Nanomateriais são materiais com propriedades morfológicas menores que 1 µm "Micrômetro (unidade de comprimento)") em pelo menos uma dimensão.[1] Apesar de não haver consenso sobre o tamanho mínimo ou máximo de um nanomaterial, alguns autores restringem seu tamanho de 1 a 100 nm, uma definição lógica colocaria a nanoescala entre a microescala (1 µm) e a escala atômica/molecular (em torno de 0,2nm).
Em 18 de outubro de 2011, a Comissão Europeia adotou a seguinte definição de nanomaterial: "Um material natural, incidental ou fabricado contendo partículas, num estado não aglomerado ou como um agregado ou como um aglomerado e para 50% ou mais das partículas na distribuição numérica de tamanho, uma ou mais dimensões externas estão na faixa de tamanho de 1 nm - 100 nm. Em casos específicos e quando justificado por preocupações com o meio ambiente, saúde, segurança ou competitividade, o limite de 50% da distribuição numérica do tamanho pode ser substituída por um limite entre 1% e 50%".[2].
Conceitos fundamentais
Um aspecto único da nanotecnologia é a enorme relação superfície-volume presente em muitos materiais em nanoescala que leva ao surgimento de novos efeitos da mecânica quântica, por exemplo, o "efeito de tamanho quântico" no qual as propriedades eletrônicas dos sólidos são alteradas com uma grande redução no tamanho das partículas. Este efeito não é importante quando se passa das dimensões macro para micro. No entanto, torna-se dominante quando a nanoescala é alcançada. Além disso, diversas propriedades físicas mudam quando comparadas aos sistemas macroscópicos. As novas propriedades dos nanomateriais são objeto de pesquisas nanomecânicas. Suas atividades catalíticas revelam novas propriedades na interação com biomateriais.
A nanotecnologia pode ser imaginada como a extensão das disciplinas tradicionais no sentido da consideração explícita das propriedades acima mencionadas. Além disso, as disciplinas tradicionais podem ser reinterpretadas como aplicações específicas da nanotecnologia. Essa reciprocidade dinâmica de ideias e conceitos contribui para a compreensão moderna da área. Em termos gerais, a nanotecnologia é a síntese e aplicação de ideias da ciência e da engenharia para a compreensão e produção de novos materiais e dispositivos.
Nanotecnologia em materiais
Introdução
Em geral
Nanomateriais são materiais com propriedades morfológicas menores que 1 µm "Micrômetro (unidade de comprimento)") em pelo menos uma dimensão.[1] Apesar de não haver consenso sobre o tamanho mínimo ou máximo de um nanomaterial, alguns autores restringem seu tamanho de 1 a 100 nm, uma definição lógica colocaria a nanoescala entre a microescala (1 µm) e a escala atômica/molecular (em torno de 0,2nm).
Em 18 de outubro de 2011, a Comissão Europeia adotou a seguinte definição de nanomaterial: "Um material natural, incidental ou fabricado contendo partículas, num estado não aglomerado ou como um agregado ou como um aglomerado e para 50% ou mais das partículas na distribuição numérica de tamanho, uma ou mais dimensões externas estão na faixa de tamanho de 1 nm - 100 nm. Em casos específicos e quando justificado por preocupações com o meio ambiente, saúde, segurança ou competitividade, o limite de 50% da distribuição numérica do tamanho pode ser substituída por um limite entre 1% e 50%".[2].
Conceitos fundamentais
Um aspecto único da nanotecnologia é a enorme relação superfície-volume presente em muitos materiais em nanoescala que leva ao surgimento de novos efeitos da mecânica quântica, por exemplo, o "efeito de tamanho quântico" no qual as propriedades eletrônicas dos sólidos são alteradas com uma grande redução no tamanho das partículas. Este efeito não é importante quando se passa das dimensões macro para micro. No entanto, torna-se dominante quando a nanoescala é alcançada. Além disso, diversas propriedades físicas mudam quando comparadas aos sistemas macroscópicos. As novas propriedades dos nanomateriais são objeto de pesquisas nanomecânicas. Suas atividades catalíticas revelam novas propriedades na interação com biomateriais.
A nanotecnologia pode ser imaginada como a extensão das disciplinas tradicionais no sentido da consideração explícita das propriedades acima mencionadas. Além disso, as disciplinas tradicionais podem ser reinterpretadas como aplicações específicas da nanotecnologia. Essa reciprocidade dinâmica de ideias e conceitos contribui para a compreensão moderna da área. Em termos gerais, a nanotecnologia é a síntese e aplicação de ideias da ciência e da engenharia para a compreensão e produção de novos materiais e dispositivos.
Materiais reduzidos à nanoescala podem repentinamente apresentar propriedades muito diferentes daquelas exibidas em macroescala, permitindo aplicações únicas. Por exemplo, as substâncias opacas tornam-se transparentes (cobre); materiais inertes são transformados em catalisadores (platina); materiais estáveis são transformados em combustíveis (alumínio); os sólidos tornam-se líquidos à temperatura ambiente (ouro); isoladores tornam-se condutores (silicone). Materiais como o ouro, que é quimicamente inerte em escalas normais, podem servir como catalisadores em nanoescalas. Grande parte do fascínio pela nanotecnologia vem desses fenômenos quânticos e de superfície peculiares que a matéria exibe em nanoescala.
Partículas de pó nanométricas (também chamadas de nanopartículas) são potencialmente importantes em cerâmica e metalurgia do pó, alcançando nanoporosidade uniforme e outras aplicações semelhantes. A forte tendência de pequenas partículas formarem grumos é um sério problema tecnológico que impede tais aplicações. No entanto, alguns dispersantes como citrato de amônia (aquoso) e álcool oleico") (não aquoso) são aditivos promissores para desligação.
Os nanomateriais podem ser subdivididos em nanopartículas, nanoconchas e nanocompósitos. A abordagem dos nanomateriais é uma abordagem ascendente aos efeitos estruturais e funcionais, de modo que os blocos de construção dos materiais sejam concebidos e montados de forma controlada.
Um relatório recente do Small Times prevê um forte crescimento nos chamados nanomateriais. Discute os diferentes tipos que existem atualmente (como nanoargilas para reforçar plásticos) ou nanotubos de carbono para adicionar condutividade a vários materiais.
Muitos destes avanços estão a ser realizados por pequenas e médias empresas norte-americanas em colaboração com empresas líderes.
Existem três categorias básicas de nanomateriais do ponto de vista comercial e de desenvolvimento: óxidos metálicos, nanoargilas e nanotubos de carbono. As que mais avançaram do ponto de vista comercial são as nanopartículas de óxidos metálicos.
Fontes
Engenharia
Os nanomateriais projetados foram deliberadamente projetados e fabricados por humanos para terem certas propriedades.[3][4].
Nanomateriais legados são aqueles que foram produzidos comercialmente antes do desenvolvimento da nanotecnologia como avanços incrementais em relação a outros materiais coloidais ou particulados,[5][6][7] como negro de fumo e nanopartículas de dióxido de titânio").[8].
Incidental
Os nanomateriais podem ser produzidos involuntariamente como subproduto de processos mecânicos ou industriais através de combustão e vaporização. As fontes de nanopartículas acidentais incluem escapamento de motores de veículos, fundição, vapores de soldagem, processos de combustão de aquecimento doméstico com combustível sólido e culinária. Por exemplo, a classe de nanomateriais chamados fulerenos é gerada pela queima de gás, biomassa (biomassa (energia)) e velas.
Natural
Os sistemas biológicos apresentam frequentemente nanomateriais naturais e funcionais. A estrutura dos foraminíferos (principalmente calcário) e vírus (proteína, capsídeo), os cristais de cera que cobrem uma folha de lótus ou capuchinha, a seda de aranhas e ácaros,[13] o tom azul das tarântulas,[14] as "espátulas" na parte inferior das pernas das lagartixas, algumas escamas de asas de borboleta, colóides naturais (leite, sangue), materiais córneos (pele, garras, bicos, penas, chifres, cabelos), papel, algodão, madrepérola, corais e até mesmo nossa própria matriz óssea são nanomateriais orgânicos naturais.
