¿Qué son los nanomateriales? Clasificación y sus propiedades

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Se observó que las propiedades cuánticas del material pueden diferir a nanoescala. El material que se comporta como aislante a nivel molecular puede expresar las propiedades del conductor cuando se mira a su nivel de nanoescala. La nanotecnología ha surgido como la metodología de investigación que se ocupa del estudio del cambio en las propiedades del material a nanoescala. Implica el estudio combinatorio de varias ciencias como la física cuántica, la física de semiconductores, materiales fabricación , etc. a nivel de nanoescala. Los materiales formados utilizando los principios y métodos de la nanotecnología, cuyas propiedades se encuentran entre las de los sólidos macroscópicos y los sistemas atómicos, se conocen como Nanomateriales.

¿Qué son los nanomateriales?

El término nanoescala se refiere a la dimensión de 10-9metros. Es la mil millonésima parte de un metro. Por lo tanto, las partículas cuyas dimensiones externas o dimensión de la estructura interna o dimensión de la estructura de la superficie se encuentran en el rango de 1 nm a 100 nm se consideran nanomateriales.




Estos materiales son invisibles a simple vista. El enfoque de la nanotecnología basado en la ciencia de los materiales se considera para los nanomateriales. A esta escala, estos materiales tienen propiedades ópticas, electrónicas, mecánicas y cuánticas únicas en comparación con su comportamiento a escala molecular.

Un nanomaterial puede ser un objeto nano o un material nanoestructurado. Los objetos Nao son las piezas discretas de material, por otro lado, los materiales nanoestructurados tienen su estructura interna o superficial en la dimensión nanoescala.



Los nanomateriales pueden ser de existencia natural, fabricados artificialmente o formados incidentalmente. Con el avance de la investigación, los nanomateriales se comercializan y se utilizan como commodities.

Propiedades de los nanomateriales

Un cambio drástico en el propiedades de los nanomateriales se pueden observar cuando se descomponen al nivel de nanoescala. A medida que avanzamos hacia el nivel de nanoescala desde el nivel molecular, las propiedades electrónicas de los materiales se modifican debido al efecto del tamaño cuántico. El cambio en las propiedades mecánicas, térmicas y catalíticas de los materiales se puede ver con el aumento de la relación entre el área superficial y el volumen a nivel de nanoescala.


Muchos de los materiales aislantes comienzan a comportarse como conductores en sus dimensiones a nanoescala. De manera similar, a medida que alcanzamos las dimensiones a nanoescala, se pueden observar muchos fenómenos cuánticos y superficiales interesantes.

El tamaño, la forma, la composición química, la estructura cristalina, la estabilidad fisicoquímica, el área superficial y la energía superficial de las partículas, etc., se atribuyen a las propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales. A medida que aumenta la relación entre el área de la superficie y el volumen de los nanomateriales, su superficie se vuelve más reactiva consigo misma y con otros sistemas. El tamaño de los nanomateriales juega un papel importante en su comportamiento farmacológico. Cuando los nanomateriales interactúan con agua u otros medios de dispersión, pueden reorganizar su estructura cristalina. El tamaño, la composición y la carga superficial de los nanomateriales afectan sus estados de agregación. Las propiedades magnéticas, fisicoquímicas y psicoquinéticas de estos materiales se ven afectadas por el recubrimiento de la superficie. Estos materiales producen ROS cuando su superficie reacciona con oxígeno, ozono y materiales de transición.

A nivel de nanoescala, la interacción entre partículas se debe a las fuerzas de van der Waal oa fuertes enlaces polares o covalentes. Las propiedades superficiales de los nanomateriales y sus interacciones con otros elementos y entornos pueden modificarse con el uso de polielectrolitos.

Ejemplos

Los nanomateriales se pueden encontrar como nanomateriales artificiales, incidentales o de existencia natural. Los nanomateriales de ingeniería son fabricados por humanos con algunas propiedades deseadas. Incluyen nanomateriales de dióxido de titanio y negro de carbón. Las nanopartículas también se producen debido a procesos mecánicos o industriales incidentalmente, como durante los escapes de los vehículos, los humos de soldadura, la cocción y el calentamiento del combustible. Los nanomateriales atmosféricos producidos incidentalmente también se conocen como partículas ultrafinas. Los fullerenos son los nanomateriales producidos por la quema de biomasa, vela.

Nanotubo

Nanotubo

Los nanomateriales naturales existentes se forman debido a muchos de los procesos naturales como incendios forestales, cenizas volcánicas, rocío oceánico, meteorización de metales, etc. ejemplos de nanomateriales presentes en los sistemas biológicos son la estructura de los cristales de cera que cubren el loto, la estructura de los virus, la seda de los ácaros, el tono azul de las tarántulas, las escamas de las alas de las mariposas. Las partículas como leche, sangre, cuerno, dientes, piel, papel, corales, picos, plumas, matriz ósea, algodón, uñas, etc. son nanomateriales orgánicos naturales. Las arcillas son el ejemplo de nanomaterial inorgánico natural, ya que se forman debido al crecimiento de cristales en diversas condiciones químicas en la corteza terrestre.

Clasificación

La clasificación de los nanomateriales depende principalmente de la morfología y su estructura, se clasifican en dos grandes grupos como Materiales Consolidados y Nanodispersiones. Los nanomateriales consolidados se clasifican además en varios grupos. Los sistemas nanodispersivos unidimensionales se denominan nanopolvos y nanopartículas. Aquí las nanopartículas se clasifican además como nanocristales, nanoclusters, nanotubos, supermoléculas, etc.

