Kapitel 3 : Nanomaterialien

Im Allgemeinen wird eine Einheit eines Materials als Nanomaterial angesehen, wenn es eine Größe zwischen 1 und 100 Nanometern (nm) in mindestens einer Dimension hat (die übliche Definition von Nanoskala).

Die Forschung an Nanomaterialien nutzt einen materialwissenschaftlich fundierten Ansatz in der Nanotechnologie. Diese Methode nutzt Durchbrüche in der Materialmesstechnik und -synthese, die zur Unterstützung der Forschung im Bereich der Mikrofabrikation etabliert wurden. Materialien, die eine Struktur auf der Nanoskala aufweisen, weisen häufig Eigenschaften auf, die im optischen, elektrischen, thermophysikalischen oder mechanischen Bereich einzigartig sind.

In ISO/TS 80004 wird der Begriff "Nanomaterial" definiert als "Material mit einer beliebigen äußeren Dimension im Nanomaßstab oder mit einer inneren Struktur oder Oberflächenstruktur im Nanomaßstab". Der Begriff "nanoskalig" bezieht sich auf einen Längenbereich, der "ungefähr von 1 nm bis 100 nm" reicht. Dazu gehören nanostrukturierte Materialien, die eine innere oder Oberflächenstruktur auf der Nanoskala aufweisen, sowie Nanoobjekte, bei denen es sich um unterschiedliche Materialteile handelt; Ein Nanomaterial kann zu beiden Gruppen gehören.

Nanomaterialien, die entwickelt wurden, wurden speziell von Menschen entworfen und hergestellt, um bestimmte Anforderungen an ihre Eigenschaften zu erfüllen.

Verbrennung und Verdampfung sind zwei Prozesse, die versehentlich und als Folge mechanischer oder industrieller Vorgänge zur Herstellung von Nanomaterialien führen können. Schmelzen, Schweißgase, Verbrennungsprozesse aus dem Haushalt, Heizen und Kochen mit festen Brennstoffen sind potenzielle Quellen für unbeabsichtigte Nanopartikel. Weitere mögliche Quellen sind Motorabgase von Autos. Zum Beispiel kann die Verbrennung von Gas, Biomasse oder einer Kerze zur Produktion einer Kategorie von Nanomaterialien führen, die als Fullerene bezeichnet werden.

Nanomaterialien, die sowohl natürlich als auch nützlich sind, sind häufig in biologischen Systemen zu finden. Natürliche organische Nanomaterialien finden sich in der Struktur von Foraminiferen (hauptsächlich Kreide), Viren (Protein, Kapsid), Wachskristallen, die ein Lotus- oder Kapuzinerkresseblatt bedecken, Spinnen- und Spinnmilbenseide, den "Spateln" auf der Unterseite von Gecko-Füßen, bestimmten Schmetterlingsflügelschuppen, natürlichen Kolloiden (Milch, Blut), Hornmaterialien (Haut, Krallen, Schnäbel, Federn, Hörner, Haare), Papier, natürlich vorkommende anorganische Nanomaterialien. Zum Beispiel haben Tone komplizierte Nanostrukturen, weil die darunter liegende Kristallstruktur anisotrop ist, und vulkanische Aktivität kann Opale hervorbringen, die aufgrund der nanoskaligen Struktur der Opale Beispiele für natürlich vorkommende photonische Kristalle sind. Brände sind besonders komplizierte Reaktionen, die unter anderem zur Bildung von Pigmenten, Zement und pyrogener Kieselsäure führen können.

Verbrennungsprodukte, Waldbrände, Vulkanasche, Gischt und der radioaktive Zerfall von Radongas sind natürliche Quellen für Nanopartikel. Weitere natürliche Quellen sind Darüber hinaus können natürliche Nanomaterialien durch die Verwitterungsprozesse von Gesteinen hergestellt werden, die Metalle oder Anionen enthalten, sowie an Orten, an denen saure Grubenentwässerung stattfindet.

Natürliche Nanopartikel in einer Galerie angeordnet

Virales Kapsid

"Lotus-Effekt", ein hydrophober Effekt, der auch die Fähigkeit hat, sich selbst zu reinigen.

Nahaufnahme der Unterseite eines Gecko-Fußes, wie er auf einer Glaswand läuft (Spachtel: 200 × 10-15 nm)

REM-Aufnahme einer Schmetterlingsflügelwaage (× 5000)

Eine Feder von einem Pfau (Ausschnitt)

Brasilianischer Kristallopal. Die Interferenz und Beugung des Lichts, die durch das Vorhandensein von Siliziumdioxidkugeln erzeugt wird, ist die Quelle des Regenbogens von Farben (150 - 300 nm Durchmesser).

Blauer Farbton einer Vogelspinnenart (450 nm ± 20 nm)

Bei der Klassifizierung von Nanoobjekten ist es üblich, zu berücksichtigen, wie viele ihrer Dimensionen auf der Nanoskala liegen. Es ist möglich, ein Nanopartikel als ein Nanoobjekt zu beschreiben, das alle drei seiner äußeren Dimensionen innerhalb der Nanoskala hat und dessen längste und kürzeste Achsen sich nicht wesentlich voneinander unterscheiden. Auf der Nanoskala besteht die äußere Dimension einer Nanofaser aus zwei inneren Dimensionen, wobei Nanoröhren feste Nanofasern und Nanostäbchen hohle Nanofasern darstellen. Eine der Außenabmessungen einer Nanoplatte oder eines Nanoblatts wird auf der Nanoskala gemessen.

