Der Überblick über Nanomaterialien

Eine kurze Geschichte der Nano-Entwicklung

1959 sagte der berühmte Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman voraus, dass der Mensch kleinere Maschinen benutzen könnte, um noch kleinere Maschinen zu bauen, und dass er schließlich die Atome einzeln anordnen und Produkte einzeln nach menschlichen Wünschen herstellen könnte, was der früheste Traum der Nanotechnologie war.

Im Jahr 1991 gelang es Wissenschaftlern in den Vereinigten Staaten, Kohlenstoff-Nanoröhren zu synthetisieren, und sie stellten fest, dass diese nur ein Sechstel der Masse des gleichen Volumens von Stahl ausmachen und zehnmal so stark sind, weshalb sie als Superfaser bezeichnet werden. Die Entdeckung von Nanomaterialien markiert einen neuen Höhepunkt in der Entdeckung von Materialeigenschaften. Im Jahr 1999 erreichte der Jahresumsatz mit Nanoprodukten 50 Milliarden Dollar.

Was ist ein Nanomaterial?

Der Nanometer (nm) ist eine Längeneinheit, und ein Nanometer ist 10-9 Meter (Milliardstel Meter). Für makroskopische Materie ist der Nanometer eine sehr kleine Einheit. Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt in der Regel 7000-8000 nm, die roten Blutkörperchen des Menschen sind in der Regel 3000-5000 nm groß, und auch Viren haben in der Regel eine Größe von Dutzenden bis Hunderten von Nanometern, und die Korngröße von Metall liegt in der Regel im Mikrometerbereich. Für die mikroskopische Materie wie Atome, Moleküle usw., die früher in Angström ausgedrückt wurde, ist ein Angström der Durchmesser eines Wasserstoffatoms, und ein Nanometer entspricht 10 Angström.

Es wird allgemein davon ausgegangen, dass Nanomaterialien zwei grundlegende Bedingungen erfüllen sollten: Zum einen muss die charakteristische Größe von Nanomaterialien zwischen 1 und 100 nm liegen, und zum anderen müssen Nanomaterialien einige besondere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, durch die sie sich von normalgroßen Materialien unterscheiden.

Als Nanomaterialien werden Materialien bezeichnet, die im dreidimensionalen Raum mindestens eine Dimension in der Größenordnung von Nanometern (0,1-100 nm) aufweisen oder aus diesen als Grundeinheiten zusammengesetzt sind, was etwa der Größe von 10 bis 100 dicht aneinander gepackten Atomen entspricht. Gegenwärtig haben Nanomaterialien folgende Anwendungen.

Natürliche Nanomaterialien

Meeresschildkröten legen ihre Eier in der Nähe der Küste von Florida in den Vereinigten Staaten ab. Nach der Geburt müssen die Schildkrötenbabys jedoch in die Gewässer in der Nähe des Vereinigten Königreichs schwimmen, um zu überleben und auf der Suche nach Nahrung aufzuwachsen. Schließlich kehren die erwachsenen Tiere an die Küste Floridas zurück, um Eier zu legen. Es dauert etwa fünf bis sechs Jahre, um hin und her zu schwimmen. Warum sind Schildkröten in der Lage, Zehntausende von Kilometern zurückzulegen? Tatsächlich sind sie auf nanomagnetische Materialien in ihrem Kopf angewiesen, um richtig zu navigieren.

Biologen, die untersuchen, warum Lebewesen wie Tauben, Delfine, Schmetterlinge und Bienen sich nie verirren, haben ebenfalls Nanomaterialien in ihren Körpern gefunden, die sie leiten.

Nanoskalige magnetische Materialien

Die meisten der in der Praxis verwendeten Nanomaterialien sind künstlich. Aufgrund ihrer geringen Größe, der Single-Domain-Struktur und der hohen Koerzitivfeldstärke haben magnetische Aufzeichnungsmaterialien aus Nanopartikeln nicht nur eine bessere Tonqualität, ein besseres Bild und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis, sondern auch eine dutzendfach höhere Aufzeichnungsdichte alsγ-Fe2O3. Aus superparamagnetischen, stark magnetischen Nanopartikeln können auch magnetische Flüssigkeiten für elektroakustische Geräte, Dämpfungsvorrichtungen, rotierende Dichtungen, Schmierung und Mineralienaufbereitung hergestellt werden.

