Panorama de los nanomateriales
Breve historia del desarrollo de la nanotecnología
En 1959, el famoso físico y Premio Nobel Richard Feynman predijo que el ser humano podría utilizar máquinas más pequeñas para fabricar máquinas aún más pequeñas y, con el tiempo, disponer los átomos de uno en uno y fabricar productos de uno en uno según los deseos del ser humano, que fue el sueño más temprano de la nanotecnología. fue el sueño más temprano de la nanotecnología.
En 1991, científicos de Estados Unidos sintetizaron con éxito nanotubos de carbono y descubrieron que sólo tenían una sexta parte de la masa del mismo volumen de acero y eran diez veces más resistentes, por lo que se denomina superfibra. El descubrimiento de los nanomateriales marca un nuevo hito en el descubrimiento de las propiedades de los materiales. En 1999, la facturación anual de los nanoproductos alcanzó los 50.000 millones de dólares.
¿Qué es el nanomaterial?
El nanómetro (nm) es una unidad de longitud, y un nanómetro equivale a 10-9 metros (milmillonésima parte de un metro). Para la materia macroscópica, el nanómetro es una unidad muy pequeña. El diámetro del cabello humano suele ser de 7.000-8.000 nm, mientras que el de los glóbulos rojos humanos suele ser de 3.000-5.000 nm, y el de los virus en general es también de decenas a centenares de nanómetros, y el tamaño del grano del metal suele estar en la escala de las micras. En cuanto a la materia microscópica, como átomos, moléculas, etc., que solía expresarse en angstrom, un angstrom es el diámetro de un átomo de hidrógeno, y un nanómetro es 10 angstrom.
En general, se cree que los nanomateriales deben incluir dos condiciones básicas: una es que el tamaño característico de los nanomateriales esté entre 1 y 100 nm, y la otra es que los nanomateriales tengan algunas características físicas y químicas especiales que distingan a los materiales de tamaño normal en este momento.
Los nanomateriales se refieren a materiales que tienen al menos una dimensión del tamaño del nanómetro (0,1-100 nm) en el espacio tridimensional o que están compuestos por ellos como unidades básicas, lo que equivale aproximadamente al tamaño de 10 a 100 átomos estrechamente empaquetados. En la actualidad, los nanomateriales tienen las siguientes aplicaciones.
Nanomateriales naturales
Las tortugas marinas ponen sus huevos cerca de la costa de Florida, en Estados Unidos. Una vez nacidas, las tortuguitas tienen que nadar hasta las aguas cercanas al Reino Unido para sobrevivir y crecer en busca de alimento. Finalmente, los adultos regresan a la costa de Florida para desovar. Tardan entre cinco y seis años en ir y venir. ¿Por qué las tortugas son capaces de viajar decenas de miles de kilómetros? En realidad, dependen de materiales nanomagnéticos que llevan dentro de la cabeza para orientarse correctamente.
Los biólogos que estudian por qué criaturas como las palomas, los delfines, las mariposas y las abejas nunca se pierden también han encontrado nanomateriales en sus cuerpos que les sirven de guía.
Materiales magnéticos a nanoescala
La mayoría de los nanomateriales utilizados en la práctica son artificiales. Debido a su pequeño tamaño, estructura de dominio único y alta coercitividad, los materiales de grabación magnética hechos de nanopartículas no sólo son mejores en calidad de sonido, imagen y relación señal-ruido, sino que también tienen una densidad de grabación decenas de veces superior a la deγ-Fe2O3. Las nanopartículas magnéticas superparamagnéticas fuertes también pueden convertirse en líquidos magnéticos para los campos de los dispositivos electroacústicos, los dispositivos de amortiguación, el sellado rotativo, la lubricación y el tratamiento de minerales.
Material nanocerámico
El grano del material cerámico tradicional no es fácil de deslizar, el material es quebradizo y la temperatura de sinterización es alta, mientras que la nanocerámica tiene granos pequeños que se mueven fácilmente sobre otros granos. Por lo tanto, las nanocerámicas tienen alta resistencia, alta tenacidad y buena ductilidad, lo que hace que los materiales nanocerámicos puedan procesarse en frío a temperatura ambiente o a alta temperatura.
Nanosensores
La nanocirconia, el óxido de níquel, el dióxido de titanio y otras cerámicas son muy sensibles a los cambios de temperatura, a los infrarrojos y a los gases de escape de los automóviles. Como resultado, pueden utilizarse para fabricar sensores de temperatura, detectores de infrarrojos y detectores de gases de escape de automóviles, con una sensibilidad de detección mucho mayor que los sensores cerámicos similares comunes.