Nanomateriais inorgânicos naturais são produzidos pelo crescimento de cristais nas diversas condições químicas da crosta terrestre. Por exemplo, as argilas exibem nanoestruturas complexas devido à anisotropia da sua estrutura cristalina subjacente, e a atividade vulcânica pode dar origem a opalas, que são um exemplo de cristais fotónicos naturais devido à sua estrutura em nanoescala. Os incêndios representam reações especialmente complexas e podem produzir pigmentos, cimento, sílica pirogênica”), etc.
As fontes naturais de nanopartículas são os produtos de combustão de incêndios florestais, cinzas vulcânicas, respingos oceânicos e a decomposição radioativa do gás radônio. Os nanomateriais naturais também podem se formar através de processos de intemperismo de rochas contendo metais ou ânions, bem como em locais de drenagem ácida de minas.[15].
Pessoal
Contenido
Los nanoobjetos se suelen clasificar en función de cuántas de sus dimensiones entran en la nanoescala. Una nanopartícula se define como un nanoobjeto con las tres dimensiones externas en la nanoescala, cuyos ejes más largo y más corto no difieren significativamente.
Dimensiones.
La clasificación de los nanomateriales depende de cuántas de sus tres dimensiones espaciales se encuentran en la escala nanométrica [16].
Una nanofibra tiene dos dimensiones externas en la nanoescala, siendo los nanotubos nanofibras huecas y los nanorods nanofibras sólidas. Una nanoplaca/nanohoja tiene una dimensión externa en la nanoescala,[17] y si las dos dimensiones mayores son significativamente diferentes se denomina nanocinta. En el caso de las nanofibras y las nanoplacas, las otras dimensiones pueden estar o no en la nanoescala, pero deben ser significativamente mayores. En todos estos casos, se observa que una diferencia significativa suele ser al menos un factor de 3.[18].
Los materiales nanoestructurados suelen clasificarse según las fases de la materia "Fase (materia)") que contengan. Un nanocompuesto es un sólido que contiene al menos una región o conjunto de regiones física o químicamente distintas, con al menos una dimensión en la nanoescala. Una nanoespuma") tiene una matriz líquida o sólida, rellena de una fase gaseosa, donde una de las dos fases tiene dimensiones en la nanoescala. Un material nanoporoso") es un material sólido que contiene nanoporos, vacíos en forma de poros abiertos o cerrados de longitudes submicrónicas. Un material nanocristalino") tiene una fracción significativa de granos de cristal en la nanoescala.[19].
Materiais nanoporosos
O termo materiais nanoporosos abrange subconjuntos de materiais microporosos e mesoporosos. Materiais microporosos são materiais porosos com tamanho médio de poro inferior a 2 nm, enquanto materiais mesoporosos são aqueles com tamanhos de poro na região de 2-50 nm.[20] Materiais microporosos exibem tamanhos de poros com uma escala de comprimento comparável à de pequenas moléculas. Por esta razão, estes materiais podem ter aplicações valiosas, como membranas de separação. Os materiais mesoporosos são interessantes para aplicações que requerem uma elevada área superficial específica, ao mesmo tempo que permitem a penetração de moléculas que podem ser demasiado grandes para entrar nos poros de um material microporoso. Em algumas fontes, os materiais nanoporosos e a nanoespuma são por vezes considerados nanoestruturas, mas não nanomateriais, porque apenas os vazios, e não os próprios materiais, são em nanoescala.[21] Embora a definição ISO considere apenas nanoobjetos redondos como nanopartículas, outras fontes usam o termo nanopartícula para todas as formas.[22]
Nanopartículas
Artigo principal: Nanopartículas.
As nanopartículas têm todas as três dimensões em nanoescala. Nanopartículas também podem ser incorporadas em um sólido para formar um nanocompósito.[21].
Artigo principal: Fullereno.
Fulerenos são uma classe de alótropos de carbono que conceitualmente são folhas de grafeno enroladas em tubos ou esferas. Entre eles estão os nanotubos de carbono (ou nanotubos de silício), interessantes tanto pela sua resistência mecânica como pelas suas propriedades elétricas.[23].
A primeira molécula de fulereno descoberta e homônima da família, buckminsterfullerene (C), foi preparada em 1985 por Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O'Brien e Harold Kroto na Rice University. O nome foi uma homenagem a Buckminster Fuller, cujas cúpulas geodésicas se assemelha. Desde então, descobriu-se que os fulerenos estão presentes na natureza.[24] Mais recentemente, os fulerenos foram detectados no espaço sideral.[25].
Durante a última década, as propriedades químicas e físicas dos fulerenos têm sido um tema quente no campo da investigação e desenvolvimento, e é provável que assim permaneçam por muito tempo. Em abril de 2003, estavam sendo estudados possíveis usos medicinais dos fulerenos: ligando antibióticos específicos à estrutura de bactérias resistentes e até visando certos tipos de células cancerígenas, como células de melanoma. A edição de outubro de 2005 da Chemistry and Biology contém um artigo que descreve o uso de fulerenos como agentes antimicrobianos ativados pela luz. No campo da nanotecnologia, a resistência ao calor e a supercondutividade são algumas das propriedades que estimulam intensas pesquisas.
Um método comum de produção de fulerenos é enviar uma grande corrente entre dois eletrodos de grafite próximos em uma atmosfera inerte. O arco de plasma de carbono resultante "Plasma (estado da matéria)") entre os eletrodos esfria para formar um resíduo de fuligem do qual muitos fulerenos podem ser isolados.
Muitos cálculos foram realizados com métodos quânticos ab-initio aplicados aos fulerenos. Usando métodos DFT e TDDFT, espectros IR, Raman e UV podem ser obtidos. Os resultados desses cálculos podem ser comparados com os experimentais.
Nanomateriais inorgânicos (por exemplo, pontos quânticos, nanofios e nanobastões), devido às suas interessantes propriedades ópticas e elétricas, poderiam ser usados em optoeletrônica. Além disso, as propriedades ópticas e electrónicas dos nanomateriais, que dependem do seu tamanho e forma, podem ser ajustadas utilizando técnicas sintéticas. Existem possibilidades de utilização destes materiais em dispositivos optoeletrônicos baseados em materiais orgânicos, como células solares orgânicas, OLEDs, etc. Os princípios de funcionamento desses dispositivos são regidos por processos fotoinduzidos como transferência de elétrons e transferência de energia. O desempenho dos dispositivos depende da eficiência do processo fotoinduzido responsável pelo seu funcionamento. Portanto, é necessário compreender melhor esses processos fotoinduzidos em sistemas compósitos de nanomateriais orgânicos/inorgânicos para poder utilizá-los em dispositivos optoeletrônicos.
Nanoestruturas unidimensionais
Os menores fios cristalinos possíveis, com uma seção transversal tão pequena quanto a de um átomo, podem ser fabricados em confinamento cilíndrico.[30][31][32] Nanotubos de carbono, uma nanoestrutura semidimensional natural, podem ser usados como modelo para síntese. O confinamento proporciona estabilização mecânica e evita a desintegração das cadeias atômicas lineares; Prevê-se que outras estruturas de nanofios 1D sejam mecanicamente estáveis, mesmo quando isoladas de modelos[33][34].
Nanoestruturas bidimensionais
Os materiais 2D são materiais cristalinos compostos por uma única camada bidimensional de átomos. O representante mais importante, o grafeno, foi descoberto em 2004. Filmes finos com espessuras em nanoescala são considerados nanoestruturas, mas às vezes não são considerados nanomateriais porque não existem separados do substrato.[21][35].
