Visão geral dos nanomateriais

Um breve histórico do desenvolvimento da nanotecnologia

Em 1959, o famoso físico e ganhador do Prêmio Nobel Richard Feynman previu que os seres humanos poderiam usar máquinas menores para fabricar máquinas ainda menores e, por fim, organizar os átomos um de cada vez e fabricar produtos um de cada vez de acordo com os desejos humanos, o que foi o primeiro sonho da nanotecnologia.

Em 1991, cientistas dos Estados Unidos sintetizaram com sucesso nanotubos de carbono e descobriram que eles tinham apenas um sexto da massa do mesmo volume de aço e eram dez vezes mais fortes, por isso são chamados de superfibras. A descoberta dos nanomateriais marca um novo patamar na descoberta das propriedades dos materiais. Em 1999, o faturamento anual dos nanoprodutos atingiu US$ 50 bilhões.

O que é o nanomaterial?

O nanômetro (nm) é uma unidade de comprimento, e um nanômetro tem 10-9 metros (bilionésimo de metro). Para a matéria macroscópica, o nanômetro é uma unidade muito pequena. O diâmetro do cabelo humano é geralmente de 7.000 a 8.000 nm, enquanto as células vermelhas do sangue humano são geralmente de 3.000 a 5.000 nm, e o vírus em geral também tem de dezenas a centenas de nanômetros, e o tamanho do grão do metal está geralmente na escala de mícrons. Para a matéria microscópica, como átomos, moléculas etc., que costumava ser expressa em angstrom, um angstrom é o diâmetro de um átomo de hidrogênio, e um nanômetro é 10 angstrom.

Em geral, acredita-se que os nanomateriais devam incluir duas condições básicas: uma é que o tamanho característico dos nanomateriais esteja entre 1 e 100 nm, e a outra é que os nanomateriais tenham algumas características físicas e químicas especiais que diferenciam os materiais de tamanho normal no momento.

Os nanomateriais se referem a materiais que têm pelo menos uma dimensão do tamanho de um nanômetro (0,1-100 nm) no espaço tridimensional ou são compostos por eles como unidades básicas, o que equivale ao tamanho de 10 a 100 átomos compactados juntos. Atualmente, os nanomateriais têm as seguintes aplicações.

Nanomateriais naturais

As tartarugas marinhas põem seus ovos perto da costa da Flórida, nos Estados Unidos. No entanto, após o nascimento, os bebês tartarugas precisam nadar até as águas próximas ao Reino Unido para sobreviver e crescer em busca de alimentos. Por fim, os adultos retornam à costa da Flórida para botar ovos. A viagem de ida e volta leva cerca de cinco a seis anos. Por que as tartarugas são capazes de viajar dezenas de milhares de quilômetros? Na verdade, elas dependem de materiais nanomagnéticos dentro de suas cabeças para navegar corretamente.

Os biólogos que estudam por que criaturas como pombos, golfinhos, borboletas e abelhas nunca se perdem também encontraram nanomateriais em seus corpos para orientá-los.

Materiais magnéticos em nanoescala

A maioria dos nanomateriais usados na prática é artificial. Devido ao seu tamanho pequeno, à estrutura de domínio único e à alta coercividade, o material de gravação magnética feito de nanopartículas não só é melhor em termos de qualidade de som, imagem e relação sinal-ruído, mas também tem uma densidade de gravação dezenas de vezes maior do que o Fe2O3. As nanopartículas magnéticas fortes e superparamagnéticas também podem ser transformadas em líquidos magnéticos para as áreas de dispositivos eletroacústicos, dispositivos de amortecimento, vedação rotativa, lubrificação e tratamento de minerais.

Material nano cerâmico

O grão do material cerâmico tradicional não é fácil de deslizar, o material é frágil e a temperatura de sinterização é alta, enquanto a nanocerâmica tem grãos pequenos que se movem facilmente sobre outros grãos. Portanto, a nanocerâmica tem alta resistência, alta tenacidade e boa ductilidade, o que faz com que os materiais de nanocerâmica possam ser processados a frio em temperatura ambiente ou sob alta temperatura.

Nanosensor

A nanozircônia, o óxido de níquel, o dióxido de titânio e outras cerâmicas são muito sensíveis a mudanças de temperatura, infravermelho e escapamento de automóveis. Como resultado, elas podem ser usadas para fabricar sensores de temperatura, detectores de infravermelho e detectores de escapamento de automóveis, com sensibilidade de detecção muito maior do que os sensores de cerâmica similares comuns.