Nanomateriales funcionales de gradiente
En los motores aeroespaciales de hidrógeno y oxígeno, la superficie interior de la cámara de combustión debe ser resistente a altas temperaturas y la exterior debe estar en contacto con el refrigerante. Por lo tanto, la superficie interior debe ser de cerámica, mientras que la exterior debe ser de metal con buena conductividad térmica. Sin embargo, la cerámica y los metales grumosos son difíciles de unir. Si la composición del metal y la cerámica se modifica de forma gradual y continua durante la producción, el metal y la cerámica pueden "conectarse entre sí" y, finalmente, combinarse para formar materiales funcionales gradientes. Cuando las nanopartículas de metal y cerámica se mezclan y forman por sinterización según el requisito de que su contenido cambie gradualmente, puede cumplir el requisito de resistencia a altas temperaturas en el interior de la cámara de combustión y buena conductividad térmica en el exterior.
Materiales nano semiconductores
Los materiales semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio tienen muchas propiedades excelentes. Por ejemplo, el efecto de túnel cuántico en el nano semiconductor hace que el transporte de electrones de algunos materiales semiconductores sea anormal, la conductividad disminuye y la conductividad térmica disminuye a medida que disminuye el tamaño de las partículas, incluso aparece el valor negativo. Todas estas características desempeñan un papel importante en el campo de los circuitos integrados a gran escala (Lsi（Large Scale Integrated circuit）) y los dispositivos optoelectrónicos. Como los electrones y los huecos generados por las partículas nano-semiconductoras bajo la irradiación de luz tienen una fuerte capacidad de reducción y oxidación, pueden oxidar las sustancias inorgánicas tóxicas, degradar la mayoría de las sustancias orgánicas y, finalmente, producir dióxido de carbono no tóxico e inodoro, agua, etcétera. Por lo tanto, las nanopartículas semiconductoras pueden utilizarse para catalizar la descomposición de la materia inorgánica y orgánica mediante la energía solar.
Material nanocatalítico
Las nanopartículas son un excelente catalizador. Las nanopartículas son pequeñas en tamaño, grandes en fracción de volumen en la superficie, diferentes en estado de enlace químico y estado electrónico en la superficie, e incompletas en la coordinación de átomos en la superficie, lo que resulta en el aumento de la posición activa en la superficie, lo que hace que esté cualificado como catalizador.
La hidrogenación de nanopartículas de níquel o cobre-zinc a algunos orgánicos es un excelente catalizador y puede sustituir a los costosos catalizadores de platino o paladio. El catalizador nanométrico negro de platino puede hacer que la temperatura de reacción de oxidación del etileno se reduzca de 600 ℃ a temperatura ambiente.
Aplicaciones médicas
Los glóbulos rojos de la sangre tienen un tamaño de entre 6.000 y 9.000 nm, mientras que las nanopartículas tienen un tamaño de tan sólo unos nanómetros, que en realidad es mucho menor que el de los glóbulos rojos, por lo que pueden moverse libremente por la sangre. Si se inyectan diversas nanopartículas terapéuticas en distintas partes del cuerpo, se pueden examinar y tratar, lo que resulta más eficaz que las inyecciones y los medicamentos tradicionales.
Los materiales de carbono son muy solubles en la sangre. En el siglo XXI, las válvulas cardíacas artificiales se depositan sobre el sustrato material con una capa de carbono pirolítico o carbono diamantado. Sin embargo, este proceso de deposición es complejo y, por lo general, sólo es aplicable a la preparación de materiales duros.
La bolsa de gas de intervención y el catéter suelen prepararse con un material de poliuretano muy elástico. Introduciendo materiales de nanotubos de carbono con una elevada relación longitud-diámetro y átomos de carbono puro en poliuretano de alta elasticidad, podemos hacer que este material polimérico mantenga sus excelentes propiedades mecánicas y sea fácil de procesar y moldear, por un lado, y por otro, se puede obtener una mejor solubilidad de la sangre.
Los resultados mostraron que el nanocompuesto era menos propenso a causar hemólisis y menos propenso a activar las plaquetas; el uso de la nanotecnología puede hacer que el proceso de producción de fármacos sea cada vez más refinado, y utilizar directamente la disposición de átomos y moléculas a escala de nanomateriales para fabricar fármacos con funciones específicas; las nanopartículas facilitarán el recorrido de los fármacos por el organismo, donde los medicamentos inteligentes envueltos en capas de nanopartículas pueden buscar y atacar activamente las células cancerosas o reparar los tejidos dañados; los nuevos instrumentos de diagnóstico que utilizan nanotecnología pueden detectar enfermedades a través de las proteínas y el ADN en una pequeña cantidad de sangre. Las propiedades especiales de las nanopartículas pueden modificarse en su superficie para formar algunos portadores de transporte de fármacos con liberación dirigida y controlable y fácil detección, lo que proporciona un nuevo método para el tratamiento de cambios patológicos locales en el cuerpo y abre una nueva dirección para el desarrollo de fármacos.
