NANOMATERIALET (Nanomaterials)

Historiku

Historia e nanoteknologjisë gjurmon zhvillimin e koncepteve dhe punën eksperimentale që bëjnë pjesë në kategorinë e gjerë të nanoteknologjisë. Edhe pse nanoteknologjia është një zhvillim relativisht i kohëve të fundit në kërkimin shkencor, zhvillimi i koncepteve të saj qendrore ka ndodhur gjatë një periudhe më të gjatë kohore. Shfaqja e nanoteknologjisë në vitin 1980 u shkaktua nga konvergjenca e përparimeve eksperimentale si shpikja e mikroskopit me skanim tunneling në vitin 1981 dhe zbulimi i fullereneve në vitin 1985. Për sqarimin dhe popullarizimin e një kuadri konceptual për qëllimet e fillimit nanoteknologji me 1986 u botua libri Makinat e Krijimit. Fusha ishte subjekt për të rritur ndërgjegjësimin e publikut dhe polemika në fillim të viteve 2000, me debate të njohura rreth dy implikimeve të tij të mundshme, si dhe mundësinë e kërkesave të parashikuara nga mbrojtësit e nanoteknologjisë molekulare, dhe me qeveritë të lëvizin për të nxitur kërkime në nanoteknologji. Në fillim të viteve 2000 filloi edhe tregtimi i aplikacioneve në nanoteknologji, edhe pse këto ishin të kufizuara për aplikacione të mëdha të nanomaterialeve së aplikimeve transformuese parashikuara me këtë fushë.

Fizikanti amerikan Richard Feynman tha, "Ka mjaft hapësirë ​​në fund", në një takim të Shoqërisë Amerikane Fizike në Kaltek në Dhjetor 29, 1959, e cila është mbajtur shpesh për të kanë dhënë frymëzim për fushën e nanoteknologjisë. Feynman e kishte përshkruar një proces me të cilin aftësia për të manipuluar atomet dhe molekulat individuale mund të zhvillohet, duke përdorur një sërë mjetesh të sakta. Në vazhdën e kësaj, ai vuri në dukje ndryshimin e fenomeneve të ndryshme fizike: gravitetit do të bëhej më pak i rëndësishëm, tensioni sipërfaqësor dhe Van der Waals do të bëheshin më te rëndësishëm. Richard Feynman dha një ide në 1959 e cila shumë vite më vonë frymëzoi bazat konceptuale të nanoteknologjisë. Pas vdekjes së Feynman, studiuesitfilluan të studiojnë zhvillimin historik të nanoteknologjisë dhe kanë arritur në përfundimin se roli i tij aktual përshpejtoi hulumtimin e nanoteknologjisë dhe ishte i kufizuar, bazuar në kujtimet nga shumë njerëz që janë aktive në fushën e sapolindur në vitet 1980 dhe 1990. Chris Toumey, një antropologe kulturore në Universitetin e Karolinës së Jugut, konstatoi se versionet e botuar të Feynman kishin një ndikim të papërfillshëm në njëzet vjet pasi ajo u botua së pari, siç matet nga citate në literaturën shkencore, dhe jo ndikim shumë më tepër në dekadë pas Mikroskopi skanimit tunel u shpik në vitin 1981. Më pas, interesi në shumë vende është rritur në masë të madhe në fillim të viteve 1990. Kjo është ndoshta për shkak se termi "nanoteknologji" fitoi vëmendje serioze vetëm pak para atë kohë, pas përdorimit të saj nga K. Eric Drexler në vitin 1986 librin e tij, Makinat e krijimit: Era Vjen nga Nanoteknologjia, që mori konceptin Feynman e një miliard fabrika të vogla dhe shtoi idenë se ata mund të bëjnë më shumë kopje të vetvetes nëpërmjet kontrollit të kompjuterit në vend të kontrollit nga ana e një operatori të njeriut dhe në një artikull të mbuluar titullin "Nanoteknologjia", botuar më vonë atë vit në një masë të qarkullimit shkencë- Revista orientuar, OMNI. 