Materiais funcionais de nano gradiente

Nos motores aeroespaciais a hidrogênio e oxigênio, a superfície interna da câmara de combustão precisa ser resistente a altas temperaturas e a superfície externa deve estar em contato com o líquido de arrefecimento. Portanto, a superfície interna deve ser feita de cerâmica, enquanto a superfície externa deve ser feita de metal com boa condutividade térmica. No entanto, cerâmicas e metais irregulares são difíceis de unir. Se a composição do metal e da cerâmica for alterada gradual e continuamente durante a produção, o metal e a cerâmica poderão ser "conectados uns aos outros" e, por fim, poderão ser combinados para formar materiais funcionais gradientes. Quando as nanopartículas de metal e cerâmica são misturadas e formadas por sinterização de acordo com a exigência de alteração gradual de seu conteúdo, é possível atender à exigência de resistência a altas temperaturas dentro da câmara de combustão e boa condutividade térmica fora dela.

Materiais semicondutores nano

Os materiais semicondutores, como o silício e o arseneto de gálio, têm muitas propriedades excelentes. Por exemplo, o efeito de tunelamento quântico no nanossemicondutor torna o transporte de elétrons de alguns materiais semicondutores anormal, a condutividade diminui e a condutividade térmica diminui à medida que o tamanho da partícula diminui, até mesmo o valor negativo aparece. Todas as características acima desempenham um papel importante no campo de dispositivos de circuito integrado de grande escala (Lsi) e dispositivos optoeletrônicos. Como os elétrons e buracos gerados pelas partículas nanossemicondutoras sob irradiação de luz têm forte capacidade de redução e oxidação, eles podem oxidar as substâncias inorgânicas tóxicas, degradar a maioria das substâncias orgânicas e, por fim, produzir dióxido de carbono, água, etc., não tóxicos e inodoros. Portanto, as nanopartículas semicondutoras podem ser usadas para catalisar a decomposição da matéria inorgânica e orgânica por meio da energia solar.

Material nanocatalítico

As nanopartículas são um excelente catalisador. As nanopartículas são pequenas em tamanho, grandes em fração de volume na superfície, diferentes em estado de ligação química e estado eletrônico na superfície, e incompletas na coordenação de átomos na superfície, resultando no aumento da posição ativa na superfície, o que as torna qualificadas como catalisadores.

A hidrogenação de nanopartículas de níquel ou cobre-zinco em alguns compostos orgânicos é um excelente catalisador e pode substituir os caros catalisadores de platina ou paládio. O catalisador nanométrico de platina preta pode fazer com que a temperatura da reação de oxidação do etileno seja reduzida de 600 ℃ para a temperatura ambiente.

Aplicações médicas

Os glóbulos vermelhos no sangue têm de 6.000 a 9.000 nm de tamanho, enquanto as nanopartículas têm apenas alguns nanômetros de tamanho, o que, na verdade, é muito menor do que os glóbulos vermelhos, portanto, podem se mover livremente no sangue. Se uma variedade de nanopartículas terapêuticas for injetada em várias partes do corpo, elas poderão ser examinadas e tratadas, o que é mais eficaz do que as injeções e os medicamentos tradicionais.

Os materiais de carbono são altamente solúveis no sangue. No século XXI, as válvulas cardíacas artificiais são depositadas no substrato do material com uma camada de carbono pirolítico ou carbono tipo diamante. No entanto, esse processo de deposição é complexo e, em geral, só se aplica à preparação de materiais duros.

A bolsa de gás intervencionista e o cateter são geralmente preparados com um material de poliuretano altamente elástico. Com a introdução de materiais de nanotubos de carbono com alta relação comprimento-diâmetro e átomos de carbono puro no poliuretano com alta elasticidade, podemos fazer com que esse material polimérico mantenha suas excelentes propriedades mecânicas e seja fácil de ser processado e moldado, além de obter melhor solubilidade do sangue.

O uso da nanotecnologia pode tornar o processo de produção de medicamentos cada vez mais refinado e usar diretamente o arranjo de átomos e moléculas na escala de nanomateriais para produzir medicamentos com funções específicas; as nanopartículas facilitarão o deslocamento dos medicamentos pelo corpo, onde medicamentos inteligentes envoltos em camadas de nanopartículas podem procurar e atacar ativamente as células cancerígenas ou reparar tecidos danificados; novos instrumentos de diagnóstico que utilizam a nanotecnologia podem detectar doenças por meio de proteínas e DNA em uma pequena quantidade de sangue. As propriedades especiais das nanopartículas podem ser modificadas na superfície das nanopartículas para formar alguns portadores de transporte de medicamentos com liberação direcionada e controlável e fácil detecção, proporcionando um novo método para o tratamento de alterações patológicas locais no corpo e abrindo uma nova direção para o desenvolvimento de medicamentos.

