Que sont les nanomatériaux - Classification et ses propriétés

Il a été observé que les propriétés quantiques du matériau peuvent différer à l'échelle nanométrique. Un matériau se comportant comme un isolant au niveau moléculaire peut exprimer les propriétés du conducteur lorsqu'on regarde son niveau nanométrique. La nanotechnologie est devenue la méthodologie de recherche qui traite de l'étude du changement des propriétés du matériau à l'échelle nanométrique. Il implique l'étude combinatoire de diverses sciences telles que la physique quantique, la physique des semi-conducteurs, les matériaux fabrication , etc. au niveau nanométrique. Les matériaux formés en utilisant les principes et les méthodes de la nanotechnologie, dont les propriétés se situent entre celles des solides macroscopiques et des systèmes atomiques, sont appelés nanomatériaux.

Que sont les nanomatériaux?

Le terme échelle nanométrique fait référence à la dimension de 10^-9mètres. C'est la milliardième partie d'un mètre. Ainsi, les particules dont l'une des dimensions externes ou de la dimension de la structure interne ou de la dimension de la structure de surface se situe dans la plage de 1 nm à 100 nm sont considérées comme des nanomatériaux.

Ces matériaux sont invisibles à l'œil nu. L'approche de la nanotechnologie basée sur la science des matériaux est envisagée pour les nanomatériaux. À cette échelle, ces matériaux ont des propriétés optiques, électroniques, mécaniques et quantiques uniques par rapport à leur comportement à l'échelle moléculaire.

Un nanomatériau peut être un nano objet ou un matériau nanostructuré. Les objets Nao sont les morceaux discrets de matériau, par contre, les matériaux nanostructurés ont leur structure interne ou de surface à l'échelle nanométrique.

Les nanomatériaux peuvent être d'origine naturelle, fabriqués artificiellement ou formés accidentellement. Avec l'avancée de la recherche, les nanomatériaux sont commercialisés et utilisés comme produits de base.

Propriétés des nanomatériaux

Un changement radical dans la propriétés des nanomatériaux peuvent être observés lorsqu'ils sont décomposés au niveau nanométrique. Au fur et à mesure que nous nous rapprochons du niveau nanométrique à partir du niveau moléculaire, les propriétés électroniques des matériaux sont modifiées en raison de l'effet de taille quantique. Le changement dans les propriétés mécaniques, thermiques et catalytiques des matériaux peut être observé avec l'augmentation du rapport surface / volume au niveau nanométrique.

De nombreux matériaux isolants commencent à se comporter comme des conducteurs à leurs dimensions nanométriques. De même, lorsque nous atteignons les dimensions nanométriques, de nombreux phénomènes quantiques et de surface intéressants peuvent être observés.

La taille des particules, la forme, la composition chimique, la structure cristalline, la stabilité physico-chimique, la surface et l'énergie de surface, etc. sont attribuables aux propriétés physicochimiques des nanomatériaux. Au fur et à mesure que le rapport surface / volume des nanomatériaux augmente, leur surface devient plus réactive sur elle-même et sur d'autres systèmes. La taille des nanomatériaux joue un rôle important dans leur comportement pharmacologique. Lorsque les nanomatériaux interagissent avec l'eau ou d'autres milieux de dispersion, ils peuvent réorganiser leur structure cristalline. La taille, la composition et la charge de surface des nanomatériaux affectent leurs états d'agrégation. Les propriétés magnétiques, physico-chimiques et psychocinétiques de ces matériaux sont affectées par le revêtement de surface. Ces matériaux produisent des ROS lorsque leur surface réagit avec l'oxygène, l'ozone et les matériaux de transition.

À l'échelle nanométrique, l'interaction entre les particules est soit due aux forces de van der Waal, soit à de fortes liaisons polaires ou covalentes. Les propriétés de surface des nanomatériaux et leurs interactions avec d'autres éléments et environnements peuvent être modifiées grâce à l'utilisation de polyélectrolytes.