Nano-Keramikmaterial

Die Körner herkömmlicher keramischer Materialien lassen sich nicht so leicht verschieben, das Material ist spröde und die Sintertemperatur ist hoch, während Nanokeramik kleine Körner hat, die sich leicht über andere Körner bewegen. Daher haben Nanokeramiken eine hohe Festigkeit, eine hohe Zähigkeit und eine gute Duktilität, wodurch nanokeramische Materialien bei Raumtemperatur oder bei hohen Temperaturen kalt verarbeitet werden können.

Nanosensor

Nano-Zirkoniumdioxid, Nickeloxid, Titandioxid und andere Keramiken sind sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Infrarotstrahlung und Autoabgasen. Daher können sie zur Herstellung von Temperatursensoren, Infrarotdetektoren und Autoabgasdetektoren verwendet werden, die eine viel höhere Erkennungsempfindlichkeit haben als herkömmliche ähnliche Keramiksensoren.

Funktionsmaterialien mit Nano-Gradienten

In Wasserstoff- und Sauerstofftriebwerken für die Luft- und Raumfahrt muss die Innenfläche der Verbrennungskammer gegen hohe Temperaturen beständig sein, während die Außenfläche mit dem Kühlmittel in Berührung kommen muss. Daher sollte die innere Oberfläche aus Keramik bestehen, während die äußere Oberfläche aus Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen sollte. Allerdings lassen sich stückige Keramiken und Metalle nur schwer miteinander verbinden. Wenn die Zusammensetzung des Metalls und der Keramik während der Produktion schrittweise und kontinuierlich geändert wird, können Metall und Keramik "miteinander verbunden" und schließlich zu Gradienten-Funktionsmaterialien kombiniert werden. Wenn die Metall- und Keramik-Nanopartikel gemischt und durch Sintern geformt werden, je nachdem, wie sich ihr Gehalt allmählich ändert, können sie die Anforderungen an eine hohe Temperaturbeständigkeit im Inneren der Brennkammer und eine gute Wärmeleitfähigkeit nach außen erfüllen.

Nano-Halbleitermaterialien

Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumarsenid haben viele hervorragende Eigenschaften. Der Quanten-Tunneleffekt in Nano-Halbleitern führt beispielsweise dazu, dass der Elektronentransport einiger Halbleitermaterialien abnormal ist, die Leitfähigkeit abnimmt und die Wärmeleitfähigkeit mit abnehmender Partikelgröße sinkt, ja sogar ein negativer Wert auftritt. All diese Eigenschaften spielen eine wichtige Rolle im Bereich der "Large Scale Integrated Circuit" (Lsi) und optoelektronischen Geräte. Da die von Nano-Halbleiterteilchen unter Lichteinstrahlung erzeugten Elektronen und Löcher eine starke Reduktions- und Oxidationskapazität haben, können sie giftige anorganische Substanzen oxidieren, die meisten organischen Substanzen abbauen und schließlich ungiftiges, geruchloses Kohlendioxid, Wasser usw. erzeugen. Daher können Halbleiter-Nanopartikel als Katalysator für die Zersetzung von anorganischen und organischen Stoffen durch Sonnenenergie eingesetzt werden.

Nanokatalytisches Material

Nanopartikel sind ein hervorragender Katalysator. Die Nanopartikel sind klein, haben einen großen Volumenanteil auf der Oberfläche, unterscheiden sich im chemischen Bindungszustand und im elektronischen Zustand auf der Oberfläche und sind unvollständig in der Koordination der Atome auf der Oberfläche, was zu einer Erhöhung der aktiven Position auf der Oberfläche führt, was sie als Katalysator qualifiziert.

