Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Керамические наночастицы - это тип наночастиц , состоящих из керамики , которые обычно классифицируются как неорганические, термостойкие неметаллические твердые вещества, которые могут состоять как из металлических, так и из неметаллических соединений. Материал обладает уникальными свойствами. Керамика крупного размера хрупкая, жесткая и ломается при ударе. Однако керамические наночастицы выполняют более широкий спектр функций [1], включая диэлектрические , сегнетоэлектрические , пьезоэлектрические , пироэлектрические , ферромагнитные , магниторезистивные , сверхпроводящие и электрооптические..

Керамические наночастицы были открыты в начале 1980-х годов. Они были сформированы с использованием процесса, называемого золь-гель, который смешивает наночастицы в растворе и геле с образованием наночастиц. Более поздние методы включали спекание (давление и нагрев). Материал настолько мал, что практически не имеет изъянов. У материалов большего размера есть недостатки, которые делают их хрупкими.

В 2014 году исследователи объявили о процессе лазерной обработки полимеров и керамических частиц, которые образуют нанотрубку. Эта структура смогла восстановить свою первоначальную форму после многократного дробления.

Керамические наночастицы использовались в качестве механизма доставки лекарств при нескольких заболеваниях, включая бактериальные инфекции, глаукому и, как правило, химиотерапию при раке. [2] Самые старые известные керамические наночастицы были найдены в черепках керамики из Килади, Индия, относящихся к VI веку до нашей эры.

Свойства [ править ]

Керамические наночастицы обладают уникальными свойствами из-за своего размера и молекулярной структуры. Эти свойства часто проявляются в терминах различных явлений электрической и магнитной физики, которые включают:

  • Диэлектрик - электрический изолятор, который может быть поляризован (электроны выровнены так, чтобы была отрицательная и положительная сторона соединения) электрическим полем, чтобы сократить расстояние передачи электронов в электрическом токе.
  • Сегнетоэлектрик - диэлектрические материалы, поляризуемые более чем в одном направлении (отрицательная и положительная стороны могут быть перевернуты посредством электрического поля).
  • Пьезоэлектрик - материалы, накапливающие электрический заряд при механическом воздействии.
  • Пироэлектрик - материал, который может создавать временное напряжение при изменении температуры.
  • Ферромагнетики - материалы, способные выдерживать магнитное поле после намагничивания.
  • Магниторезистивные - материалы, изменяющие электрическое сопротивление под действием внешнего магнитного поля.
  • Сверхпроводящие - материалы, демонстрирующие нулевое электрическое сопротивление при охлаждении до критической температуры.
  • Электрооптические - материалы, изменяющие оптические свойства под действием электрического поля.

Нанотрус [ править ]

Керамические наночастицы более чем на 85% состоят из воздуха и очень легкие, прочные, гибкие и долговечные. Фрактальная нанотрубка представляет собой архитектуру наноструктуры [3], изготовленную из оксида алюминия или оксида алюминия . Его максимальное сжатие составляет около 1 микрона при толщине 50 нанометров. После сжатия он может вернуться к своей первоначальной форме без каких-либо повреждений конструкции.

Синтез [ править ]

Золь-гель [ править ]

Одним из разнообразных способов изготовления нанокерамики является золь-гель процесс , также известный как осаждение из химического раствора. Это включает химический раствор или золь, состоящий из наночастиц в жидкой фазе, и предшественник , обычно гель или полимер, состоящий из молекул, погруженных в растворитель . Золь и гель смешивают, чтобы получить оксидный материал, который обычно представляет собой керамику. Лишние продукты (жидкий растворитель) испаряются. Затем желаемые частицы нагревают в процессе, называемом уплотнением, для получения твердого продукта. [4] Этот метод также может быть применен для создания нанокомпозита путем нагревания геля на тонкой пленке с образованием нанокерамического слоя поверх пленки.

Двухфотонная литография [ править ]

В этом процессе используется лазерная техника, называемая двухфотонной литографией, для вытравливания полимера в трехмерную структуру. Лазер укрепляет пятна, которых он касается, и оставляет нетвердыми остальные пятна. Затем незатвердевший материал растворяется, образуя «оболочку». Затем оболочка покрывается керамикой, металлами, металлическим стеклом и т. Д. В готовом состоянии нанотрубка [5] керамики может быть сплющена и вернуться в исходное состояние.

Спекание [ править ]

В другом подходе спекание использовалось для консолидации нанокерамических порошков с использованием высоких температур. В результате получился грубый материал, который ухудшает свойства керамики и требует больше времени для получения конечного продукта. Этот метод также ограничивает возможные окончательные геометрические формы. Микроволновое спекание было разработано для решения таких проблем. Излучение производится магнетроном , который производит электромагнитные волны для вибрации и нагрева порошка. Этот метод позволяет мгновенно передавать тепло по всему объему материала, а не извне внутрь. [1]

Нанопорошок помещается в изоляционную коробку, состоящую из плит с низкой изоляцией, чтобы микроволны могли проходить через него. Коробка увеличивает температуру, чтобы способствовать впитыванию. Внутри ящиков находятся подвесы, которые поглощают микроволны при комнатной температуре, чтобы запустить процесс спекания. Микроволновая печь нагревает подозрительные устройства примерно до 600 ° C, что позволяет нанокерамике поглощать микроволны.