Nanomaterialet

Nanomaterialeve janë substanca kimike ose materiale që janë prodhuar dhe përdorur në një shkallë shumë të vogël (poshtë në 10.000 herë më e vogël se diametri i një fije floku të njeriut). Nanomaterialeve janë zhvilluar të shfaqin karakteristikat të tilla si forca, reaktivitet kimike ose përçueshmëria në krahasim me të njëjtit material pa karakteristika nanoscale. Qindra e produkte që përmbajnë nanomateriale janë tashmë në përdorim. Shembuj janë bateritë, veshjet, anti-bakteriale etj. Nano risi do të shihen në shumë sektorë, duke përfshirë shëndetin publik, punësim dhe sigurin në punë dhe të shëndetit, të shoqërisë, të informacionit, industrisë, ë mjedis, në energji, transporti etj. Nanomaterialet kanë potencial për të përmirësuar cilësinë e jetës dhe për të kontribuar në konkurrencën industriale në Evropë. Megjithatë, materialet e reja mund të paraqesin rreziqe për mjedisin dhe shëndetin. Këto rreziqe, dhe deri në çfarë mase ata mund të trajtohet nga masat ekzistuese të vlerësimit të rrezikut në BE, kanë qenë objekt i mendimeve të ndryshme të Komitetit Shkencor dalë nga rreziqet e identifikuara së fundmi. Konkluzioni i përgjithshëm deri më tani është se, edhe pse nanomaterialet nuk janë në vetvete të rrezikshme, ka ende paqartësi shkencore në lidhje me sigurinë e nanomaterialeve në shumë aspekte dhe për këtë arsye vlerësimi i sigurisë dhe substancave duhet të bëhet mbi bazën rast-për-rast.

Të dhëna se si rregullorja nanomaterialeve zbatohet në përgjithësi në BE mund të gjenden në Komunikatën e Komisionit mbi aspektet rregullatore të nanomaterialeve dhe në Dokumentin e Shtabit të Komisionit të Punës.

Përkufizimi i një nanomateriali

Më 18 tetor 2011 Komisioni miratoi Rekomandimin mbi përkufizimin e një nanomateriali. Sipas këtij Rekomandimi një "Nanomaterial" nënkupton: Një material natyror i prodhuar në mënyrë të rastësishme që përmbajnë grimca, në gjendje të palidhur ose si një total apo si një aglomerat dhe ku, 50% ose më shumë prej grimcave është në varg madhësi 1 nm - 100 nm. Në raste të veçanta ku shqetësimi për garancinë e mjedisit dhe shëndetit është parësor, shpërndarja prag 50% mund të zëvendësohet nga një prag midis 1 dhe 50%. Me përjashtim nga fullerenet, të gjitha materialet e mësipërme, grafenet dhe nanotubat e karbonit me një dimension të jashtëm nën 1 nm duhet të konsiderohen si nanomateriale. Përkufizimi do të përdoret kryesisht për të identifikuar materialet me anë të dispozitave të veçanta që mund të zbatohen. Këto dispozita të veçanta nuk janë pjesë e përkufizimit, por e legjislacionit specifik në të cilin do të përdoret. Nanomaterialet nuk janë qenësisht të rrezikshme në vetvete, por nuk mund të jetë një nevojë për të marrë parasysh konsideratat e veçanta në vlerësimin e rrezikut. Prandaj një qëllim të përkufizimit është që të sigurojë kritere të qarta dhe të sakta për të identifikuar materiale për të cilat zbatohen konsiderata të tilla. Ajo është vetëm rezultatet e vlerësimit të rrezikut që do të përcaktojë nëse nanomaterialet janë të rrezikshme dhe nëse është apo jo veprim i mëtejshëm është i justifikuar. Sot janë disa pjesë të legjislacionit të BE, si dhe udhëzimi për zbatimin teknik në mbështetje të legjislacionit, me referenca specifike për nanomaterialet. Për të siguruar konformitetin në fusha legjislative, ku shpesh të njëjtat materiale janë përdorur në kontekste të ndryshme, qëllimi i Rekomandimit është që të mundësojë një referencë koherente ndër-prerje. Prandaj një tjetër qëllimi themelor është që të sigurojë që një material i cili është një nanomaterial në një sektor gjithashtu do të trajtohet si i tillë kur ai është përdorur në një tjetër sektor. Informacione të hollësishme dhe teknike në lidhje me përkufizimin e një nanomateriali është në dispozicion në seksionin "pyetje dhe përgjigje." Nanomaterialet mbulohen me përkufizimin e një "substancë" të arrirë, edhe pse nuk ka asnjë referencë eksplicite për nanomaterialet. 