Die Hydrierung von Nickel- oder Kupfer-Zink-Nanopartikeln zu einigen organischen Stoffen ist ein ausgezeichneter Katalysator und kann teure Platin- oder Palladiumkatalysatoren ersetzen. Mit dem Nanokatalysator Platinschwarz kann die Reaktionstemperatur bei der Ethylenoxidation von 600 ℃ auf Raumtemperatur gesenkt werden.

Medizinische Anwendungen

Die roten Blutkörperchen im Blut sind 6 000 bis 9 000 nm groß, während die Nanopartikel nur wenige Nanometer groß sind, also viel kleiner als die roten Blutkörperchen, so dass sie sich frei im Blut bewegen können. Wenn verschiedene therapeutische Nanopartikel in verschiedene Körperteile injiziert werden, können diese untersucht und behandelt werden, was wirksamer ist als herkömmliche Injektionen und Medikamente.

Kohlenstoffmaterialien sind im Blut gut löslich. Im 21. Jahrhundert werden künstliche Herzklappen mit einer Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff oder diamantartigem Kohlenstoff auf das Trägermaterial aufgebracht. Dieses Abscheideverfahren ist jedoch komplex und im Allgemeinen nur für die Herstellung von harten Materialien geeignet.

Der interventionelle Gassack und der Katheter werden im Allgemeinen aus einem hochelastischen Polyurethanmaterial hergestellt. Durch das Einbringen von Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem hohen Längen-Durchmesser-Verhältnis und reinen Kohlenstoffatomen in ein hochelastisches Polyurethan können wir dafür sorgen, dass dieses Polymermaterial seine ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften beibehält und sich leicht verarbeiten und formen lässt, wodurch eine bessere Blutlöslichkeit erzielt werden kann.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Nanokomposit weniger wahrscheinlich eine Hämolyse verursacht und weniger wahrscheinlich die Blutplättchen aktiviert. Der Einsatz der Nanotechnologie kann den Produktionsprozess von Medikamenten immer mehr verfeinern und die Anordnung von Atomen und Molekülen im Maßstab von Nanomaterialien direkt nutzen, um Medikamente mit spezifischen Funktionen herzustellen; Nanopartikel werden den Transport von Medikamenten durch den Körper erleichtern, wobei intelligente, in Schichten von Nanopartikeln verpackte Medikamente aktiv nach Krebszellen suchen und diese angreifen oder beschädigtes Gewebe reparieren können; neue Diagnoseinstrumente, die die Nanotechnologie nutzen, können Krankheiten anhand von Proteinen und DNA in einer kleinen Blutmenge erkennen. Die besonderen Eigenschaften von Nanopartikeln können auf der Oberfläche von Nanopartikeln modifiziert werden, um einige Medikamententransportträger mit gezielter, kontrollierbarer Freisetzung und einfacher Erkennung zu bilden, die eine neue Methode für die Behandlung lokaler pathologischer Veränderungen im Körper bieten und eine neue Richtung für die Arzneimittelentwicklung eröffnen.

Nanomechanischer Computer

Der erste elektronische Computer der Welt wurde 1945 geboren, er wurde erfolgreich gemeinsam von amerikanischen Universitäten und der Armee entwickelt, eine Aufteilung der 18 000 Röhren, das Gesamtgewicht von 30 t, umfasst eine Fläche von etwa 170 ㎡. Es ist ein Jumbo, aber es kann nur 5.000 Operationen in 1 Sekunde durchführen.

Nach einem halben Jahrhundert hat die Entwicklung der integrierten Schaltkreistechnik, der Mikroelektronik, der Informationsspeichertechnik, der Computersprache und der Programmiertechnik rasche Fortschritte in der Computertechnik gemacht. Die heutigen Computer sind klein genug, um auf einen Tisch zu passen. Sie wiegen eine Zehntelmillion mal mehr als ihre Vorgänger, sind aber viel schneller als die ersten elektronischen Computer.