Materiais nanoestruturados a granel
Alguns materiais a granel contêm características em nanoescala, como nanocompósitos, materiais nanocristalinos, filmes nanoestruturados e superfícies nanotexturizadas[21].
A nanoestrutura de grafeno em forma de caixa (BSG) é um exemplo de nanomaterial tridimensional. A nanoestrutura BSG apareceu após a clivagem mecânica da grafite pirolítica"). Esta nanoestrutura é um sistema multicamadas de nanocanais ocos paralelos localizados ao longo da superfície e com seção transversal quadrangular. A espessura das paredes do canal é aproximadamente igual a 1 nm. A largura típica das facetas do canal é de cerca de 25 nm.
Aplicativos
Artigo principal: Aplicações da nanotecnologia.
Os nanomateriais são utilizados em uma ampla variedade de processos de fabricação, produtos e cuidados de saúde, como tintas, filtros, isolantes e aditivos lubrificantes. Na área da saúde, nanozimas") são nanomateriais com características semelhantes às enzimas.[37] São um tipo emergente de enzimas artificiais, que têm sido utilizadas para amplas aplicações em campos como biossensor, bioimagem, diagnóstico de tumores[38] ou antibioincrustação, entre outros.
Filtros de alta qualidade podem ser fabricados utilizando nanoestruturas; Esses filtros são capazes de remover partículas tão pequenas quanto um vírus, como visto em um filtro de água criado pela Seldon Technologies. Recentemente, biorreatores de membrana de nanomateriais (NMs-MBR), a próxima geração de MBRs convencionais, foram propostos para tratamento avançado de águas residuais [39].
No campo da purificação do ar, a nanotecnologia foi utilizada para combater a propagação da MERS em hospitais na Arábia Saudita em 2012.[40] Os nanomateriais estão a ser utilizados em tecnologias de isolamento modernas e seguras para o homem; no passado, eram encontrados em isoladores à base de amianto.
Como aditivo lubrificante, os nanomateriais têm a capacidade de reduzir o atrito nas peças móveis. Peças desgastadas e corroídas também podem ser reparadas com nanopartículas anisotrópicas automontáveis chamadas TriboTEX.[40].
Os nanomateriais também têm sido aplicados em diversas indústrias e produtos de consumo. Nanopartículas minerais, como o óxido de titânio "Titanium(IV) Oxide"), têm sido utilizadas para melhorar a proteção UV de filtros solares. Na indústria esportiva, bastões mais leves foram fabricados com nanotubos de carbono para melhorar seu desempenho. Outra aplicação é nas forças armadas, onde nanopartículas de pigmentos móveis têm sido usadas para criar uma camuflagem mais eficaz. Os nanomateriais também podem ser usados em aplicações de catalisadores de três vias (TWC). Os conversores TWC têm a vantagem de controlar a emissão de óxidos de nitrogênio (NOx), precursores da chuva ácida e do smog.[41] Na estrutura núcleo-invólucro, os nanomateriais formam um invólucro como suporte do catalisador para proteger metais nobres, como paládio e ródio.[42] A principal função é que os suportes podem ser utilizados para transportar os componentes ativos dos catalisadores, torná-los altamente dispersos, reduzir o uso de metais nobres, aumentar a atividade dos catalisadores. e melhorar a resistência mecânica.
Síntese
El objetivo de cualquier método de síntesis de nanomateriales es obtener un material que presente propiedades derivadas de su escala de longitud característica en el rango nanométrico (1 - 100 nm). Por consiguiente, el método sintético debe permitir controlar el tamaño en este intervalo para poder obtener una u otra propiedad. A menudo, los métodos se dividen en dos tipos principales, "ascendentes" y "descendentes".
Métodos de baixo para cima
Os métodos bottom-up envolvem a montagem de átomos ou moléculas em conjuntos nanoestruturados. Nestes métodos, as fontes de matéria-prima podem ser gases, líquidos ou sólidos. Estes últimos requerem algum tipo de desmontagem antes da incorporação em uma nanoestrutura. Os métodos bottom-up são geralmente divididos em duas categorias: caóticos e controlados.
Os processos caóticos envolvem a elevação de átomos ou moléculas constituintes a um estado caótico e, em seguida, mudanças repentinas nas condições para que esse estado se torne instável. Ao manipular de forma inteligente qualquer número de parâmetros, os produtos são formados em grande parte como resultado da cinética do seguro. O colapso do estado caótico pode ser difícil ou impossível de controlar, portanto as estatísticas de conjunto normalmente governam a distribuição de tamanho resultante e o tamanho médio. Consequentemente, a formação de nanopartículas é controlada pela manipulação do estado final dos produtos. Exemplos de processos caóticos são ablação a laser,[43] explosão de fio, arco elétrico, pirólise de chama, combustão[44] e técnicas de síntese de precipitação.
Os processos controlados envolvem a entrega controlada de átomos ou moléculas constituintes ao local ou locais de formação de nanopartículas, para que possam crescer até um tamanho prescrito de maneira controlada. Normalmente, o estado dos átomos ou moléculas constituintes nunca está longe daquele necessário para a formação de nanopartículas. Portanto, a formação de nanopartículas é controlada pelo controle do estado dos reagentes. Exemplos de processos controlados são solução de crescimento autolimitada, deposição química de vapor autolimitada, técnicas de laser de femtosegundo de pulso padronizado, abordagens de plantas e microbianas [45] e epitaxia por feixe molecular.
Métodos de cima para baixo
Os métodos de cima para baixo adotam alguma “força” (por exemplo, força mecânica, laser) para quebrar materiais a granel em nanopartículas. Um método muito popular de quebrar mecanicamente materiais a granel em nanomateriais é o “moinho de bolas”. Além disso, as nanopartículas também podem ser fabricadas por ablação a laser, que aplica lasers de pulso curto (por exemplo, laser de femtosegundo) para fazer a ablação de um alvo (sólido).[43].
Caracterização
Artigos principais: Nanometrologia e Caracterização de nanopartículas.
Novos efeitos em materiais podem ocorrer quando estruturas são formadas com tamanhos comparáveis a qualquer uma das muitas escalas de comprimento possíveis, como o comprimento de onda de Broglie dos elétrons ou os comprimentos de onda ópticos dos fótons de alta energia. Nestes casos, os efeitos da mecânica quântica podem dominar as propriedades dos materiais. Um exemplo é o confinamento quântico"), em que as propriedades eletrônicas dos sólidos são alteradas com grandes reduções no tamanho das partículas. As propriedades ópticas das nanopartículas, por exemplo a fluorescência, também passam a ser uma função do diâmetro da partícula. Este efeito não entra em jogo quando se passa das dimensões macroscópicas para as micrométricas, mas é acentuado quando a escala nanométrica é atingida.
Além das propriedades ópticas e eletrônicas, as novas propriedades mecânicas de muitos nanomateriais são objeto de pesquisa em nanomecânica. de um aumento na estabilidade e uma melhoria na funcionalidade.[46].
Finalmente, materiais nanoestruturados com partículas pequenas, como zeólitas e amianto, são usados como catalisadores em uma ampla gama de reações químicas industriais críticas. O desenvolvimento adicional destes catalisadores pode constituir a base para processos químicos mais eficientes e ecológicos.
As primeiras observações e medições do tamanho das nanopartículas foram feitas durante a primeira década do século. Zsigmondy realizou estudos detalhados de sóis de ouro e outros nanomateriais com tamanhos inferiores a 10 nm. Ele publicou um livro em 1914. Ele usou um ultramicroscópio que usa um método de campo escuro para ver partículas com tamanhos muito menores que o comprimento de onda da luz.
Existem técnicas tradicionais desenvolvidas ao longo do século na ciência de interfaces e colóides para caracterizar nanomateriais. Eles são amplamente utilizados para nanomateriais passivos de primeira geração especificados na seção seguinte.
Esses métodos incluem diversas técnicas diferentes para caracterizar a distribuição de tamanho das partículas.