Vetitë mekanike

Që nga 2009, grafenet janë një nga materialet më të fortë të testuar ndonjëherë. Matjet kanë treguar se grafenet kanë një forcë thyerje 200 herë më të madhe sesa çeliku, me një modul elasticiteti prej 1 TPA ​(​simbol 150.000.000 PSI). Grafenet kanë qenë kohët e fundit të zhvilluara nga një departament kërkimor në Universitetin e Teknologjisë së Sidneit nga Guoxiu Wang, që mund të jenë të përpunuara, riorganizohen dhe të reformohen nga gjendja origjinale e saj materiale të papërpunuara. Hulumtuesit kanë bluar me sukses grafit të marrë nga pastrimi dhe filtrimi me kimikate për të riformuar atë në nano-strukturuara, konfigurime të cilat janë të përpunuara më pas në fletë të holla si letër, sipas një deklarate të universitetit. Lead studiues Ali Reza Ranjbartoreh tha: Jo vetëm që është e lehtë, e fortë, e vështirë dhe më elastike sesa çeliku, por është gjithashtu një produkt i riciklueshëm dhe i qëndrueshëm pra është eko-miqësor dhe me kosto efektive në përdorimin e tij. Gjithashtu tha se rezultatet do të lejojnë zhvillimin e makinave të lehta dhe më të forta dhe avionët që përdorin më pak karburant e që gjenerojë më pak ndotje, janë më të lirë për të kandiduar dhe ekologjikisht të qëndrueshëm. Ai tha se kompanitë e mëdha të hapësirës ajrore kanë filluar tashmë për të zëvendësuar me metale të fibrave të karbonit, karbon dhe me bazë material. Fletët Grafene të mbajtura së bashku nga forcat e van der Waals, u shpërndan mbi SiO2 dhe dëmtimin e dhëmbëve. Presioni i saj konstant ka qenë në rangun 1-5 N/m dhe moduli ri ishte 0.5 TPA, e cila ndryshon nga pjesa më e madhe grafit. Këto vlera të larta i bëjnë grafenet shumë të fortë dhe të ngurtë. Këto detaje esenciale mund të çojnë në përdorimin e graphene për NEMS aplikime të tilla si sensorë presioni dhe rezonatorë. Të gjitha materialet e grafeneve janë subjekt i luhatjeve termike dhe kuantike në zhvendosjen relative. Edhe pse amplituda e këtyre luhatjeve kufizohet në strukturat 3D (edhe në kufirin e madhësisë së pafund), Mermin-Wagner teorema tregon se amplituda e afat-gjatësi vale luhatje do të rritet në mënyrë logaritmike me shkallën e një strukture 2D, dhe do të ishte i pakufizuar në strukturat e madhësisë së pafund. Deformimi lokal dhe tendosja elastike janë prekur papërfillshëm nga kjo divergjence me rreze të gjatë në zhvendosjen relative. Besohet se një strukturë mjaft e madhe 2D, në mungesë të tensionit të aplikuar anësor, do të formojë një strukturë të luhatshme 3D. Si pasojë e këtyre deformimeve dinamike, është e diskutueshme nëse grafenet janë me të vërtetë një strukturë 2D.

