semidimensional, poden utilisar-se com a plantilla per a la síntesis. El confinament proporciona estabilisació mecànica i evita que les cadenes atòmiques llineals es desintegren; es preveu que atres estructures de nanohilos 1D siguen mecánicamente estables inclús en aïllar-les de les plantilles.[20][21]
Nanoestructuras bidimensionales
[editar | editar còdic]Els materials 2D són materials cristalins formats per una sola capa bidimensional d'àtoms. El representant més important, el grafeno, es va descobrir en 2004. Les películes primes en gruixa a nanoescala es consideren nanoestructuras, pero a voltes no es consideren nanomateriales perque no existixen separades del substrat.[8][22]
Materials nanoestructurados a granel
[editar | editar còdic]Alguns materials a granel contenen característiques a nanoescala, com els nanocompuestos, els materials nanocristalinos, les películes nanoestructuradas i les superfícies nanotexturizadas.[8]
La nanoestructura de grafeno en forma de caixa (BSG) és un eixemple de nanomaterial tridimensional.[23] La nanoestructura BSG ha aparegut despuix de l'escissió mecànica del grafit pirolítico. Esta nanoestructura és un sistema multicapa de nanocanales buits paralels situats a lo llarc de la superfície i en secció travessera quadrangular. La gruixa de les parets dels canals és aproximadament igual a 1 nm. L'esgambi típic de les facetes dels canals és d'uns 25 nm.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Cristina Buzea, Ivan Pacheco, and Kevin Robbie "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity" Biointerphases 2 (1007) MR17-MR71.
- ↑ Nanomaterials. European Commission. Last updated 18 October 2011
- ↑ Silva Yumi, J. E., & Medina S., C. A. (2024). Materials i nanomateriales: Principis, aplicacions i tècniques de caracterisació. CIMOGSYS - ESPOCH. http://cimogsys.espoch.edu.ec/direccion-publicacions/public/docs/books/2024-07-24-131511-Materials%20i%20nanomateriales.pdf
- ↑ “Structural, functional and magnetic ordering modifications in graphene oxide and graphite by 100 MeV gold ion irradiation” (2020). Vacuum 182. doi:. Bibcode: 2020Vacuu.182j9700R.
- ↑ «ISO/TS 80004-2:2015 - Nanotechnologies – Vocabulary – Part 2: Nano-objects».
- ↑ «ISO/TS 80004-4:2011 - Nanotechnologies – Vocabulary – Part 4: Nanostructured materials».
- ↑ “Bispropylurea bridged polysilsesquioxane: A microporous MOF-likematerial for molecular recognition” (2021). Chemosphere 276: 130181. doi:. PMID 33735650. Bibcode: 2021Chmsp.276m0181D.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 «Eighth Nanoforum Report: Nanometrology» págs. 13–14. Archivat des d'el original, el 20 d'octubre de 2007. Consultat el 26 de maig de 2023.
- ↑ Nanotechnology Standards (en en), Springer, New York, NY, pp. 21–52. doi:10.1007/978-1-4419-7853-0_2. ISBN 9781441978523.
- ↑ «Fullerenes». Encyclopædia Britannica.
- ↑ “Fullerenes from the Geological Environment” (1992). Science 257 (5067): 215–7. doi:. PMID 17794751. Bibcode: 1992Sci...257..215B.
- ↑ “Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula” . Science 329 (5996): 1180–2. doi:. PMID 20651118. Bibcode: 2010Sci...329.1180C.
- ↑ “Stability and conductivity of self assembled wires in a transverse electric field” . Sci. Rep. 5: 15044. doi:. PMID 26463476. Bibcode: 2015NatSR...515044S.
- ↑ “Gap size dependence of the dielectric strength in nano vacuum gaps” . IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 20 (4): 1467–1471. doi:.
- ↑ “Variable Dopage Induïxes Mechanism Swapping in Electrogenerated Chemiluminescence of Ru(bpy)32+ Core−Shell Silica Nanoparticles” (2016). J. Am. Chem. Soc. 138 (49): 15935–15942. doi:. PMID 27960352.
- ↑ “Nanomaterials for Engineering Stem Cell Responses” . Advanced Healthcare Materials 4 (11): 1600–27. doi:. PMID 26010739.
- ↑ “Atomic structure and dynamic behaviour of truly one-dimensional ionic chains inside carbon nanotubes” (2014). Nat. Mater. 13 (11): 1050–1054. doi:. PMID 25218060. Bibcode: 2014NatMa..13.1050S.
- ↑ “Single-Atom Scale Structural Selectivity in Et Nanowires Encapsulated inside Ultranarrow, Single-Walled Carbon Nanotubes” (2017). ACS Nano 11 (6): 6178–6185. doi:. PMID 28467832.
- ↑ “Electronic Structure Control of Sub-nanometer 1D SnTe via Nanostructuring within Single-Walled Carbon Nanotubes” (2018). ACS Nano 12 (6): 6023–6031. doi:. PMID 29782147.
- ↑ “Single-Atom Scale Structural Selectivity in Et Nanowires Encapsulated inside Ultranarrow, Single-Walled Carbon Nanotubes” (2017). ACS Nano 11 (6): 6178–6185. doi:. PMID 28467832.
- ↑ “Electronic Structure Control of Sub-nanometer 1D SnTe via Nanostructuring within Single-Walled Carbon Nanotubes” (2018). ACS Nano 12 (6): 6023–6031. doi:. PMID 29782147.
- ↑ "Structural, functional and magnetic ordering modifications in graphene oxide and graphite by 100 MeV gold ion irradiation". Vacuum. 182: 109700. 2020-12-01. doi:10.1016/j.vacuum.2020.109700
- ↑ “STM observation of a box-shaped graphene nanostructure appeared after mechanical cleavage of pyrolytic graphite” . Applied Surface Science 360: 451–460. doi:. Bibcode: 2016ApSS..360..451L.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Nanomaterial» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.