Wenn die Nanotechnologie zum Bau von elektronischen Computern eingesetzt wird, wird der Computer der Zukunft eine Art "molekularer Computer" sein. Er ist viel kompakter als die heutigen Computer und wird der Gesellschaft erhebliche Vorteile bringen, da er Material und Energie spart.

Speicherchips der Nanomaterialklasse, die Kartenleser auf Festplatten lesen können und tausendmal mehr Speicherplatz als Chips haben, werden bereits produziert. Computer können durch den weit verbreiteten Einsatz von Nanomaterialien auf die Größe eines Palmtops geschrumpft werden.

CNT (Kohlenstoff-Nanoröhrchen)

1991 stellten japanische Experten ein Material namens Kohlenstoff-Nanoröhrchen her. Es handelt sich um eine Röhre, die aus einer Reihe sechseckiger, kreisförmiger Kohlenstoffatome besteht, oder um mehrere koaxiale Röhren. Die beiden Enden der ein- und mehrschichtigen Röhren sind oft versiegelt, wie hier gezeigt.

Der Durchmesser und die Rohrlänge dieses aus Kohlenstoffatomen bestehenden Rohrs sind nanoskalig, weshalb es auch als Kohlenstoff-Nanoröhre bezeichnet wird. Seine Zugfestigkeit ist 100-mal höher als die von Stahl und seine Leitfähigkeit ist höher als die von Kupfer.

Kohlenstoff-Nanoröhren in der Luft auf 700 ℃ oder so erhitzt, um das Rohr an der Spitze der zangenartigen Gerät des Kohlenstoffatoms durch Oxidation Schäden zu machen, wurde offen Kohlenstoff-Nanoröhren. Dann wird das niedrig schmelzende Metall (z. B. Blei) durch den Elektronenstrahl verdampft und kondensiert auf dem offenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Durch das Siphonieren gelangt das Metall in den hohlen Kern der Kohlenstoff-Nanoröhre. Aufgrund des extrem kleinen Durchmessers von Kohlenstoffnanoröhren sind auch die im Inneren der Röhren gebildeten Metalldrähte sehr dünn. Sie werden als Nanodrähte bezeichnet. Daher können Kohlenstoff-Nanoröhren in Kombination mit Nanodrähten zu neuen Supraleitern werden.

Die Nanotechnologie befindet sich in vielen Ländern der Welt noch in den Kinderschuhen. In einigen Ländern wie den Vereinigten Staaten, Japan und Deutschland hat sie zwar bereits Gestalt angenommen, befindet sich aber noch im Forschungsstadium, und neue Theorien und Technologien sind noch im Entstehen.

Haushaltsgeräte

Der multifunktionale Nanokunststoff aus Nanomaterialien hat antibakterielle, desodorierende, antiseptische, alterungshemmende und UV-schützende Eigenschaften und kann als antibakterieller desodorierender Kunststoff im Gehäuse von Kühlschränken und Klimaanlagen verwendet werden.

Schutz der Umwelt

Es wird Nanomembranen mit einzigartigen Funktionen auf dem Gebiet der Umweltwissenschaften geben. Die Membran kann Verschmutzungen durch chemische und biologische Stoffe erkennen und diese filtern, um die Verschmutzung zu beseitigen.

Textilindustrie

Nano-SiO2, Nano-ZnO und Nano-SiO2 Komposit-Pulvermaterialien werden dem Kunstfaserharz hinzugefügt. Nach dem Ziehen und Weben können die Unterwäsche und die Kleidungsstücke sterilisiert, vor Schimmel geschützt, desodoriert und gegen ultraviolette Strahlung beständig gemacht werden. Außerdem kann es bei der Herstellung von antibakterieller Unterwäsche und Zubehör verwendet werden, und es kann so hergestellt werden, dass es den Anforderungen der Verteidigungsindustrie an eine Funktionsfaser gegen ultraviolette Strahlung entspricht.

Technische Industrie

Die Nanopulverbeschichtung auf der Metalloberfläche wichtiger mechanischer Teile wird eingesetzt, um die Verschleißfestigkeit, Härte und Lebensdauer von mechanischen Geräten zu verbessern.