Existe também um conjunto de técnicas tradicionais para caracterizar a carga superficial") ou potencial zeta de nanopartículas em soluções. Esta informação é necessária para a correta estabilização do sistema, evitando sua agregação ou floculação. Esses métodos incluem microeletroforese"), espalhamento eletroforético de luz") e eletroacústica. Esta última, por exemplo o método da corrente vibratória coloidal"), é adequada para caracterizar sistemas concentrados.
Propriedades mecânicas
Pesquisas em andamento mostraram que as propriedades mecânicas podem variar significativamente nos nanomateriais em comparação com o material a granel. Os nanomateriais têm propriedades mecânicas substanciais devido ao volume, à superfície e aos efeitos quânticos das nanopartículas. Isto é observado quando nanopartículas são adicionadas a um material a granel comum, o nanomaterial refina o grão e forma estruturas intergranulares e intragranulares que melhoram os limites dos grãos e, portanto, as propriedades mecânicas dos materiais. O refinamento do contorno do grão fornece reforço, aumentando a tensão necessária para causar fraturas intergranulares ou transgranulares. Um exemplo comum em que isso pode ser observado é a adição de nanosílica ao cimento, o que melhora a resistência à tração, compressão e flexão através dos mecanismos que acabamos de mencionar. A compreensão dessas propriedades melhorará o uso de nanopartículas em novas aplicações em vários campos, como engenharia de superfície, tribologia e nanofabricação.
Uniformidade
O processamento químico e a síntese de componentes tecnológicos de alto desempenho para os setores privado, industrial e militar exigem o uso de cerâmicas, polímeros, vitrocerâmicas e materiais compósitos de alta pureza. Em corpos condensados formados a partir de pós finos, os tamanhos e formatos irregulares das nanopartículas em um pó típico geralmente levam a morfologias de empacotamento não uniformes que dão origem a variações na densidade de empacotamento no pó compacto.
A aglomeração descontrolada de pós devido às forças atrativas de Van der Waals também pode levar a heterogeneidades microestruturais. As tensões diferenciais que se desenvolvem como resultado da retração por secagem não uniforme estão diretamente relacionadas à taxa na qual o solvente pode ser removido e são, portanto, altamente dependentes da distribuição da porosidade. Essas tensões têm sido associadas a uma transição de plástico para frágil em corpos consolidados e podem levar à propagação de trincas no corpo.[48][49][50].
Além disso, quaisquer flutuações na densidade de compactação do compacto durante a preparação para o forno são frequentemente amplificadas durante o processo de sinterização, levando a uma densificação não homogênea. Foi demonstrado que alguns poros e outros defeitos estruturais associados a variações de densidade desempenham um papel prejudicial no processo de sinterização, aumentando e limitando assim as densidades finais. Também foi demonstrado que tensões diferenciais decorrentes da densificação não homogênea dão origem à propagação de trincas internas, tornando-se assim os defeitos que controlam a resistência.[51][52].
Portanto, parece desejável processar um material de uma forma que seja fisicamente uniforme na distribuição dos componentes e na porosidade, em vez de usar distribuições de tamanho de partícula que maximizem a densidade bruta. A contenção de um conjunto uniformemente disperso de partículas fortemente interagentes em suspensão requer controle completo das interações partícula-partícula. Vários dispersantes, como citrato de amônio (aquoso) e imidazolina ou álcool oleílico (não aquoso), são soluções promissoras como aditivos potenciais para melhorar a dispersão e desaglomeração. Nanopartículas monodispersas e colóides oferecem esse potencial.[53].
Pós de sílica coloidal monodispersa, por exemplo, podem ser estabilizados suficientemente para garantir um alto grau de ordem no cristal coloidal ou no sólido coloidal policristalino resultante da agregação. O grau de ordem parece ser limitado pelo tempo e espaço permitidos para o estabelecimento de correlações de longo alcance. Essas estruturas coloidais policristalinas defeituosas parecem ser os blocos de construção da ciência dos materiais coloidais submicrométricos e, portanto, fornecem o primeiro passo no desenvolvimento de uma compreensão mais rigorosa dos mecanismos envolvidos na evolução microestrutural em materiais e componentes de alto desempenho.[54][55].
Nanomateriais em artigos, patentes e produtos
A análise quantitativa de nanomateriais mostrou que nanopartículas, nanotubos, materiais nanocristalinos, nanocompósitos e grafeno foram mencionados em 400.000, 181.000, 144.000, 140.000 e 119.000 artigos indexados no ISI, respectivamente, em setembro de 2018. Em relação a patentes, nanopartículas, nanotubos, nanocompósitos, grafeno, e os nanofios desempenharam um papel em 45.600, 32.100, 12.700, 12.500 e 11.800 patentes, respectivamente. A monitorização de cerca de 7.000 nanoprodutos comerciais disponíveis nos mercados globais revelou que as propriedades de cerca de 2.330 produtos foram facilitadas ou melhoradas com a ajuda de nanopartículas. Lipossomas, nanofibras, nanocolóides e aerogéis também estavam entre os nanomateriais mais comuns em produtos de consumo.[56].
O Observatório de Nanomateriais da União Europeia (EUON) desenvolveu uma base de dados (NanoData) que fornece informações sobre patentes, produtos e publicações de investigação específicas sobre nanomateriais.
Critérios de Avaliação
Os nanomateriais sintéticos fabricados devem ser considerados sob uma avaliação rigorosa para determinar se são adequados e assim garantir a segurança das novas substâncias, buscando principalmente avaliar aquelas que possuem importância comercial, por exemplo: fulerenos, nanopartículas de prata, nanopartículas de ferro, nanopartículas de ouro, nanoargilas, óxido de alumínio, óxido de zinco, óxido de cério, dióxido de silício, dendrímeros de dióxido de titânio, SWCNTs e MWCNTs. Esses critérios de avaliação são baseados na segurança ambiental e na saúde humana, são principalmente: [57].
[3] ↑ Portela, Carlos M.; Vidyasagar, A.; Krödel, Sebastian; Weissenbach, Tamara; Yee, Daryl W.; Greer, Julia R.; Kochmann, Dennis M. (2020). «Extreme mechanical resilience of self-assembled nanolabyrinthine materials». Proceedings of the National Academy of Sciences 117 (11): 5686-5693. Bibcode:2020PNAS..117.5686P. ISSN 0027-8424. PMC 7084143. PMID 32132212. doi:10.1073/pnas.1916817117.: https://es.wikipedia.org//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7084143
[4] ↑ «Current Strategies for Engineering Controls in Nanomaterial Production and Downstream Handling Processes», U.S. National Institute for Occupational Safety and Health (en inglés estadounidense), November 2013: 1-3, 7, 9-10, 17-20, doi:10.26616/NIOSHPUB2014102, consultado el 5 de marzo de 2017 .: https://www.cdc.gov/niosh/docs/2014-102/default.html
[7] ↑ «Future challenges related to the safety of manufactured nanomaterials». Organisation for Economic Co-operation and Development. 4 de noviembre de 2016. p. 11. Consultado el 6 de septiembre de 2017. - [http://www.oecd.org/officialdocuments/publicdisplaydocumentpdf/?cote=env/jm/mono(2016)58&doclanguage=en](http://www.oecd.org/officialdocuments/publicdisplaydocumentpdf/?cote=env/jm/mono(2016)58&doclanguage=en)
[9] ↑ Barcelo, Damia; Farre, Marinella (2012). Analysis and Risk of Nanomaterials in Environmental and Food Samples. Oxford: Elsevier. p. 291. ISBN 9780444563286.
[10] ↑ Sahu, Saura; Casciano, Daniel (2009). Nanotoxicity: From in Vivo and in Vitro Models to Health Risks. Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons. pp. 227. ISBN 9780470741375.: https://archive.org/details/nanotoxicityinvi0000unse
[16] ↑ Silva Yumi, J. E., & Medina S., C. A. (2024). Materiales y nanomateriales: Principios, aplicaciones y técnicas de caracterización. CIMOGSYS - ESPOCH. http://cimogsys.espoch.edu.ec/direccion-publicaciones/public/docs/books/2024-07-24-131511-Materiales%20y%20nanomateriales.pdf.