История [ править ]

В начале 1980-х с использованием золь-геля были сформированы первые наночастицы, в частности нанокерамика . Этот процесс был заменен спеканием в начале 2000-х годов, а затем микроволновым спеканием. Ни один из этих методов не оказался подходящим для крупносерийного производства.

В 2002 году исследователи попытались реконструировать микроструктуру ракушек, чтобы укрепить керамику. [6] Они обнаружили, что прочность ракушек обусловлена ​​их «микроархитектурой». Исследования начали сосредотачиваться на том, как керамика могла использовать такую ​​архитектуру.

В 2012 году исследователи реплицировать структуру морской губки, используя керамику [7] и nanoarchitecture называется nanotruss. [5] По состоянию на 2015 год самым большим результатом является куб размером 1 мм. Структура решетки сжимается до 85% от своей первоначальной толщины и может восстанавливаться до своей первоначальной формы. Эти решетки стабилизированы в виде треугольников с поперечинами для обеспечения структурной целостности и гибкости.

В 2020 году Кокарнесваран и др. Опубликовали в Nature статью об открытии различных форм углеродных наноструктур, включая пучки однослойных углеродных нанотрубок, многостенных углеродных нанотрубок и листов, подобных структурам, которые, вероятно, наблюдаются во внутреннем черном покрытии черепки глиняной посуды из Килади, Индия, датированные 6 веком до нашей эры. [8]Это самые старые наноструктуры, наблюдаемые до сих пор. В целом УНТ и графен известны своей превосходной механической прочностью, чем массивные аналоги. Обнаружение этих двух форм углерода в покрытии Килади поднимает следующие вопросы. (i) Древнее поселение Кеелади знали важность этих свойств и намеренно адаптировали их? (ii) Учитывая, что во внутренней части осколка наблюдается черное покрытие, если эти гончарные изделия использовались для приготовления или хранения еды, тогда древняя цивилизация могла бы знать о цитотоксической природе УНТ и листов графена / оксида графена. [8]

Приложения [ править ]

В медицинских технологиях для восстановления костей используются керамические наночастицы. Он был предложен для таких областей, как энергоснабжение и хранение, связь, транспортные системы, строительство и медицинские технологии. Их электрические свойства могут позволить передавать энергию с эффективностью, приближающейся к 100%. Нанотрусы в конечном итоге могут быть применимы для строительных материалов, заменив бетон или сталь. [9]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Абдельразек Халил, Халил (апрель 2012 г.). «Современное спекание нанокерамических материалов». Керамические материалы - прогресс современной керамики .
  2. ^ Томас, Южная Каролина; Харшита; Мишра, ПК; Талегаонкар, S (2015). «Керамические наночастицы: методы изготовления и применение в доставке лекарств». Текущий фармацевтический дизайн . 21 (42): 6165–88. DOI : 10.2174 / 1381612821666151027153246 . PMID 26503144 . 
  3. ^ Fesenmaier, Kimm. «Керамика не должна быть хрупкой» . Калтех . Архивировано из оригинального 14 сентября 2014 года . Проверено 11 сентября 2014 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  4. ^ Ван, Чен-Чи; Ин, Джеки Ю. (15 сентября 1999 г.). «Золь-гель синтез и гидротермальная обработка нанокристаллов анатаза и рутила диоксида титана». Химия материалов . 11 (11): 3113–20. DOI : 10.1021 / cm990180f .
  5. ^ a b Fesenmaier, Kimm. "Миниатюрная ферменная работа" . Калтех . Архивировано из оригинального 28 мая 2014 года . Дата обращения 23 мая 2014 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  6. ^ Клэр Диоп, Джули. «НИОКР 2002: Нано-керамика» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 1 декабря 2002 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  7. ^ Fesenmaier, Kimm. «Материалы на заказ» . Калтех . Архивировано из оригинала на 8 сентября 2013 года . Проверено 5 сентября 2013 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  8. ^ a b Кокарнесваран, Маниваннан; Сельварадж, Пракаш; Ашокан, Таннарасан; Перумал, Суреш; Селлаппан, Патикумар; Муруган, Кандхасами Дураи; Рамалингам, Шиванантам; Мохан, Нагабупатия; Чандрасекаран, Виджаянанд (13 ноября 2020 г.). «Открытие углеродных нанотрубок в гончарных изделиях шестого века до нашей эры из Килади, Индия» . Научные отчеты . 10 (1): 19786. DOI : 10.1038 / s41598-020-76720-г . ISSN 2045-2322 .  Текст был скопирован из этого источника, доступного по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
  9. ↑ Nissan, Бен (январь 2014 г.). «Нанокерамика в биомедицинских приложениях» . Бюллетень МИССИС . 29 (1): 28–32. DOI : 10.1557 / mrs2004.13 . ЛВП : 10453/4163 .

9. https://irancar.care/product-category/products/ceramic-coatings/