Exemples

Les nanomatériaux peuvent être trouvés sous forme de nanomatériaux artificiels, accessoires ou naturels. Les nanomatériaux d'ingénierie sont fabriqués par des humains avec certaines propriétés souhaitées. Ils comprennent des nanomatériaux de noir de carbone et de dioxyde de titane. Les nanoparticules sont également produites en raison de processus mécaniques ou industriels, comme lors des échappements de véhicules, des fumées de soudage, de la cuisson et du chauffage du carburant. Les nanomatériaux atmosphériques produits accidentellement sont également connus sous le nom de particules ultrafines. Les fullerènes sont le nanomatériau produit en raison de la combustion de la biomasse, la bougie.

Nanotube

Les nanomatériaux naturels existants se forment en raison de nombreux processus naturels tels que les incendies de forêt, les cendres volcaniques, les embruns, l'altération des métaux, etc. exemples de nanomatériaux présents dans les systèmes biologiques sont la structure des cristaux de cire recouvrant le lotus, la structure des virus, la soie des tétranyques, la teinte bleue des araignées tarentules, les écailles des ailes de papillon. Les particules comme le lait, le sang, la corne, les dents, la peau, le papier, les coraux, les becs, les plumes, la matrice osseuse, le coton, les ongles, etc. sont des nanomatériaux organiques naturels. Les argiles sont l’exemple de nanomatériaux inorganiques naturels, car elles se forment en raison de la croissance cristalline dans diverses conditions chimiques sur la croûte terrestre.

Classification

La classification des nanomatériaux dépend principalement de la morphologie et de leur structure, ils sont classés en deux grands groupes en tant que matériaux consolidés et nanodispersions. Les nanomatériaux consolidés sont en outre classés en plusieurs groupes. Les systèmes nanodispersifs unidimensionnels sont appelés nanopoudres et nanoparticules. Ici, les nanoparticules sont en outre classées en nanocristaux, nanoclusters, nanotubes, supermolécules, etc.

Pour les nanomatériaux, la taille est un attribut physique important. Les nanomatériaux sont souvent classés en fonction du nombre de leurs dimensions à l'échelle nanométrique. Les nanomatériaux dont les trois dimensions sont à l'échelle nanométrique et dont il n'y a significativement aucune différence entre les axes le plus long et le plus court, sont appelés nanoparticules. Les matériaux avec leurs deux dimensions à l'échelle nanométrique sont appelés nanofibres. Les nanofibres creuses sont appelées Nanotubes et les solides sont appelées Nanorods. Les matériaux à une dimension à l'échelle nanométrique sont appelés nanoplaques. Les nanoplaques avec deux dimensions différentes plus longues sont connues sous le nom de nanorubans.

Sur la base des phases de la matière contenues dans les matériaux nanostructurés, ils sont classés en matériaux nanocomposites, nanomousse, nanoporeux et nanocristallins. Les matériaux solides contenant au moins une région physiquement ou chimiquement distincte avec au moins une région dont les dimensions sont à l'échelle nanométrique sont appelés nano composites. Les nanomousses contiennent une matrice liquide ou solide, remplie d'une phase gazeuse et l'une des deux phases a des dimensions à l'échelle nanométrique.

Les matériaux solides à nanopores, les cavités de dimensions à l'échelle nanométrique sont considérés comme des matériaux nanoporeux. Les matériaux nanocristallins ont des grains cristallins à l'échelle nanométrique.

Applications des nanomatériaux

Aujourd'hui, les nanomatériaux sont fortement commercialisés. Certains des nanomatériaux commerciaux disponibles sur le marché sont les cosmétiques, les textiles résistants à la déformation, l'électronique, les écrans solaires, les peintures, etc. causés aux boissons du soleil, les bouteilles en verre sont recouvertes d'un revêtement nanométrique qui bloque les rayons UV. En utilisant des composites de nano-argile, des balles de tennis plus durables sont fabriquées. La silice nanométrique est utilisée comme charge dans les obturations dentaires.