[17] ↑ Rawat, Pankaj Singh; Srivastava, R.C.; Dixit, Gagan; Asokan, K. (2020). «Structural, functional and magnetic ordering modifications in graphene oxide and graphite by 100 MeV gold ion irradiation». Vacuum 182: 109700. Bibcode:2020Vacuu.182j9700R. S2CID 225410221. doi:10.1016/j.vacuum.2020.109700.: http://adsabs.harvard.edu/abs/2020Vacuu.182j9700R
[19] ↑ «ISO/TS 80004-4:2011 - Nanotechnologies – Vocabulary – Part 4: Nanostructured materials». International Organization for Standardization. 2011. Consultado el 8 de enero de 2018.: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:ts:80004:-4:ed-1:v1:en
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Materiais reduzidos à nanoescala podem repentinamente apresentar propriedades muito diferentes daquelas exibidas em macroescala, permitindo aplicações únicas. Por exemplo, as substâncias opacas tornam-se transparentes (cobre); materiais inertes são transformados em catalisadores (platina); materiais estáveis são transformados em combustíveis (alumínio); os sólidos tornam-se líquidos à temperatura ambiente (ouro); isoladores tornam-se condutores (silicone). Materiais como o ouro, que é quimicamente inerte em escalas normais, podem servir como catalisadores em nanoescalas. Grande parte do fascínio pela nanotecnologia vem desses fenômenos quânticos e de superfície peculiares que a matéria exibe em nanoescala.
Partículas de pó nanométricas (também chamadas de nanopartículas) são potencialmente importantes em cerâmica e metalurgia do pó, alcançando nanoporosidade uniforme e outras aplicações semelhantes. A forte tendência de pequenas partículas formarem grumos é um sério problema tecnológico que impede tais aplicações. No entanto, alguns dispersantes como citrato de amônia (aquoso) e álcool oleico") (não aquoso) são aditivos promissores para desligação.
Os nanomateriais podem ser subdivididos em nanopartículas, nanoconchas e nanocompósitos. A abordagem dos nanomateriais é uma abordagem ascendente aos efeitos estruturais e funcionais, de modo que os blocos de construção dos materiais sejam concebidos e montados de forma controlada.
Um relatório recente do Small Times prevê um forte crescimento nos chamados nanomateriais. Discute os diferentes tipos que existem atualmente (como nanoargilas para reforçar plásticos) ou nanotubos de carbono para adicionar condutividade a vários materiais.
Muitos destes avanços estão a ser realizados por pequenas e médias empresas norte-americanas em colaboração com empresas líderes.
Existem três categorias básicas de nanomateriais do ponto de vista comercial e de desenvolvimento: óxidos metálicos, nanoargilas e nanotubos de carbono. As que mais avançaram do ponto de vista comercial são as nanopartículas de óxidos metálicos.
Fontes
Engenharia
Os nanomateriais projetados foram deliberadamente projetados e fabricados por humanos para terem certas propriedades.[3][4].
Nanomateriais legados são aqueles que foram produzidos comercialmente antes do desenvolvimento da nanotecnologia como avanços incrementais em relação a outros materiais coloidais ou particulados,[5][6][7] como negro de fumo e nanopartículas de dióxido de titânio").[8].
Incidental
Os nanomateriais podem ser produzidos involuntariamente como subproduto de processos mecânicos ou industriais através de combustão e vaporização. As fontes de nanopartículas acidentais incluem escapamento de motores de veículos, fundição, vapores de soldagem, processos de combustão de aquecimento doméstico com combustível sólido e culinária. Por exemplo, a classe de nanomateriais chamados fulerenos é gerada pela queima de gás, biomassa (biomassa (energia)) e velas.
Natural
Os sistemas biológicos apresentam frequentemente nanomateriais naturais e funcionais. A estrutura dos foraminíferos (principalmente calcário) e vírus (proteína, capsídeo), os cristais de cera que cobrem uma folha de lótus ou capuchinha, a seda de aranhas e ácaros,[13] o tom azul das tarântulas,[14] as "espátulas" na parte inferior das pernas das lagartixas, algumas escamas de asas de borboleta, colóides naturais (leite, sangue), materiais córneos (pele, garras, bicos, penas, chifres, cabelos), papel, algodão, madrepérola, corais e até mesmo nossa própria matriz óssea são nanomateriais orgânicos naturais.
Nanomateriais inorgânicos naturais são produzidos pelo crescimento de cristais nas diversas condições químicas da crosta terrestre. Por exemplo, as argilas exibem nanoestruturas complexas devido à anisotropia da sua estrutura cristalina subjacente, e a atividade vulcânica pode dar origem a opalas, que são um exemplo de cristais fotónicos naturais devido à sua estrutura em nanoescala. Os incêndios representam reações especialmente complexas e podem produzir pigmentos, cimento, sílica pirogênica”), etc.
As fontes naturais de nanopartículas são os produtos de combustão de incêndios florestais, cinzas vulcânicas, respingos oceânicos e a decomposição radioativa do gás radônio. Os nanomateriais naturais também podem se formar através de processos de intemperismo de rochas contendo metais ou ânions, bem como em locais de drenagem ácida de minas.[15].
Pessoal
Contenido
Los nanoobjetos se suelen clasificar en función de cuántas de sus dimensiones entran en la nanoescala. Una nanopartícula se define como un nanoobjeto con las tres dimensiones externas en la nanoescala, cuyos ejes más largo y más corto no difieren significativamente.
Dimensiones.
La clasificación de los nanomateriales depende de cuántas de sus tres dimensiones espaciales se encuentran en la escala nanométrica [16].
Una nanofibra tiene dos dimensiones externas en la nanoescala, siendo los nanotubos nanofibras huecas y los nanorods nanofibras sólidas. Una nanoplaca/nanohoja tiene una dimensión externa en la nanoescala,[17] y si las dos dimensiones mayores son significativamente diferentes se denomina nanocinta. En el caso de las nanofibras y las nanoplacas, las otras dimensiones pueden estar o no en la nanoescala, pero deben ser significativamente mayores. En todos estos casos, se observa que una diferencia significativa suele ser al menos un factor de 3.[18].
Los materiales nanoestructurados suelen clasificarse según las fases de la materia "Fase (materia)") que contengan. Un nanocompuesto es un sólido que contiene al menos una región o conjunto de regiones física o químicamente distintas, con al menos una dimensión en la nanoescala. Una nanoespuma") tiene una matriz líquida o sólida, rellena de una fase gaseosa, donde una de las dos fases tiene dimensiones en la nanoescala. Un material nanoporoso") es un material sólido que contiene nanoporos, vacíos en forma de poros abiertos o cerrados de longitudes submicrónicas. Un material nanocristalino") tiene una fracción significativa de granos de cristal en la nanoescala.[19].
Materiais nanoporosos
O termo materiais nanoporosos abrange subconjuntos de materiais microporosos e mesoporosos. Materiais microporosos são materiais porosos com tamanho médio de poro inferior a 2 nm, enquanto materiais mesoporosos são aqueles com tamanhos de poro na região de 2-50 nm.[20] Materiais microporosos exibem tamanhos de poros com uma escala de comprimento comparável à de pequenas moléculas. Por esta razão, estes materiais podem ter aplicações valiosas, como membranas de separação. Os materiais mesoporosos são interessantes para aplicações que requerem uma elevada área superficial específica, ao mesmo tempo que permitem a penetração de moléculas que podem ser demasiado grandes para entrar nos poros de um material microporoso. Em algumas fontes, os materiais nanoporosos e a nanoespuma são por vezes considerados nanoestruturas, mas não nanomateriais, porque apenas os vazios, e não os próprios materiais, são em nanoescala.[21] Embora a definição ISO considere apenas nanoobjetos redondos como nanopartículas, outras fontes usam o termo nanopartícula para todas as formas.[22]
Nanopartículas
Artigo principal: Nanopartículas.