Computador nanomecânico

O primeiro computador eletrônico do mundo nasceu em 1945 e foi desenvolvido com sucesso em conjunto por universidades americanas e pelo exército, compartilhando 18.000 tubos, com peso total de 30 t, cobrindo uma área de cerca de 170 ㎡. É um jumbo, mas só pode realizar 5.000 operações em um segundo.

Depois de meio século, o desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados, microeletrônica, tecnologia de armazenamento de informações, linguagem de computador e tecnologia de programação fez um rápido progresso na tecnologia de computadores. Os computadores atuais são pequenos o suficiente para caber em uma mesa. Eles pesam um décimo de milhão de vezes o peso de seus antecessores, mas são muito mais rápidos do que os primeiros computadores eletrônicos.

Se a nanotecnologia for usada para construir os dispositivos dos computadores eletrônicos, o computador do futuro será uma espécie de "computador molecular". Ele é muito mais compacto do que os computadores atuais e trará benefícios consideráveis para a sociedade em termos de economia de materiais e energia.

Chips de memória de classe nanomaterial, que podem ler leitores de cartão em discos rígidos e armazenar milhares de vezes mais memória do que chips, já estão em produção. Os computadores podem ser reduzidos a um palmtop após o uso generalizado de nanomateriais.

CNT (nano-tubo de carbono)

Em 1991, especialistas japoneses produziram o material chamado nanotubos de carbono. Trata-se de um tubo feito de vários átomos de carbono circulares hexagonais, ou pode ser feito de vários tubos coaxiais. Ambas as extremidades do tubo de camada única e multicamadas geralmente são seladas, como mostrado aqui.

O diâmetro e o comprimento desse tubo feito de átomos de carbono são todos em nanoescala, por isso ele é chamado de nanotubo de carbono. Sua resistência à tração é 100 vezes maior do que a do aço e sua condutividade é maior do que a do cobre.

Os nanotubos de carbono no ar aquecido a 700 ℃ ou mais para fazer o tubo na parte superior do dispositivo em forma de pinça do átomo de carbono devido a danos por oxidação, tornaram-se nanotubos de carbono abertos. Em seguida, o metal de baixo ponto de fusão (como o chumbo) é evaporado pelo feixe de elétrons e condensado no nanotubo de carbono aberto. Como resultado do sifonamento, o metal entra no núcleo oco do nanotubo de carbono. Devido ao diâmetro extremamente pequeno dos nanotubos de carbono, os fios metálicos formados dentro dos tubos também são muito finos. Eles são chamados de nanofios. Portanto, os nanotubos de carbono combinados com nanofios podem se tornar novos supercondutores.

A nanotecnologia ainda está em estágio embrionário em países de todo o mundo. Embora alguns países, como os Estados Unidos, o Japão e a Alemanha, tenham começado a tomar forma, eles ainda estão em fase de pesquisa, e novas teorias e tecnologias ainda estão surgindo.

Aparelhos domésticos

O plástico nano multifuncional feito de nanomateriais tem as funções de antibacteriano, desodorização, antissepsia, antienvelhecimento e anti-ultravioleta, que pode ser usado como plástico de desodorização antibacteriano na carcaça da geladeira e do ar-condicionado.

Proteção ambiental

Haverá nano-membranas com funções exclusivas no campo da ciência ambiental. A membrana pode detectar a poluição causada por agentes químicos e biológicos e pode filtrar esses agentes para eliminar a poluição.

Indústria têxtil

Materiais em pó compostos denano-SiO2, nano-ZnO e nano-SiO2 são adicionados à resina de fibra sintética. Após serem estiradas e tecidas, as roupas íntimas e as peças de vestuário podem ser feitas para esterilização, prevenção de mofo, desodorização e resistência à radiação ultravioleta. Além disso, pode ser usado na fabricação de roupas íntimas antibacterianas, suprimentos e pode ser fabricado para atender aos requisitos da fibra funcional de radiação ultravioleta do setor de defesa.

Setor de engenharia

O revestimento de nanopó na superfície metálica das principais peças mecânicas é aplicado para melhorar a resistência ao desgaste, a dureza e a vida útil dos equipamentos mecânicos.