Vetitë mekanike janë të rëndësishme në materialeve ndërtimore dhe ndërtimin si dhe pëlhura tekstile. Ato përfshijnë shumë prona që përdoren për të përshkruar fuqinë e materialeve të tilla si: fleksibiliteti, plasticiteti, rezistenca në tërheqje, forca kompressive, forca rrjedhëse, rezistenca në  thyerje dhe duktiliteti dhe fortësisë së gjurmës. Mekanika e thyerjes është një fushë që merret me studimin e formimit dhe shumimin e mëvonshëm të mikrocarjeve në materiale. Ai përdor metodat e mekanikës analitike të ngurta për të llogaritur forcën lëvizëse termodinamike në një çarje dhe metodat e mekanikës eksperimentale të ngurta të karakterizojë rezistencën e materialit për thyerje dhe dështimin katastrofik. Në shkencën moderne materiale, mekanikë thyerje është një mjet i rëndësishëm në përmirësimin e performancës mekanike të materialeve dhe komponenteve. Kjo vlen në veçanti për teoritë e elasticitetit dhe plasticitet, për defektet mikroskopike kristalografike të cilët gjenden në materiale të vërtetë në mënyrë që të parashikojnë dështimin mekanik makroskopike të organeve. Fraktografia është përdorur gjerësisht me mekanikën e thyerjes e për të kuptuar shkaqet e dështimeve dhe gjithashtu të verifikojë parashikimet teorike të dështimit.

Kështu, e çara dhe defekte të tjera mikrostrukturore mund të ulin forcën e një strukture përtej asaj që mund të parashikohet nga teoria e objekteve të kristaltë, një pronë të ndryshme nga materiali-lart dhe përtej konvencionale forca është e nevojshme për të përshkruar rezistencën e thyerjes në inxhinierinë e materialeve. Kjo është arsyeja për nevojën e mekanikës së thyerjes: vlerësimi i fuqisë së strukturave të meta. Në këtë kontekst, rezistenca është një detaj i cili përshkruan aftësinë e një materiali që përmban një çarje për t'i rezistuar frakturës, dhe është një nga vetitë më të rëndësishme të çdo materiali për pothuajse të gjitha aplikacionet e dizajnit. Rezistenca ndaj frakturës është një mënyrë sasiore për të shprehur rezistencën e një materiali për frakturë kur ka një çarje të pranishme. Nëse një material ka vlerë të madhe të rezistencës së thyerjes ai ndoshta do të pësojë thyerje të ngadaltë. Fraktura e brishtë, është shumë karakteristike e materialeve me vlerë rezistencë të ulët thyerje. Mekanika, e cila çon në konceptin e rezistencës ndaj thyerjes, ishte bazuar kryesisht në punën e AA Griffith i cili, ndër të tjera, ka studiuar sjelljen e çarjeve në materialet e brishta. Materialet qeramike janë zakonisht materiale jonik ose kovalente lidhura, dhe mund të jetë kristaline ose amorf. Një material i mbajtur së bashku me llojin e obligacionit do të priren për thyerje para se të ndodh ndonjë deformim plastik, gjë që rezulton në rezistencë të dobët në këto materiale. Përveç kësaj, për shkak se këto materiale priren të jenë poroz. Poret dhe përqëndruesi, ulin rezistencën më tej, dhe zvogëlojnë forcën elastike. Këto kombinohen për të dhënë dështime katastrofale. Këto materiale kanë të bëjnë me deformim plastik. Megjithatë, për shkak të strukturës së ngurtë të materialeve të kristaltë, ka shumë pak sistemeve në dispozicion dhe kështu ata shtrembërohen shumë ngadalë. Rrjedhja e trashë është burim dominant i deformimit plastik, dhe është gjithashtu shumë i ngadalshëm. Ajo është lënë pas dore këtë arsye në shumë aplikacione të materialeve qeramike. Për të kapërcyer sjelljen e brishtë, zhvillimi material qeramik ka prezantuar klasën e materialeve qeramike të përbërë, në të cilën fibrat qeramike janë të ngulitura dhe me veshje të veçanta janë formuar ura fibrash nëpër çdo plas. Ky mekanizëm rrit ndjeshëm rezistencë thyerje të qeramikës. Frenat me disk qeramik janë prodhuar me një proces të veçantë.