As nanopartículas têm todas as três dimensões em nanoescala. Nanopartículas também podem ser incorporadas em um sólido para formar um nanocompósito.[21].
Artigo principal: Fullereno.
Fulerenos são uma classe de alótropos de carbono que conceitualmente são folhas de grafeno enroladas em tubos ou esferas. Entre eles estão os nanotubos de carbono (ou nanotubos de silício), interessantes tanto pela sua resistência mecânica como pelas suas propriedades elétricas.[23].
A primeira molécula de fulereno descoberta e homônima da família, buckminsterfullerene (C), foi preparada em 1985 por Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O'Brien e Harold Kroto na Rice University. O nome foi uma homenagem a Buckminster Fuller, cujas cúpulas geodésicas se assemelha. Desde então, descobriu-se que os fulerenos estão presentes na natureza.[24] Mais recentemente, os fulerenos foram detectados no espaço sideral.[25].
Durante a última década, as propriedades químicas e físicas dos fulerenos têm sido um tema quente no campo da investigação e desenvolvimento, e é provável que assim permaneçam por muito tempo. Em abril de 2003, estavam sendo estudados possíveis usos medicinais dos fulerenos: ligando antibióticos específicos à estrutura de bactérias resistentes e até visando certos tipos de células cancerígenas, como células de melanoma. A edição de outubro de 2005 da Chemistry and Biology contém um artigo que descreve o uso de fulerenos como agentes antimicrobianos ativados pela luz. No campo da nanotecnologia, a resistência ao calor e a supercondutividade são algumas das propriedades que estimulam intensas pesquisas.
Um método comum de produção de fulerenos é enviar uma grande corrente entre dois eletrodos de grafite próximos em uma atmosfera inerte. O arco de plasma de carbono resultante "Plasma (estado da matéria)") entre os eletrodos esfria para formar um resíduo de fuligem do qual muitos fulerenos podem ser isolados.
Muitos cálculos foram realizados com métodos quânticos ab-initio aplicados aos fulerenos. Usando métodos DFT e TDDFT, espectros IR, Raman e UV podem ser obtidos. Os resultados desses cálculos podem ser comparados com os experimentais.
Nanomateriais inorgânicos (por exemplo, pontos quânticos, nanofios e nanobastões), devido às suas interessantes propriedades ópticas e elétricas, poderiam ser usados em optoeletrônica. Além disso, as propriedades ópticas e electrónicas dos nanomateriais, que dependem do seu tamanho e forma, podem ser ajustadas utilizando técnicas sintéticas. Existem possibilidades de utilização destes materiais em dispositivos optoeletrônicos baseados em materiais orgânicos, como células solares orgânicas, OLEDs, etc. Os princípios de funcionamento desses dispositivos são regidos por processos fotoinduzidos como transferência de elétrons e transferência de energia. O desempenho dos dispositivos depende da eficiência do processo fotoinduzido responsável pelo seu funcionamento. Portanto, é necessário compreender melhor esses processos fotoinduzidos em sistemas compósitos de nanomateriais orgânicos/inorgânicos para poder utilizá-los em dispositivos optoeletrônicos.
Nanoestruturas unidimensionais
Os menores fios cristalinos possíveis, com uma seção transversal tão pequena quanto a de um átomo, podem ser fabricados em confinamento cilíndrico.[30][31][32] Nanotubos de carbono, uma nanoestrutura semidimensional natural, podem ser usados como modelo para síntese. O confinamento proporciona estabilização mecânica e evita a desintegração das cadeias atômicas lineares; Prevê-se que outras estruturas de nanofios 1D sejam mecanicamente estáveis, mesmo quando isoladas de modelos[33][34].
Nanoestruturas bidimensionais
Os materiais 2D são materiais cristalinos compostos por uma única camada bidimensional de átomos. O representante mais importante, o grafeno, foi descoberto em 2004. Filmes finos com espessuras em nanoescala são considerados nanoestruturas, mas às vezes não são considerados nanomateriais porque não existem separados do substrato.[21][35].
Materiais nanoestruturados a granel
Alguns materiais a granel contêm características em nanoescala, como nanocompósitos, materiais nanocristalinos, filmes nanoestruturados e superfícies nanotexturizadas[21].
A nanoestrutura de grafeno em forma de caixa (BSG) é um exemplo de nanomaterial tridimensional. A nanoestrutura BSG apareceu após a clivagem mecânica da grafite pirolítica"). Esta nanoestrutura é um sistema multicamadas de nanocanais ocos paralelos localizados ao longo da superfície e com seção transversal quadrangular. A espessura das paredes do canal é aproximadamente igual a 1 nm. A largura típica das facetas do canal é de cerca de 25 nm.
Aplicativos
Artigo principal: Aplicações da nanotecnologia.
Os nanomateriais são utilizados em uma ampla variedade de processos de fabricação, produtos e cuidados de saúde, como tintas, filtros, isolantes e aditivos lubrificantes. Na área da saúde, nanozimas") são nanomateriais com características semelhantes às enzimas.[37] São um tipo emergente de enzimas artificiais, que têm sido utilizadas para amplas aplicações em campos como biossensor, bioimagem, diagnóstico de tumores[38] ou antibioincrustação, entre outros.
Filtros de alta qualidade podem ser fabricados utilizando nanoestruturas; Esses filtros são capazes de remover partículas tão pequenas quanto um vírus, como visto em um filtro de água criado pela Seldon Technologies. Recentemente, biorreatores de membrana de nanomateriais (NMs-MBR), a próxima geração de MBRs convencionais, foram propostos para tratamento avançado de águas residuais [39].
No campo da purificação do ar, a nanotecnologia foi utilizada para combater a propagação da MERS em hospitais na Arábia Saudita em 2012.[40] Os nanomateriais estão a ser utilizados em tecnologias de isolamento modernas e seguras para o homem; no passado, eram encontrados em isoladores à base de amianto.
Como aditivo lubrificante, os nanomateriais têm a capacidade de reduzir o atrito nas peças móveis. Peças desgastadas e corroídas também podem ser reparadas com nanopartículas anisotrópicas automontáveis chamadas TriboTEX.[40].
Os nanomateriais também têm sido aplicados em diversas indústrias e produtos de consumo. Nanopartículas minerais, como o óxido de titânio "Titanium(IV) Oxide"), têm sido utilizadas para melhorar a proteção UV de filtros solares. Na indústria esportiva, bastões mais leves foram fabricados com nanotubos de carbono para melhorar seu desempenho. Outra aplicação é nas forças armadas, onde nanopartículas de pigmentos móveis têm sido usadas para criar uma camuflagem mais eficaz. Os nanomateriais também podem ser usados em aplicações de catalisadores de três vias (TWC). Os conversores TWC têm a vantagem de controlar a emissão de óxidos de nitrogênio (NOx), precursores da chuva ácida e do smog.[41] Na estrutura núcleo-invólucro, os nanomateriais formam um invólucro como suporte do catalisador para proteger metais nobres, como paládio e ródio.[42] A principal função é que os suportes podem ser utilizados para transportar os componentes ativos dos catalisadores, torná-los altamente dispersos, reduzir o uso de metais nobres, aumentar a atividade dos catalisadores. e melhorar a resistência mecânica.
Síntese
El objetivo de cualquier método de síntesis de nanomateriales es obtener un material que presente propiedades derivadas de su escala de longitud característica en el rango nanométrico (1 - 100 nm). Por consiguiente, el método sintético debe permitir controlar el tamaño en este intervalo para poder obtener una u otra propiedad. A menudo, los métodos se dividen en dos tipos principales, "ascendentes" y "descendentes".