Es gibt Untergruppen von mikroporösen und mesoporösen Materialien, die in die Kategorie der nanoporösen Materialien eingeordnet werden. Materialien gelten als mikroporös, wenn ihre mittlere Porengröße weniger als 2 Nanometer beträgt, während Materialien als mesoporös gelten, wenn ihre mittlere Porengröße zwischen 2 und 50 Nanometern liegt.

Auf der Nanoskala haben Nanopartikel alle drei Dimensionen gleichzeitig. Um ein Nanokomposit zu erzeugen, können Nanopartikel auch in einem Schüttgut verkapselt werden.

Fullerene sind eine Familie von Kohlenstoffallotropen, bei denen es sich theoretisch um Graphenschichten handelt, die zu Röhren oder Kugeln aufgewickelt sind. Fullerene kommen in der Natur vor. Dazu gehören Kohlenstoff-Nanoröhren, auch Silizium-Nanoröhren genannt, die nicht nur wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit, sondern auch wegen ihrer elektrischen Eigenschaften interessant sind.

Das Molekül von Fulleren, das zum ersten Mal gefunden wurde, und der Vorläufer des Familiennamens, Buckminsterfulleren (C60), Richard Smalleys Arbeit darüber, die bis ins Jahr 1985 zurückreicht, Robert Curl, Um James Heath zu zitieren:

Das bin ich, Sean O'Brien, neben Harold Kroto von der Rice University.

Buckminster Fuller wurde durch die Verwendung dieses Namens geehrt.

von deren geodätischen Kuppeln es inspiriert zu sein scheint.

Seitdem wurde entdeckt, dass Fullerene in der Natur vorkommen.

Im Bereich der Forschung und Entwicklung waren die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Fullerenen in den letzten zehn Jahren ein heißes Thema, und es wird erwartet, dass dies auch in Zukunft noch lange der Fall sein wird. Im April 2003 wurden Fullerene auf mögliche Anwendungen in der Medizin untersucht. Zu diesen Anwendungen gehörten die Bindung bestimmter Medikamente an die Struktur antibiotikaresistenter Bakterien und das Targeting bestimmter Arten von Krebszellen, wie z. B. Melanomzellen. Ein Artikel, der die Verwendung von Fullerenen als lichtaktivierte antibakterielle Mittel beschreibt, findet sich in der Ausgabe von Chemistry and Biology, die im Oktober 2005 veröffentlicht wurde. In der Nanotechnologie gehören Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit und Supraleitung zu denen, die von der Forschung besonders beachtet werden.

Das Senden eines signifikanten Stroms zwischen zwei engen Graphitelektroden in Gegenwart einer inerten Umgebung ist einer der beliebtesten Ansätze zur Herstellung von Fullerenen. Der dadurch erzeugte Kohlenstoffplasmalichtbogen kühlt zwischen den Elektroden ab und hinterlässt einen rußigen Rückstand, aus dem eine beträchtliche Anzahl von Fullerenen extrahiert werden kann.

Die ab-initio-Quantenmethoden wurden in einer Vielzahl verschiedener Berechnungen, die durchgeführt wurden, auf Fullerene angewendet. IR-, Raman- und UV-Spektren sind alle durch die Verwendung von DFT- und TDDFT-Methoden erhältlich. Die Ergebnisse solcher Berechnungen können mit den Ergebnissen von Experimenten verglichen werden.

Aufgrund ihrer faszinierenden optischen und elektrischen Eigenschaften könnten anorganische Nanomaterialien wie Quantenpunkte, Nanodrähte und Nanostäbchen möglicherweise in der Optoelektronik eingesetzt werden. Darüber hinaus können die optischen und elektrischen Eigenschaften von Nanomaterialien, die von ihrer Größe und Form abhängen, mit synthetischen Ansätzen verändert werden. Denn ihre Größe und Form bestimmen, wie sie sich verhalten. Die Anwendung solcher Materialien in optoelektronischen Bauelementen auf Basis organischer Materialien wie organischen Solarzellen, organischen Leuchtdioden und anderen ähnlichen Bauelementen ist eine Möglichkeit. Diese Art von Geräten wird durch photoinduzierte Prozesse wie Elektronentransfer und Energietransfer gesteuert, die ihre grundlegenden Betriebsweisen vorgeben. Die Wirksamkeit des photoinduzierten Prozesses, der für den Betrieb der Geräte verantwortlich ist, ist direkt proportional zu der Leistung der Geräte. Um sie in optoelektronischen Bauelementen einsetzen zu können, ist daher ein größeres Wissen über diese photoinduzierten Prozesse in organischen/anorganischen Nanomaterial-Kompositsystemen erforderlich.

Aufgrund ihrer mechanischen, elektrischen, magnetischen, optischen, chemischen und anderen Eigenschaften sind Nanopartikel und Nanokristalle, die aus Metallen, Halbleitern oder Oxiden gebildet werden, von besonderem Interesse. Zu diesen Eigenschaften gehören:

Da sie effizient als Brücke zwischen Schüttgütern und atomaren oder molekularen Strukturen dienen können, sind Nanopartikel heute Gegenstand vieler Forschungen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Es wird erwartet, dass die physikalischen Eigenschaften eines Schüttguts unabhängig von der Größe des Stoffes gleich bleiben, aber auf der Nanoskala ist dies nicht immer der Fall. Größenabhängige Merkmale finden sich wie der Quanteneinschluss in Halbleiterpartikeln, die Oberflächenplasmonenresonanz in bestimmten Metallpartikeln und der Superparamagnetismus in magnetischen Materialien.

Im Vergleich zu...