Tensioni sipërfaqësor

Tensioni sipërfaqësor, ka efekt në vetitë mekanike të nanomaterialeve studiuar nga mikroskopi atomik force.  Efekti i madhësisë reduktuar në pronat elastike në argjend dhe nanotelat të çonë dhe në nanotubat polipirrolit me një diametër të jashtëm që variojnë midis 30 dhe 250 Nm është paraqitur dhe diskutuar.  forca atomike e mikroskopit rezonantkontakt (AFM) është përdorur për të matur modulin elastik. Moduli i nanomaterialeve me diametër të vogël është dukshëm më i lartë se ai i atyre të mëdha. Kjo e fundit është e krahasueshme me modulin makroskopik të materialeve. Rritja e dukshme e modulit elastik për diametra të vegjël i atribuohet efektet të tensionit sipërfaqësor.Tensioni sipërfaqësor i materialit mund të përcaktohet eksperimentalisht nga këto matje AFM. Materialet me përmasa të reduktuara dhe dimensione të tilla si filma të hollë, nanotelat, nanotubat, ose grupimet metalike. Nanomaterialet paraqesin sfida të ndryshme për shkak të përmasave të vogla të tilla si manipulim të tyre apo matja e detajeve të tyre fizike. Zhvillimet e skanimit! mikroskopët SPM lejuan daljet e reja, mjet mjaft i fuqishëm për karakterizimin e materialit në shkallë mikro dhe nano. Sidomos, mikroskopi atomike force  AFM është përdorur gjerësisht për të studiuar materiale si dhe detajet e nanostrukturave mekanike. Sjellja mekanike e materialeve në shkallë nano është shpesh e ndryshme nga ajo në shkallë makroskopike. Edhe pse mekanika vazhdon vlen kur madhësitë janë mbi 10 nm, efektet sipërfaqe mund të kontrollojnë detajet e deformimit. Për strukturat me madhësi mikrometër, detajet mekanike janë të kontrolluara nga energjia e tendosjes elastike. Në shkallët me gjatësi nanometer, efektet sipërfaqësore bëhen mbizotëruese dhe mund të modifikojnë detajet makroskopike.

Cammarata dallon qartë tensionin sipërfaqësor dhe konceptet e energjisë sipërfaqësore, të cilat janë keqkuptuar shpesh, dhe përshkruan efektin e tensionit sipërfaqësor në vetitë mekanike të filmave të hollë. Nga rezultatet eksperimentale marrë nga nanomaterialet organike dhe inorganike, analizojmë efektet dhe madhësitë mbi vetitë mekanike. Elektrostatika tingëlluese me kontakt AFM është përdorur për të përcaktuar modulet e nanotubave dhe nanotelave. Kjo metodë lejon ngacmim të vibrimit pa ndonjë modifikim të tij dhe nuk paraqet kufizime në përgjimin e regjimit, apo uljen e forcës. Një fushë sinusoidale e jashtme elektrike zbatohet ndërmjet mbajtësit të mostrës dhe kokës së mikroskopit shkakton dridhje.Nga frekuenca të ndryshme të fushës elektrike, spektri rezonantiv mund të karakterizohet plotësisht, ndërsa kontaktet të tipit sipërfaqja mostra, jo. Kur maja është në kontakt me mostrën, frekuencat rezonantive kalojnë në të larta. Disa studime kanë treguar se rezonanca e frekuencave varet nga kontakti me trupin e ngurtë.