Métodos de baixo para cima
Os métodos bottom-up envolvem a montagem de átomos ou moléculas em conjuntos nanoestruturados. Nestes métodos, as fontes de matéria-prima podem ser gases, líquidos ou sólidos. Estes últimos requerem algum tipo de desmontagem antes da incorporação em uma nanoestrutura. Os métodos bottom-up são geralmente divididos em duas categorias: caóticos e controlados.
Os processos caóticos envolvem a elevação de átomos ou moléculas constituintes a um estado caótico e, em seguida, mudanças repentinas nas condições para que esse estado se torne instável. Ao manipular de forma inteligente qualquer número de parâmetros, os produtos são formados em grande parte como resultado da cinética do seguro. O colapso do estado caótico pode ser difícil ou impossível de controlar, portanto as estatísticas de conjunto normalmente governam a distribuição de tamanho resultante e o tamanho médio. Consequentemente, a formação de nanopartículas é controlada pela manipulação do estado final dos produtos. Exemplos de processos caóticos são ablação a laser,[43] explosão de fio, arco elétrico, pirólise de chama, combustão[44] e técnicas de síntese de precipitação.
Os processos controlados envolvem a entrega controlada de átomos ou moléculas constituintes ao local ou locais de formação de nanopartículas, para que possam crescer até um tamanho prescrito de maneira controlada. Normalmente, o estado dos átomos ou moléculas constituintes nunca está longe daquele necessário para a formação de nanopartículas. Portanto, a formação de nanopartículas é controlada pelo controle do estado dos reagentes. Exemplos de processos controlados são solução de crescimento autolimitada, deposição química de vapor autolimitada, técnicas de laser de femtosegundo de pulso padronizado, abordagens de plantas e microbianas [45] e epitaxia por feixe molecular.
Métodos de cima para baixo
Os métodos de cima para baixo adotam alguma “força” (por exemplo, força mecânica, laser) para quebrar materiais a granel em nanopartículas. Um método muito popular de quebrar mecanicamente materiais a granel em nanomateriais é o “moinho de bolas”. Além disso, as nanopartículas também podem ser fabricadas por ablação a laser, que aplica lasers de pulso curto (por exemplo, laser de femtosegundo) para fazer a ablação de um alvo (sólido).[43].
Caracterização
Artigos principais: Nanometrologia e Caracterização de nanopartículas.
Novos efeitos em materiais podem ocorrer quando estruturas são formadas com tamanhos comparáveis a qualquer uma das muitas escalas de comprimento possíveis, como o comprimento de onda de Broglie dos elétrons ou os comprimentos de onda ópticos dos fótons de alta energia. Nestes casos, os efeitos da mecânica quântica podem dominar as propriedades dos materiais. Um exemplo é o confinamento quântico"), em que as propriedades eletrônicas dos sólidos são alteradas com grandes reduções no tamanho das partículas. As propriedades ópticas das nanopartículas, por exemplo a fluorescência, também passam a ser uma função do diâmetro da partícula. Este efeito não entra em jogo quando se passa das dimensões macroscópicas para as micrométricas, mas é acentuado quando a escala nanométrica é atingida.
Além das propriedades ópticas e eletrônicas, as novas propriedades mecânicas de muitos nanomateriais são objeto de pesquisa em nanomecânica. de um aumento na estabilidade e uma melhoria na funcionalidade.[46].
Finalmente, materiais nanoestruturados com partículas pequenas, como zeólitas e amianto, são usados como catalisadores em uma ampla gama de reações químicas industriais críticas. O desenvolvimento adicional destes catalisadores pode constituir a base para processos químicos mais eficientes e ecológicos.
As primeiras observações e medições do tamanho das nanopartículas foram feitas durante a primeira década do século. Zsigmondy realizou estudos detalhados de sóis de ouro e outros nanomateriais com tamanhos inferiores a 10 nm. Ele publicou um livro em 1914. Ele usou um ultramicroscópio que usa um método de campo escuro para ver partículas com tamanhos muito menores que o comprimento de onda da luz.
Existem técnicas tradicionais desenvolvidas ao longo do século na ciência de interfaces e colóides para caracterizar nanomateriais. Eles são amplamente utilizados para nanomateriais passivos de primeira geração especificados na seção seguinte.
Esses métodos incluem diversas técnicas diferentes para caracterizar a distribuição de tamanho das partículas.
Existe também um conjunto de técnicas tradicionais para caracterizar a carga superficial") ou potencial zeta de nanopartículas em soluções. Esta informação é necessária para a correta estabilização do sistema, evitando sua agregação ou floculação. Esses métodos incluem microeletroforese"), espalhamento eletroforético de luz") e eletroacústica. Esta última, por exemplo o método da corrente vibratória coloidal"), é adequada para caracterizar sistemas concentrados.
Propriedades mecânicas
Pesquisas em andamento mostraram que as propriedades mecânicas podem variar significativamente nos nanomateriais em comparação com o material a granel. Os nanomateriais têm propriedades mecânicas substanciais devido ao volume, à superfície e aos efeitos quânticos das nanopartículas. Isto é observado quando nanopartículas são adicionadas a um material a granel comum, o nanomaterial refina o grão e forma estruturas intergranulares e intragranulares que melhoram os limites dos grãos e, portanto, as propriedades mecânicas dos materiais. O refinamento do contorno do grão fornece reforço, aumentando a tensão necessária para causar fraturas intergranulares ou transgranulares. Um exemplo comum em que isso pode ser observado é a adição de nanosílica ao cimento, o que melhora a resistência à tração, compressão e flexão através dos mecanismos que acabamos de mencionar. A compreensão dessas propriedades melhorará o uso de nanopartículas em novas aplicações em vários campos, como engenharia de superfície, tribologia e nanofabricação.
Uniformidade
O processamento químico e a síntese de componentes tecnológicos de alto desempenho para os setores privado, industrial e militar exigem o uso de cerâmicas, polímeros, vitrocerâmicas e materiais compósitos de alta pureza. Em corpos condensados formados a partir de pós finos, os tamanhos e formatos irregulares das nanopartículas em um pó típico geralmente levam a morfologias de empacotamento não uniformes que dão origem a variações na densidade de empacotamento no pó compacto.
A aglomeração descontrolada de pós devido às forças atrativas de Van der Waals também pode levar a heterogeneidades microestruturais. As tensões diferenciais que se desenvolvem como resultado da retração por secagem não uniforme estão diretamente relacionadas à taxa na qual o solvente pode ser removido e são, portanto, altamente dependentes da distribuição da porosidade. Essas tensões têm sido associadas a uma transição de plástico para frágil em corpos consolidados e podem levar à propagação de trincas no corpo.[48][49][50].
Além disso, quaisquer flutuações na densidade de compactação do compacto durante a preparação para o forno são frequentemente amplificadas durante o processo de sinterização, levando a uma densificação não homogênea. Foi demonstrado que alguns poros e outros defeitos estruturais associados a variações de densidade desempenham um papel prejudicial no processo de sinterização, aumentando e limitando assim as densidades finais. Também foi demonstrado que tensões diferenciais decorrentes da densificação não homogênea dão origem à propagação de trincas internas, tornando-se assim os defeitos que controlam a resistência.[51][52].
Portanto, parece desejável processar um material de uma forma que seja fisicamente uniforme na distribuição dos componentes e na porosidade, em vez de usar distribuições de tamanho de partícula que maximizem a densidade bruta. A contenção de um conjunto uniformemente disperso de partículas fortemente interagentes em suspensão requer controle completo das interações partícula-partícula. Vários dispersantes, como citrato de amônio (aquoso) e imidazolina ou álcool oleílico (não aquoso), são soluções promissoras como aditivos potenciais para melhorar a dispersão e desaglomeração. Nanopartículas monodispersas e colóides oferecem esse potencial.[53].