Les propriétés optiques des nanomatériaux sont utilisées pour former des détecteurs optiques, des capteurs, des lasers, des afficheurs, des cellules solaires. Cette propriété est également utilisée en biomédecine et en photoélectrochimie. Dans les piles à combustible microbiennes, les électrodes sont constituées de nanotubes de carbone. Le séléniure de zinc nanocristallin est utilisé dans les écrans d'affichage pour augmenter la résolution des pixels formant les téléviseurs haute définition et les ordinateurs personnels. Dans l'industrie microélectronique, la miniaturisation de circuits tels que transistors, diodes, résistances et condensateurs est mise en avant.

Les nanofils sont utilisés pour former sans jonction transistors . Les nanomatériaux sont également utilisés comme catalyseurs dans les convertisseurs catalytiques automobiles et les systèmes de production d'énergie, pour réagir avec des gaz toxiques tels que le monoxyde de carbone et l'oxyde d'azote, évitant ainsi la pollution environnementale qu'ils provoquent. Pour augmenter le facteur de protection solaire (SPF) dans les écrans solaires, le nano-TiO2 est utilisé. Pour fournir une surface hautement active aux capteurs, des nanocouches artificielles sont utilisées.

Les fullerènes sont utilisés dans le cancer pour traiter les cellules cancéreuses telles que le mélanome. Ceux-ci ont également trouvé une utilisation comme agents antimicrobiens activés par la lumière. En raison de leurs propriétés optiques et électriques, les points quantiques, les nanofils et les nanorods ont fortement opté pour l'optoélectronique. Des nanomatériaux sont actuellement testés pour des applications dans l'ingénierie tissulaire, l'administration de médicaments et les biocapteurs. Les nanozymes sont les enzymes artificielles utilisées pour la détection biologique, la bioimagerie et la détection des tumeurs.

Avantages et inconvénients des nanomatériaux

Les propriétés électriques, magnétiques, optiques et mécaniques des nanomatériaux ont fourni de nombreuses applications fascinantes. Des recherches sont toujours en cours pour connaître ces propriétés. Les propriétés des nanomatériaux diffèrent de celles de leur modèle de taille en vrac. Certains des avantages des nanomatériaux sont les suivants:

• Nanomatériau semi-conducteur Les q-particules présentent des effets de confinement quantique, leur donnant ainsi la propriété de luminescence.
• Par rapport aux céramiques à gros grains, les céramiques nanophasées sont plus ductiles à des températures élevées.
• La propriété de soudage à froid des poudres métalliques nanométriques ainsi que leur ductilité sont très utiles pour la liaison métal-métal.
• Les particules magnétiques nanométriques uniques fournissent une propriété de super paramagnétisme.
• Les amas métalliques nanostructurés de composition monométallique agissent comme des précurseurs pour des catalyseurs hétérogènes.
• Pour les cellules solaires, les films de silicium nanocristallin forment un contact hautement transparent.
• Les films poreux d'oxyde de titane nanostructurés offrent une transmission élevée et une amélioration de la surface spécifique.
• Défis rencontrés par l'industrie microélectronique dans la miniaturisation des circuits tels qu'une mauvaise dissipation de la chaleur générée par le haut débit microprocesseurs , une mauvaise fiabilité peut être surmontée à l'aide de matériaux nanocristallins. Ceux-ci offrent une conductivité thermique élevée, une durabilité élevée et des interconnexions durables et durables.

L'utilisation des nanomatériaux présente également certains inconvénients technologiques. Certains de ces inconvénients sont les suivants -

• Instabilité des nanomatériaux.
• Mauvaise résistance à la corrosion.
• Solubilité élevée.
• Lorsque les nanomatériaux de grande surface entrent en contact direct avec l'oxygène, une combustion exothermique se produit conduisant à une explosion.
• Impureté
• Les nanomatériaux sont considérés comme biologiquement nocifs. Ceux-ci ont une toxicité élevée pouvant entraîner des irritations.
• Cancérigène
• Difficile à synthétiser
• Aucune élimination sûre disponible
• Difficile à recycler

Aujourd'hui les nanomatériaux avec nanotechnologie révolutionne les modes de fabrication de divers produits. Nommez un nanomatériau organique naturel?