Temperatura

Temperatura të ndryshme në dispozicion ~ 210 dhe 20 ° C!. Në të vërtetë, u treguan më parë se përçueshmëria elektrike e nanotubave sintetizohet në rritjen e temperaturës më të ulët në krahasim me atë të atyre që sintetizohen në temperaturë dhome. Kjo rritje u atribuohet në një shtrirje më të mirë dhe një përsosmëri të mirë strukturore të zinxhirëve polimer. Fakti që ne e bëmë nuk respektojnë asnjë efektin e temperaturës sintezës për modulin elastik mund të vendosë këtë shpjegim për detajet e këtij të fundit. Për më tepër, imazhet AFM tregojnë se diametrat janë shumë konstante përgjatë shufrave dhe se sipërfaqja e tyre është e lëmuar. Prandaj madhësia e defekteve pritet të jetë e vogël në krahasim me diametrin e tubit. Së fundi, transmetimi mikroskopi elektronik nuk zbulon ndonjë modifikim strukturor midis nanotubave të vegjël dhe nanotelave. Si deformim i rreze shkaktohet një rritje në zonën së saj, ku efektet e tensionit sipërfaqësor mund të llogariten nga rezultatet e vëzhguara. Prandaj, një llogaritje e hollësishme e nanotubave  nxjerr ne pah modulin elastik dhe sipërfaqësor. Devijimi i madhësisë së nanostrukturave ishte gjithmonë i vogël në krahasim me diametrin saj, teoria e devijimeve të vogla të trarëve është aplikuar për të vlerësuar kontributin e efekteve sipërfaqësore në nanostrukturat e ngurta.

Për të marrë nanomaterialeve me diametra të jashtëm të ndryshëm, me membranë të trashë 20 mm dhe me madhësi pore duke filluar midis 30 dhe 250 nm janë përdorur. Për diametra të tilla, modele mekanikë pritet të mbeten të vlefshme. Pas sintezës, membrana u shpërbë me anë të zhytjes në një përzierje diklormetan me një sulfat dhe tretësira u vendos në një banjë për rreth 1 orë për ti ndarë. Tretësira u filtrua përmes poli-etilenit tereftalat, membranat me diametra pore variojnë midis 0.8 dhe 3mm. Në mënyrë për të hequr çdo papastërti nga sipërfaqja nanomaterial mostrat ishin shpëlarë tërësisht me dichloromethane. Për të minimizuar vazhdimësinë e deformimeve në eksperiment, raporti mes gjatësisë L, dhe diametrit të saj të jashtëm D duhet të jetë më e lartë se 16. Për të arritur këtë, çdo nanotub i sintetizuar në një template membrane me një diametër pore të veçantë u shpërnda në një membranë PET që korrespondon me një diametër pore të kënaqshme.

Ts/°C	O2 Pressure in mTorr	2θ		FËHM		Intensity
		(002)	(004)	(002)	(004)	(002)	(004)
100	0	-	-	-	-	-	-
100	50	34.20	-	0.32	-	423	-
100	100	34.32	-	0.16	-	398	-
300	0	33.82	-	0.28	-	608	-
300	50	34.46	72.66	0.28	1.3	8700	81
400	0	34.03	71.40	0.47	-	4700	40
400	50	34.01	71.36	0.216	1.3	15000	222
600	0	34.25	72.13	0.24	1.3	22880	410
600	50	34.46	72.63	0.24	1.3	6500	100

Ts/°C	Oxygen pressure, in mTorr	UV peak	Green-yelloë	Orange band	Intensity Counts
100	0	385	501	-	17/4
100	50	384	-	-	19
100	100	383	-	586	29/23
300	50	380	-	604	171/29
400	0	378	-	651	8/4
400	50	-	-	540/738	8/15
600	0	382	-	684	13/81
600	50	378	504	630	571/54/146