Pós de sílica coloidal monodispersa, por exemplo, podem ser estabilizados suficientemente para garantir um alto grau de ordem no cristal coloidal ou no sólido coloidal policristalino resultante da agregação. O grau de ordem parece ser limitado pelo tempo e espaço permitidos para o estabelecimento de correlações de longo alcance. Essas estruturas coloidais policristalinas defeituosas parecem ser os blocos de construção da ciência dos materiais coloidais submicrométricos e, portanto, fornecem o primeiro passo no desenvolvimento de uma compreensão mais rigorosa dos mecanismos envolvidos na evolução microestrutural em materiais e componentes de alto desempenho.[54][55].
Nanomateriais em artigos, patentes e produtos
A análise quantitativa de nanomateriais mostrou que nanopartículas, nanotubos, materiais nanocristalinos, nanocompósitos e grafeno foram mencionados em 400.000, 181.000, 144.000, 140.000 e 119.000 artigos indexados no ISI, respectivamente, em setembro de 2018. Em relação a patentes, nanopartículas, nanotubos, nanocompósitos, grafeno, e os nanofios desempenharam um papel em 45.600, 32.100, 12.700, 12.500 e 11.800 patentes, respectivamente. A monitorização de cerca de 7.000 nanoprodutos comerciais disponíveis nos mercados globais revelou que as propriedades de cerca de 2.330 produtos foram facilitadas ou melhoradas com a ajuda de nanopartículas. Lipossomas, nanofibras, nanocolóides e aerogéis também estavam entre os nanomateriais mais comuns em produtos de consumo.[56].
O Observatório de Nanomateriais da União Europeia (EUON) desenvolveu uma base de dados (NanoData) que fornece informações sobre patentes, produtos e publicações de investigação específicas sobre nanomateriais.
Critérios de Avaliação
Os nanomateriais sintéticos fabricados devem ser considerados sob uma avaliação rigorosa para determinar se são adequados e assim garantir a segurança das novas substâncias, buscando principalmente avaliar aquelas que possuem importância comercial, por exemplo: fulerenos, nanopartículas de prata, nanopartículas de ferro, nanopartículas de ouro, nanoargilas, óxido de alumínio, óxido de zinco, óxido de cério, dióxido de silício, dendrímeros de dióxido de titânio, SWCNTs e MWCNTs. Esses critérios de avaliação são baseados na segurança ambiental e na saúde humana, são principalmente: [57].
[3] ↑ Portela, Carlos M.; Vidyasagar, A.; Krödel, Sebastian; Weissenbach, Tamara; Yee, Daryl W.; Greer, Julia R.; Kochmann, Dennis M. (2020). «Extreme mechanical resilience of self-assembled nanolabyrinthine materials». Proceedings of the National Academy of Sciences 117 (11): 5686-5693. Bibcode:2020PNAS..117.5686P. ISSN 0027-8424. PMC 7084143. PMID 32132212. doi:10.1073/pnas.1916817117.: https://es.wikipedia.org//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7084143
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Nanopartículas ou nanocristais de metais, semicondutores ou óxidos são de especial interesse devido às suas propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas e químicas, entre outras.[26][27] Nanopartículas têm sido utilizadas como pontos quânticos e como catalisadores químicos, como catalisadores baseados em nanomateriais. Recentemente, várias nanopartículas estão sendo investigadas para aplicações biomédicas, como engenharia de tecidos, administração de medicamentos ou biossensores.[28][29].
As nanopartículas são de grande interesse científico porque constituem uma ponte entre materiais a granel e estruturas atômicas ou moleculares. Um material a granel deve ter propriedades físicas constantes, independentemente do seu tamanho, mas na escala nanométrica este geralmente não é o caso. Propriedades dependentes do tamanho, como confinamento quântico) são observadas em partículas semicondutoras, ressonância plasmônica de superfície em algumas partículas metálicas e superparamagnetismo em materiais magnéticos.
As nanopartículas possuem uma série de propriedades especiais em relação ao material a granel. Por exemplo, a flexão de cobre a granel (fio, fita, etc.) ocorre com o movimento de átomos/aglomerados de cobre em uma escala de aproximadamente 50 nm. Nanopartículas de cobre menores que 50 nm são consideradas materiais superduros que não possuem a mesma maleabilidade e ductilidade do cobre a granel. Alterar propriedades nem sempre é desejável. Materiais ferroelétricos menores que 10 nm podem mudar sua direção de polarização usando energia térmica à temperatura ambiente, tornando-os inúteis para armazenamento em memória. "Suspensão (química)") suspensões de nanopartículas são possíveis porque a interação da superfície da partícula com o solvente é forte o suficiente para superar diferenças de densidade, que normalmente fazem com que um material afunde ou flutue em um líquido. As nanopartículas muitas vezes têm propriedades visuais inesperadas porque são pequenas o suficiente para confinar seus elétrons e produzir efeitos quânticos. Por exemplo, as nanopartículas de ouro aparecem em solução de vermelho escuro a preto.
A relação superfície-volume muitas vezes muito alta das nanopartículas fornece uma enorme força motriz para a difusão (Difusão (física)), especialmente em temperaturas elevadas. A sinterização é possível em temperaturas mais baixas e por períodos mais curtos do que no caso de partículas maiores. Em teoria, isso não afeta a densidade do produto final, embora as dificuldades de fluxo e a tendência das nanopartículas de se aglomerarem compliquem as coisas. Os efeitos superficiais das nanopartículas também reduzem a temperatura de fusão incipiente.
Nanopartículas ou nanocristais de metais, semicondutores ou óxidos são de especial interesse devido às suas propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas e químicas, entre outras.[26][27] Nanopartículas têm sido utilizadas como pontos quânticos e como catalisadores químicos, como catalisadores baseados em nanomateriais. Recentemente, várias nanopartículas estão sendo investigadas para aplicações biomédicas, como engenharia de tecidos, administração de medicamentos ou biossensores.[28][29].
As nanopartículas são de grande interesse científico porque constituem uma ponte entre materiais a granel e estruturas atômicas ou moleculares. Um material a granel deve ter propriedades físicas constantes, independentemente do seu tamanho, mas na escala nanométrica este geralmente não é o caso. Propriedades dependentes do tamanho, como confinamento quântico) são observadas em partículas semicondutoras, ressonância plasmônica de superfície em algumas partículas metálicas e superparamagnetismo em materiais magnéticos.
As nanopartículas possuem uma série de propriedades especiais em relação ao material a granel. Por exemplo, a flexão de cobre a granel (fio, fita, etc.) ocorre com o movimento de átomos/aglomerados de cobre em uma escala de aproximadamente 50 nm. Nanopartículas de cobre menores que 50 nm são consideradas materiais superduros que não possuem a mesma maleabilidade e ductilidade do cobre a granel. Alterar propriedades nem sempre é desejável. Materiais ferroelétricos menores que 10 nm podem mudar sua direção de polarização usando energia térmica à temperatura ambiente, tornando-os inúteis para armazenamento em memória. "Suspensão (química)") suspensões de nanopartículas são possíveis porque a interação da superfície da partícula com o solvente é forte o suficiente para superar diferenças de densidade, que normalmente fazem com que um material afunde ou flutue em um líquido. As nanopartículas muitas vezes têm propriedades visuais inesperadas porque são pequenas o suficiente para confinar seus elétrons e produzir efeitos quânticos. Por exemplo, as nanopartículas de ouro aparecem em solução de vermelho escuro a preto.
A relação superfície-volume muitas vezes muito alta das nanopartículas fornece uma enorme força motriz para a difusão (Difusão (física)), especialmente em temperaturas elevadas. A sinterização é possível em temperaturas mais baixas e por períodos mais curtos do que no caso de partículas maiores. Em teoria, isso não afeta a densidade do produto final, embora as dificuldades de fluxo e a tendência das nanopartículas de se aglomerarem compliquem as coisas. Os efeitos superficiais das nanopartículas também reduzem a temperatura de fusão incipiente.