Wykład 5

Nanoproszki (nanophase materials) są jednym z elementów szerokiej klasy materiałów manometrycznych, sztucznie zsyntetyzowanych w mikrostrukturach modulowanych w zero- lub trzech wymiarach i skalach długości do 100nm.

Nanoproszki – technologie

Nanoproszki są wytwarzane w postaci czystych pierwiastków oraz z wykorzystaniem nośników, np. nanokrzemionki. Znane nanoproszki: srebra, miedzy, krzemionki, srebro i miedź na krzemionce.

Do najpopularniejszych metod obecnie wykorzystywanych do otrzymywania nanoproszków domieszkowych można zaliczyć:

- reakcje w fazie stałej następnie mielenie produktów

- rozdrobnienie mechaniczne

- metody elektrochemiczne

- metoda strącania i kalcynacji

- metoda strącania i obróbki hydrotermalnej lub solvotermalnej

Nanoproszki – technologie

• Metoda zol – żel z modyfikacjami (cytryniany)

• Metody „spray-pyrolisis” (SP)

Piroliza Spray jest procesem, w którym cienka warstwa osadza się przez natryskiwanie roztworu na ogrzewanej powierzchni. Reagenty chemiczne są tak dobrane, że produkty inne niż żądanego związku są lotne w temperaturze osadzania. Proces ten jest szczególnie przydatny dla depozycji tlenków, w produkcji stosowany elektryczny przewodnik tlenku cyny (SnO₂) lub tlenku cyny do szkła.

Podział nanomateriałów ze względu na kształt ziaren:

- układy jednowymiarowe – słupkowe

- układy dwuwymiarowe – warstwowe

- układy trójwymiarowe – równoosiowe

- obiekty niskowymiarowe (druty, kropki, wielowarstwy, cienkie warstwy)

Nieekologiczny TiO₂

Powierzchnie zewnętrzne budynków, które zostały pokryte materiałami zawierającymi TiO₂

(w formie nanocząsteczek) reagują z zawrtymi w powietrzu zanieczyszczeniami chemicznymi, tworząc niebezpieczne dla zdrowia związki chemiczne. Według najnowszych badań prowadzonych przez brytyjskich naukowców z Unieversity of Cambridge, nanocząsteczki TiO₂ nie tylko skutecznie reagują z brudem na elewacjach czy szybach, niszcząc go i pozostawiając szyby zawsze czyste, ale równie dobrze reagują z innymi substancjami zawartymi w powietrzu – chemicznymi zanieczyszczeniami. Według naukowców konieczne jest szybkie i dokładne przebadanie wpływu aktywnych fotochemicznie szyb czy elewacji ( w tym również farb stosowanych w przestrzeniach zamkniętych) na stan zanieczyszczenia atmosfery, gdyż potencjalne szkody jakie te powierzchnie mogą wyrządzić.

Podział nanomateriałów:

Do najważniejszych nanomateriałów zaliczamy:

1. Kryształy i granice ziaren charakteryzują się tym samym składem chemicznym

2. Kryształy charakteryzujące się różnym składem chemicznym

3. Ziarna oraz fazy w granicach ziaren posiadają różne składy

4. W osnowie umieszczone są manometryczne ziarna o innym składzie.

Cechą niekorzystną nanokryształów jest ich niestabilny charakter. W podwyższonej temperaturze następuje obniżenie energii swobodnej układu przez redukcję energii granic ziaren. Powoduje to rozrost ziaren.

Specyficzne właściwości nanomateriałów:

- stopy metali o strukturze manometrycznej otrzymywane metodą mechanicznej syntezy mogą mieć skład fazowy i chemiczny nieosiągalny metodami konwencjonalnymi i dlatego mają lepszą wytrzymałość mechaniczną i odporność korozyjną

Zmniejszenie wielkości ziaren związków międzymetalicznych do skali nanometrów powoduje pojawienie się zjawiska superplastyczności

- odporność na pełzanie zaawansowanych wysokotemperaturowych konstrukcyjnych materiałów ceramicznych (azotek krzemu, węglik krzemu) może być zwiększona nawet o rząd przez wytworzenie ich w postaci nanomateriału typu zerowymiarowego

- nanomateriały polimerowe wykazują odporność na ścieranie i właściwości ślizgowe, znajdując zastosowanie jako bezsmarowe elementy maszyn.

- nanokrystaliczne układy warstwowe mogą mieć zastosowanie jako materiały gradientowe w układach elektronicznych lub jako materiały o gigantycznym i tunelowym magnetooporze

- implanty z biomateriałów metalicznych i węglowych i tlenkowych zwiększają wytrzymałość protez i ich bioaktywność.

Materiały gradientowe

Tworzywa gradientowe są to materiały, w których wzdłuż co najmniej jednego określonego kierunku, uzyskano ciągłą zmianę właściwości użytkowych lub konstrukcyjnych w wybranym procesie technologicznym. Materiały te są znane od wielu stuleci, ich obecna nazwa pojawiła się niedawno. W połowie lat 80 XX wieku, poszukiwano w Japonii tworzywa mogącego stanowić poszycie konstrukcji kosmicznych i lotniczych. Najważniejszym warunkiem jest redukcja naprężeń cieplnych.

aktualnie realizowane tematy badawcze:

- badanie struktur czerwonych ciałek krwi, samoorganizacja układów organicznych

- manipulacje pojedynczymi atomami (atomy na powierzchni złota)

- modyfikacje powierzchni strumieniem cząsteczek (regularne nanostruktury generowane w podłożu KBr przez wiązkę elektronową)

- modelowanie komputerowe procesów fizycznych (efekt oddziaływania wiązki jonowej z powierzchnią warstwy organicznej – warstwa benzenu na powierzchni Ag)

- wytwarzanie cienkich warstw (obraz cienkiej warstwy KBr naniesionej na stałe podłoże)

Wprowadzenie do organizmu ludzkiego nanocząsteczek złota

Nanocząstki złota można rozpuścić w wodzie lub innych cieczach poprzez pokrycie powierzchni złotych drobinek różnymi tiolami. Taka modyfikacja pozwala na bezproblemowe wprowadzenie do organizmu nanocząsteczek złota o różnym, w tym leczniczym przeznaczeniu. Nanocząsteczki złota, czyli drobinki o wielkościach miliardowych części metra, stanowią doskonały materiał, za pomocą którego można wprowadzić do organizmu różnego rodzaju substancje chemiczne, w tym nowoczesne leki.

Fragment hydrofobowy łańcucha tiolowego wykorzystywany jest do przyłączania do nanocząsteczek związków organicznych ( np. leków), które mają zostać wprowadzone do żywej komórki, a które z racji właściwości hydrofobowych miałyby trudności z wniknięciem. W zależności od zastosowanych tioli można zmieniać charakter powierzchni nanocząsteczek złota, dzięki czemu możliwe jest rozpuszczenie ich w różnych cieczach.

Tiole to związki organiczne zawierające w swojej strukturze grupę –SH, która samoczynnie bardzo silnie wiąże się z powierzchnią złota.

Opracowana metoda pozwala przykładowo na wprowadzenie do organizmu wraz z nanocząsteczkami złota przeciwutleniaczy stosowanych w różnego rodzaju zabiegach kosmetycznych.