Para los nanomateriales, el tamaño es un atributo físico importante. Los nanomateriales a menudo se clasifican según el número de sus dimensiones que se incluyen en la nanoescala. Los nanomateriales cuyas tres dimensiones son de nanoescala y no hay una diferencia significativa entre los ejes más largo y más corto, se denominan nanopartículas. Los materiales con sus dos dimensiones en la nanoescala se denominan Nanofibras. Las nanofibras huecas se conocen como nanotubos y las sólidas se conocen como nanorods. Los materiales con una dimensión en la nanoescala se conocen como nanoplacas. Las nanoplacas con dos dimensiones más largas diferentes se conocen como nanocintas.

En función de las fases de la materia contenida en los materiales nanoestructurados, se clasifican en materiales nanocompuestos, nanoespuma, nanoporosos y nanocristalinos. Los materiales sólidos que contienen al menos una región física o químicamente distinta con al menos una región con dimensiones en la nanoescala se denominan nanocompuestos. Las nanoespuma contienen una matriz líquida o sólida, llena de una fase gaseosa y una de las dos fases tiene dimensiones en la nanoescala.

Los materiales sólidos con nanoporos, cavidades con dimensiones en la nanoescala se consideran materiales nanoporosos. Los materiales nanocristalinos tienen granos de cristal en la nanoescala.

Aplicaciones de los nanomateriales

Hoy en día, los nanomateriales están muy comercializados. Algunos de los nanomateriales comerciales disponibles en el mercado son cosméticos, textiles resistentes a deformaciones, electrónica, protectores solares, pinturas, etc… Los nanocoatings y nanocomposites se están utilizando en diversos productos de consumo como equipamiento deportivo, cristales, automóviles, etc. para proteger los daños. debido a las bebidas de la luz solar, las botellas de vidrio se están recubriendo con un nano revestimiento que bloquea los rayos UV. Utilizando compuestos de nano-arcilla se están fabricando pelotas de tenis de mayor duración. La sílice a nanoescala se utiliza como relleno en empastes dentales.

Las propiedades ópticas de los nanomateriales se utilizan para formar detectores ópticos, sensores, láseres, pantallas, células solares. Esta propiedad también se utiliza en biomedicina y fotoelectroquímica. En las pilas de combustible microbianas, los electrodos están formados por nanotubos de carbono. El seleniuro de zinc nanocristalino se utiliza en las pantallas de visualización para aumentar la resolución de los píxeles que forman los televisores de alta definición y las computadoras personales. En la industria microelectrónica, se enfatiza la miniaturización de circuitos como transistores, diodos, resistencias y condensadores.

Los nanocables se utilizan en la formación de transistores . Los nanomateriales también se utilizan como catalizadores en convertidores catalíticos de automóviles y sistemas de generación de energía, para reaccionar con gases tóxicos como el monóxido de carbono y el óxido de nitrógeno, evitando así la contaminación ambiental que provocan. Para aumentar el factor de protección solar (SPF) en los filtros solares se utiliza nano-TiO2. Para proporcionar una superficie altamente activa a los sensores, se utilizan nanocapas diseñadas.

Los fullerenos se utilizan en el cáncer para tratar células cancerosas como el melanoma. Estos también han encontrado uso como agentes antimicrobianos activados por luz. Debido a sus propiedades ópticas y eléctricas, los puntos cuánticos, los nanocables y las nanovarillas han optado por la optoelectrónica. Los nanomateriales se están probando para aplicaciones en ingeniería de tejidos, administración de fármacos y biosensores. Las nanozimas son las enzimas artificiales que se utilizan para la biodetección, la bioimagen y la detección de tumores.

Ventajas y desventajas de los nanomateriales

Las propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas de los nanomateriales han proporcionado muchas aplicaciones fascinantes. La investigación aún está en curso para conocer estas propiedades. Las propiedades de los nanomateriales difieren de las del modelo de tamaño a granel. Algunas de las ventajas de los nanomateriales son las siguientes:

  • Nanomaterial semiconductor Las partículas q muestran efectos de confinamiento cuántico, lo que les confiere la propiedad de luminiscencia.
  • En comparación con las cerámicas de grano grueso, las cerámicas nanofásicas son más dúctiles a temperaturas elevadas.
  • La propiedad de soldadura en frío de los polvos metálicos de tamaño nanométrico junto con su ductilidad es muy útil para la unión metal-metal.
  • Las partículas magnéticas de tamaño único proporcionan una propiedad de súper paramagnetismo.
  • Los grupos de metales nanoestructurados de composición monometálica actúan como precursores de catalizadores heterogéneos.
  • Para las células solares, las películas de silicio nanocristalino forman un contacto muy transparente.
  • Las películas porosas de óxido de titanio nanoestructurado proporcionan una alta transmisión y una gran mejora de la superficie.
  • Retos que enfrenta la industria microelectrónica en la miniaturización de los circuitos como la mala disipación del calor generado por alta velocidad. microprocesadores , la baja fiabilidad se puede superar con la ayuda de materiales nanocristalinos. Estos proporcionan alta conductividad térmica, alta durabilidad e interconexiones duraderas y duraderas.

También se encuentran algunas desventajas tecnológicas en el uso de nanomateriales. Algunas de esas desventajas son las siguientes:

  • Inestabilidad de los nanomateriales.
  • Poca resistencia a la corrosión.
  • Alta solubilidad.
  • Cuando los nanomateriales de gran superficie entran en contacto directo con el oxígeno, se produce una combustión exotérmica que provoca una explosión.
  • Impureza
  • Los nanomateriales se consideran biológicamente dañinos. Estos tienen una alta toxicidad que puede provocar irritaciones.
  • Carcinogénico
  • Difícil de sintetizar
  • No hay disposición segura disponible
  • Difícil de reciclar

Hoy los nanomateriales junto con nanotecnología está revolucionando las formas en que se fabrican varios productos. Nombra un nanomaterial orgánico de origen natural.