Ordenador nanomecánico
El primer ordenador electrónico del mundo nació en 1945, se desarrolla con éxito conjuntamente por las universidades americanas y el ejército, un reparto de los 18 000 tubos, el peso total de 30 t, cubre un área de alrededor de 170 ㎡. Es un jumbo, pero sólo puede hacer 5, 000 operaciones en 1 segundo.
Después de medio siglo, el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, la microelectrónica, la tecnología de almacenamiento de información, el lenguaje informático y la tecnología de programación ha hecho avanzar rápidamente la tecnología informática. Los ordenadores actuales son tan pequeños que caben en una mesa. Pesan una décima parte que sus predecesores, pero son mucho más rápidos que los primeros ordenadores electrónicos.
Si se utiliza la nanotecnología para construir los dispositivos de los ordenadores electrónicos, el ordenador del futuro será una especie de "ordenador molecular". Será mucho más compacto que los ordenadores actuales y aportará considerables beneficios a la sociedad en cuanto a ahorro de materiales y energía.
Ya se están fabricando chips de memoria de clase nanomaterial, capaces de leer los lectores de tarjetas de los discos duros y contener miles de veces más memoria que los chips. Los ordenadores pueden reducirse hasta la palma de la mano tras el uso generalizado de nanomateriales.
CNT (nanotubo de carbono)
En 1991, expertos japoneses fabricaron el material llamado nanotubo de carbono. Se trata de un tubo formado por un número de átomos de carbono circulares hexagonales, o puede estar formado por varios tubos coaxiales. Los dos extremos del tubo monocapa y multicapa suelen estar sellados, como se muestra aquí.
El diámetro y la longitud de este tubo de átomos de carbono son nanométricos, por lo que se denomina nanotubo de carbono. Su resistencia a la tracción es 100 veces superior a la del acero y su conductividad es mayor que la del cobre.
Los nanotubos de carbono en el aire calentado a 700 ℃ más o menos para hacer la tubería en la parte superior del dispositivo en forma de pinza del átomo de carbono debido a daños por oxidación, se convirtió en nanotubos de carbono abiertos. A continuación, el metal de baja fusión (como el plomo) se evapora por el haz de electrones y se condensa en el nanotubo de carbono abierto. Como resultado del sifonamiento, el metal entra en el núcleo hueco del nanotubo de carbono. Debido al diámetro extremadamente pequeño de los nanotubos de carbono, los hilos metálicos que se forman en el interior de los tubos son también muy finos. Se denominan nanocables. Por tanto, los nanotubos de carbono combinados con nanocables pueden convertirse en nuevos superconductores.
La nanotecnología se encuentra todavía en una fase embrionaria en países de todo el mundo. Aunque algunos países, como Estados Unidos, Japón y Alemania, han empezado a tomar forma, todavía están en fase de investigación y siguen surgiendo nuevas teorías y tecnologías.
Electrodomésticos
El nanoplástico multifuncional fabricado con nanomateriales tiene las funciones de antibacteriano, desodorizante, antisepsia, antienvejecimiento y antiultravioleta, por lo que puede utilizarse como plástico antibacteriano desodorizante en la carcasa del frigorífico y el aire acondicionado.
Protección del medio ambiente
Habrá nanomembranas con funciones únicas en el campo de la ciencia medioambiental. La membrana puede detectar la contaminación causada por agentes químicos y biológicos y puede filtrar esos agentes para eliminar la contaminación.
Industria textil
Los materiales compuestos en polvo denano-SiO2, nano-ZnO y nano-SiO2 se añaden a la resina de fibra sintética. Después de ser estirados y tejidos, la ropa interior y las prendas de vestir pueden ser esterilizadas, prevenir el moho, desodorizar y resistir la radiación ultravioleta. Además, se puede utilizar en la fabricación de ropa interior antibacteriana, suministros, y se puede fabricar para cumplir los requisitos de la fibra funcional anti-radiación ultravioleta de la industria de defensa.
Industria de la ingeniería
El recubrimiento con nanopolvo de la superficie metálica de piezas mecánicas clave se aplica para mejorar la resistencia al desgaste, la dureza y la vida útil de los equipos mecánicos.
